張 陳，陳 搏，劉新海

(1.廣東粵路勘察設(shè)計有限公司，廣州 510630；2．華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640； 3.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

我國公路總里程于2021年底已突破520萬km[1]。水泥混凝土路面因其具有強度高、穩(wěn)定性及耐久性好、養(yǎng)護費用少、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，被大量應(yīng)用于高速公路的匝道、隧道以及低等級道路中[2]。然而實際使用過程中常因水泥混凝土路面抗滑性能不足，還未達到設(shè)計使用年限就需要對其進行精銑刨或加鋪瀝青罩面層，以保障行車的安全[3-4]。目前水泥混凝土路面一般以刻槽作為保證抗滑性能的主要措施，路面抗滑性能衰減的根本原因是刻槽構(gòu)造的破壞[5]。而水泥水化物與集料間粘結(jié)力不足是導(dǎo)致刻槽構(gòu)造產(chǎn)生損壞、進而引發(fā)路面抗滑性能衰減的重要原因之一，因此有必要從配合比設(shè)計方面考慮改善水泥混凝土的抗滑耐久性[6-9]。

水泥混凝土配合比設(shè)計的合理性是影響水泥水化物與集料間粘結(jié)力的重要因素。目前常用的水泥混凝土配合比設(shè)計方法未對粗集料間的比例構(gòu)成作詳細(xì)要求，通常按規(guī)范推薦及根據(jù)最大理論密度曲線確定粗集料間的比例[6，8，10]。施加外加荷載后，混凝土水泥水化物與集料間的粘結(jié)力較為不足，兩者之間的粘結(jié)界面易產(chǎn)生損壞，從而導(dǎo)致水泥混凝土路面抗滑耐久性不佳。本文以提高水泥混凝土的強度與改善其抗磨耗性能為目的，使用分級摻配法以及采用機制砂替代天然砂進行不同比例的摻配，對混凝土的級配進行優(yōu)化設(shè)計，通過改變粗集料級配、機制砂類型及摻量，以期獲得強度高及抗磨性能較好的水泥混凝土，改善水泥混凝土路面的抗滑耐久性。

1 試驗材料及性能

1.1 水泥

水泥類型：普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5),初凝時間235min，終凝時間287min,7d抗折強度4.95MPa,7d抗壓強度38.1MPa。

1.2 粗集料

集料種類：石灰?guī)r，粒徑規(guī)格分別為10～30mm、10～20mm、5～10mm；壓碎值為17.7%,磨耗值為21.1%,表觀相對密度為2.784。篩分結(jié)果見表1。

表1 集料篩分結(jié)果

1.3 細(xì)集料

細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)見表2，其余指標(biāo)滿足設(shè)計規(guī)范技術(shù)要求。

表2 細(xì)集料細(xì)度模數(shù)

1.4 外加劑

減水劑類型：CNF-3高效引氣緩凝型。

1.5 基準(zhǔn)配合比

通過計算法得出混凝土初始配合比(表3)。

表3 混凝土配合比

經(jīng)檢測試驗，該配合比水泥混凝土的28d抗壓強度為44.1MPa，抗彎拉強度為5.39MPa，坍落度為30～50mm。以高等級公路隧道鋪裝水泥路面常用的C40砼標(biāo)準(zhǔn)來衡量，此配合比下試樣抗壓強度小于55MPa，達不到C40砼的技術(shù)要求。為提高水泥混凝土的強度與抗磨耗性能，采用分級摻配法調(diào)整粗集料比例對級配進行優(yōu)化，并選擇3種機制砂替代天然砂進行不同比例的摻配，研究粗集料比例、機制砂種類及其替換比例的變化對水泥混凝土強度及磨損量的影響規(guī)律。

2 粗集料分級摻配試驗與分析

本文采用分級摻配法，通過將小粒徑到大粒徑集料依次摻配，以獲得密實程度最高的混合料[11-12]，并計算出各粒徑集料的優(yōu)化摻配比例。本試驗通過調(diào)整10～30mm、10～20mm和5～10mm的組成比例，最終得出密實度最大的組合方案。第一步，先對10～30mm、10～20mm兩檔大粒徑的粗集料進行摻配，得出此時最優(yōu)摻配比為m:n，如圖1 (a) 所示。第二步，將上一步摻配的混合石料與5～10mm石料以比例(m+n):k進行摻配，如圖1 (b) 所示。

圖1 分級摻配

將試驗待測的集料分批裝入容量為10L的容器桶中，每添加三分之一時使用振動臺振動3min，以達到密實集料的作用。

(1)將10～30mm和10～20mm兩檔集料按質(zhì)量比=2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2混合均勻，依次倒入振實筒中進行密實填充，計算緊裝密度。試驗結(jié)果(圖2)表明： 10～30:10～20的比例為6:4時10～30mm和10～20mm兩檔大粒徑粗集料緊裝密度最大。

圖2 a:b摻配比例的緊裝密度

(2)將10～30mm和10～20mm兩檔粗集料按6:4的比例混合均勻，然后按(10～30)+(10～20):(5～10)=6:1、5:1、4:1、3:1、2:1，進行調(diào)配并混合均勻，依次倒入振實筒中進行粗集料振動填充試驗，將表面整平，最后計算其緊裝密度。試驗結(jié)果(圖3)表明：(10～30)+(10～20):(5～10)的比例為4:1時，粗集料密實度最大。

圖3 (a+b):c摻配比例的緊裝密度

綜合以上試驗結(jié)果，按總的粗集料用量為10來計算，最終換算得：10～30:10～20:5～10=4.8:3.2:2。為方便計量，最終確定粗集料的比例為：10～30:10～20:5～10=5:3:2。

根據(jù)水泥混凝土的初始配合比設(shè)計，對其粗集料級配比例進行優(yōu)化調(diào)整，其他材料摻量不變，試驗級配見表4。按照J(rèn)TG E30-2005的T0551-2005成型試樣，每組成型6塊試件，將3塊試件養(yǎng)生7d，其余試件養(yǎng)生28d?；炷翉姸仍囼灲Y(jié)果如圖4所示。

表4 試驗級配

由圖4可知，優(yōu)化級配后，抗折和抗壓強度均有所提高，其中7d與28d抗折強度增長15%與12%、7d與28d抗壓強度增長2.2%與3.3%。

圖4 粗集料優(yōu)化前后混凝土強度對比

試驗表明：在相同的條件下，優(yōu)化粗集料內(nèi)部占比使混凝土形成密實結(jié)構(gòu)，可有效提升試塊的力學(xué)指標(biāo)，其中抗折強度的改善效果更為顯著。

3 不同細(xì)集料摻配試驗與分析

施工過程中，振搗及提漿作用使得砂漿上浮于路表，因此砂漿強度直接影響表層的抗磨損性能。在一定程度上，路表微觀紋理的耐磨性能受細(xì)集料的耐磨性能的影響，路表耐磨性能隨細(xì)集料類型的不同而存在差異[5-7]?；诖?，本文分析不同摻量石灰?guī)r(SHY)、玄武巖(XWY)及花崗巖(HGY)的機制砂對強度和磨損量的影響差異，以配置出最佳的細(xì)集料摻配比。

3.1 強度

本文利用上述試驗得出粗集料的最優(yōu)配合比，保證水灰比、細(xì)集料、粗集料的比例不變，對細(xì)集料成分采用機制砂分別以25%、50%、75%、100%的摻配比置換天然砂進行試驗，試驗級配見表5。通過對不同級配與不同齡期(7d與28d)的試件進行抗壓與抗折強度試驗，分析不同種類、不同摻量的機制砂對混凝土強度的影響。試驗結(jié)果如圖5和圖6所示。

表5 試驗級配

圖5 機制砂巖性/替換比例-抗折強度關(guān)系

圖6 機制砂巖性/替換比例-抗壓強度關(guān)系

由圖5可知，石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖的抗折強度在替換比例為50%時達到極值，說明本次選用的三種機制砂最優(yōu)的替換比例為50%，此條件下混凝土可獲得較大的抗折強度。此外，在各替換比例下，玄武巖7d和28d的抗折強度均大于其他對照組，其中玄武巖7d峰值抗折強度分別較石灰?guī)r與花崗巖高出3.13%與4.76%，28d抗折強度分別較石灰?guī)r與花崗巖高出4.23%與4.23%。

由圖6可知，隨著替換比例的提高，石灰?guī)r與花崗巖的7d與28d抗壓強度存在一個極大值與極小值點，而玄武巖 7d與28d抗壓強度僅存在一個極小值點。石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖的抗壓強度均在替換比例為50%時達到極值。在兩種養(yǎng)生條件下，玄武巖的峰值抗壓強度均大于其他對照組，7d抗壓強度分別較石灰?guī)r與花崗巖高出2.24%與8.19%，28d抗壓強度分別較石灰?guī)r與花崗巖高出2.61%與5.90%。

試驗表明：在相同的級配條件下，采用玄武巖機制砂替代河砂相比石灰?guī)r、花崗巖機制砂更有利于混凝土強度的提高，且替代比例為50%時效果最佳。

3.2 磨損量

混凝土耐磨損能力是路面抗滑水平的重要因素，其取決于混凝土強度、集料特性和級配等。提高強度對抗磨性能有一定的積極效應(yīng)，為此，本文通過對不同級配與不同齡期(7d與28d)的試件進行磨損量試驗，分析不同巖性機制砂混凝土的力學(xué)特性與磨損量的關(guān)系。

本試驗根據(jù)表5制備12組150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，每組包含3個試塊，并依據(jù)JTGE30-2005中的T0567-2005對試塊進行耐磨損試驗。標(biāo)準(zhǔn)化磨損量計算如式(1)所示。

(1)

式中:G0為單位面積的磨損量(kg/m2)；m1為初始質(zhì)量(kg)；m2為磨損后的質(zhì)量(kg)；0.0125為試件磨損面積(m2)。

剔除偏差較大的結(jié)果后，計算同一試驗組未被剔除的試塊磨損量的均值，見表6。同時為將28d抗折與抗壓強度與磨損量建立聯(lián)系，建立強度-磨損量相關(guān)關(guān)系數(shù)學(xué)模型，如圖7和圖8所示。

表6 磨損量試驗結(jié)果

圖7 28d抗壓強度與磨損量關(guān)系

圖8 28d抗折強度與磨損量關(guān)系

由圖 7可知，抗壓強度與磨損量之間存在良好的線形關(guān)系。石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖的抗壓強度與磨損量指標(biāo)的相關(guān)指數(shù)R2分別為0.914 0、0.954 5、0.940 5，隨著磨損量的增大，抗壓強度均呈線形遞減趨勢。

由圖8可知，抗折強度均隨磨損量的增大呈線形下降的趨勢。石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖的抗折強度與磨損量指標(biāo)的相關(guān)指數(shù)R2分別為0.942 9、0.905 8、0.917 4，相關(guān)性均良好。

綜合上述圖表數(shù)據(jù)來看，本文采用的玄武巖強度與抗磨損性能較好，其中，養(yǎng)護7d后其磨損量分別較石灰?guī)r及花崗巖低5.09%與5.10%；養(yǎng)護28d后，其磨損量分別較石灰?guī)r及花崗巖低12.13%與0.75%，相對而言，玄武巖綜合指標(biāo)較好。

試驗結(jié)果表明：采用玄武巖機制砂替代河砂相比石灰?guī)r、花崗巖機制砂更有利于提高水泥混凝土的抗磨耗性能，且混凝土的抗磨耗性能與抗折強度、抗壓強度密切相關(guān)。

3.3 集料級配與種類對抗滑性能的影響

水泥混凝土路面在服役過程中，路表不斷受到車胎的碰擊與磨損作用。在雙重作用下，抗滑衰減初期路表砂漿層被磨耗，使粗料逐漸顯露出來，這一階段車輪磨耗使得路面抗滑能力迅速下降；到抗滑衰減中末期，表層砂漿被耗損殆盡，大部分粗集料裸露出來，在同等沖擊磨損的條件下，混凝土抗滑紋理衰減速度趨于平穩(wěn)，這一階段磨損主體由砂漿層轉(zhuǎn)變?yōu)轱@露的粗集料。因此，混凝土耐磨損能力是路面抗滑水平的重要因素，其取決于混凝土強度、集料特性和級配等[7-9]。

本文試驗結(jié)果表明，水泥混凝土的強度與抗磨耗性能具有正相關(guān)性，而按規(guī)范推薦及根據(jù)最大理論密度曲線確定的水泥混凝土級配并不是最佳的混凝土配合比。實際水泥混凝土路面施工中可采用分級摻配法對粗集料摻量比例進行優(yōu)化，有助于改善集料的緊裝密度，增強水泥混凝土的強度。此外，選用玄武巖機制砂以50%的摻量替代河砂，有利于提高水泥混凝土的抗壓與抗折強度，減小試件磨損量，延緩抗滑紋理衰減，提高水泥混凝土路面的抗滑耐久性。

4 結(jié)論

(1)采用分級摻配法對粗集料摻量比例進行優(yōu)化，有助于改善集料的緊裝密度，相應(yīng)的抗壓與抗折強度明顯提升，其中抗折強度增幅達10%以上。

(2)研究不同比例、不同巖性的機制砂與天然砂混合后對混凝土性能的影響。采用天然砂與人工砂各摻配50%時，集料緊裝密度最大；相比于石灰?guī)r與花崗巖，玄武巖機制砂混凝土的抗磨耗性能最佳。

(3)強度-磨損量相關(guān)關(guān)系數(shù)學(xué)模型表明，水泥混凝土強度與磨損量之間存在良好的線形關(guān)系，相關(guān)指數(shù)達到90%以上。采用分級摻配法以粗集料最大緊裝密度原則及摻配微觀紋理豐富的玄武巖機制砂替代表面光滑的天然砂，有利于提高水泥混凝土的強度，改善水泥混凝土路面的抗磨耗性能。