公路水泥混凝土路面耐磨損技術分析研究

李海生

摘要：本文結合筆者多年工作實踐，對提高公路混凝土路面的整體耐磨性能的處理措施進行了具體論述，在此基礎上依照相關技術規范，對混凝土耐磨性能進行了室內試驗，對試驗取得的數據和結果進行了仔細分析處理，并就采用礦渣改性混凝土公路以提高路面的耐磨性能的應用機理進行了科學的評價和總結。

關鍵詞：水泥混凝土路面；耐磨損技術；抗滑性；礦渣改性混凝土

1引言

水泥混凝土路面的抗滑性能主要取決于路表的宏觀抗滑構造和微觀抗滑構造。其中微觀抗滑構造直接由路表砂漿表面極細微的微觀構造組成，提供了汽車在低速(＜60km/h)和路面干燥條件的抗滑能力；宏觀抗滑構造則是采用刻槽和拉毛等工藝形成，提供了車輛在高速和雨天行駛的抗滑能力。國內外研究表明，采用天然砂做細集料一般即可保證水泥路面微構造的有效性，因此混凝土路面抗滑性能的關鍵技術措施在于制作良好且耐久的宏觀構造。而宏觀構造的長期有效性除了采用適當的構造工藝外，提高混凝土的耐磨性能是保證其耐久性的關鍵因素。

路面水泥混凝土的磨損過程復雜而影響因素繁多，材料的本身性能、磨損方式及條件甚至環境因素都會影響材料的磨損性能。以下首先分析水泥路面的磨損機理，通過室內試驗比選道路混凝土耐磨損性能的改善技術，并采用微觀分析其改性機理。

2 提高混凝土路面的整體耐磨性能的措施分析

路面水泥混凝土的磨損形式可分為粘磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和侵蝕磨損四種類型，其中疲勞磨損和磨粒磨損是水泥路面磨損的主要方式。

磨粒磨損是水泥路面最常見的磨損形式，由路面上堅硬顆粒楔入相對較軟的路面引起；疲勞磨損則是當水泥路面的受到車輛移動的推壓力作用，在車輪作用點前后分別形成壓、拉應力的交替循環，導致路面原生裂縫的擴展，最終引起路面的局部斷裂和砂漿層的脫落而造成的。實際上水泥路面的磨損常是上述幾種磨損形式的綜合作用結果，如疲勞磨損的結果在路面形成許多自表面脫落的粉末和顆粒，進一步導致磨粒磨損。而磨粒磨損產生的剪切和犁削作用又使路面應力不斷變化及反復變形，更加劇了疲勞磨損的作用。

當交通荷載和環境條件一定即其他外界影響因素相同時，水泥路面的磨損劣化性能取決于路面材料的耐磨損性能。當路面混凝土表面受到車輪的沖擊、磨擦、切削等磨蝕破壞作用時，與混凝工耐磨相關的最大剪應力發生在表面以下的次表面層，磨蝕破壞的作用力首先破壞混凝土表面的水泥石，集料逐漸凸出程度的增加，受磨蝕的作用力不斷加大，磨蝕速度隨之增加。由此可見，如果混凝土水泥石含量較大，混凝土中集料與水泥石的磨蝕破壞難以趨于平衡，水泥路面的磨耗也會持續下去。

通過以上分析可見，改善路面混凝土的耐磨性能不僅需要提高砂漿或集料單組分的耐磨損性能，限制混凝土中水泥和用水量的最大用量也非常必要。而通過各種手段改善混凝土的斷裂和疲勞性能以減少疲勞磨損，更是從根本上提高路面混凝土整體耐磨性能的途徑。參照國內外經驗，具體措施可為：

采用優質的水泥和粗細集料：C3S是硅酸鹽水泥礦物成分中耐磨損能力最大的，選擇C3S含量較高的水泥；選擇較小最大粒徑和較大硬度的石料。

在水灰比一定時，選擇較小的水泥用量，采用優質減水劑在同水灰比時降低水泥用量；采用礦物摻合料代替部分水泥。

提高混凝土的韌性，采用各種技術提高混凝土的斷裂和疲勞性能，降低混凝土疲勞磨損的速度和強度。

提高混凝土的強度，混凝土的抗壓強度和耐磨性能成比例上升是公認的結論，但會引起混凝土早期開裂的可能性增加。

鑒于普通水泥混凝土材料組分對其耐磨性能的影響研究已較為深入，且很多地方本身缺乏優質的水泥和集料。以下僅對幾種可能改善混凝土耐磨性能的技術進行室內試驗，并進行比選工作。

3 改善混凝土耐磨性能的室內試驗

3．1試驗方案設計

在調研與試驗的基礎上，選用了可能的6種混凝土耐磨改善方案進行試驗。所有方案混凝土的坍落度均控制臺3-5cm。

3．2原材料性能與試驗方法

水泥選擇42.5號普通硅酸鹽水泥，28d抗折強度為8.0MPa；細集料選用細度模數為0.2的中砂；粗集料選用最大粒徑為31.5mm的級配石灰巖碎石。粉煤灰選用市購II級灰，比表面積為4750cm2/g；礦渣比表面積為5300cm2/g攪拌水選擇自來水。

耐磨損試驗參考《公路工程水泥混凝土試驗規程》(JTJ053-94)中水泥混凝土的耐磨性方法進行，以磨耗后的質量損失率作為耐磨性能指標。

3．3 試驗結果與討論

分析可以得到以下結論：

摻入減水劑和對水泥混凝土的耐磨性能有不同程度的改善，表現為混凝土的單位面積磨耗量均有所下降。粉煤灰則改性效果差，特別當粉煤灰摻量較高時，混凝土的耐磨損性能有大幅度下降，因此對于大摻量粉煤灰混凝土在路面中的應用應較慎重。

摻入減水劑后混凝土耐磨損性能提高，摻入超細后混凝土的耐磨性進一步提高，在礦渣摻量為20％與30％時，減水劑摻量為0.8％時，混凝土的單位磨損量較變通混凝土降低了31％與44％。

混凝土的磨耗量與抗壓強度相關性較高，但此規律只是針對普通混凝土與粉煤灰混凝土線性關系較好，礦渣混凝土的相關性則略差；磨耗量與抗折強度沒有顯著的相關性。

比選上述結果可見，雙摻礦渣和減水劑對改善混凝土耐磨性能的效果顯著，考慮到礦渣的應用還可以大幅度提高混凝土的抗折強度和柔性，因此推薦采用礦渣改性混凝土，建議摻量為20％～30％。

4礦渣－混凝土改性機理分析

由分析可知，普通混凝土內部砂漿孔隙率較大，水泥水化物間以棒條形或針狀的AFT相連，整體呈現為間斷、孔隙較大的骨架網狀體系結構。雙摻礦渣和減水劑后，混凝土內部砂漿漸趨于致密，超細礦渣填充混凝土內部的孔隙和裂隙，混凝土的表面孔隙也相應隨之下降，耐磨性能得以提高。

基于礦渣的技術性質，參考微觀電鏡試驗結果，其改性方式可綜合表現為以下三個方面：

減水增密：超細礦渣的粒徑均遠小于水泥顆粒，摻入后可以充分填充在濁內部孔隙和水泥與集料界面裂隙內：礦渣和減水劑的雙重作用還在減少混凝土用水量，降低水灰比，混凝土更為密實，耐磨損性能提高。

增柔型：礦渣能起到改善混凝土脆性的效果，從而降低混凝土疲勞磨損的破壞速度與強度，從而在根本上改善混凝土的耐磨性能。

取代水泥型：降低水泥石的相對含量有利于提高混凝土的耐磨性能，室內試驗也證明了這一點，如礦渣取代了部分水泥用量，對混凝土的耐磨性有促進作用。

5 結論及建議

5．1水泥路面的磨損方式主要是疲勞磨損和磨粒磨損，改善路面水泥混凝土的耐磨性能應從以下三方面入手：提高砂漿和集料耐磨性能、限制水泥最大用量、改善混凝土的斷裂和疲勞性能。

5．2研究了雙摻減水劑和粉煤灰或礦渣打對混凝土耐磨性能的改善作用，其中以復合摻加減水劑和礦渣的效果最佳，單摻減水劑次之，而粉煤灰在摻量較大的條件下會降低混凝土的耐磨損性能。

5．3雙摻減水劑和礦渣打可以通過減水和增密效果，使混凝土內部更為致密充分，因而對其耐磨性能的改善效果較佳。

5．4考慮到標準磨損試驗難以考察混凝土疲勞耐磨損性能，因此如何定量的考察磨粒磨損和疲勞磨損在混凝土磨耗中所占的比率和強度。需要進一步研究。