道路混凝土強度空間變異性試驗評價

岳愛軍，李中漢，徐夢舟

(1．廣西道路結構與材料重點試驗室，廣西　南寧　530007；2．廣西金城高速公路有限公司，廣西　南寧　530021)

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道路混凝土強度空間變異性試驗評價

岳愛軍1，李中漢2，徐夢舟1

(1．廣西道路結構與材料重點試驗室，廣西南寧530007；2．廣西金城高速公路有限公司，廣西南寧530021)

岳愛軍(1971—)，博士，主要從事道路結構與材料研究；

李中漢(1971—)，高級工程師，從事高速公路運營管理工作；

徐夢舟(1988—)，助理工程師，主要從事合同評審及管理工作。

摘要：道路混凝土具有明顯的內分層、外分層結構，混凝土強度在表面、底面和厚度方向均有變化，是混凝土強度變異性的主要原因。為評價混凝土空間強度變異性，文章對不同工藝的道路混凝土路面進行現場取芯，并采用回彈強度試驗方法測定芯樣頂面、底面及側面的回彈強度，評價混凝土強度的空間分布特征。試驗結果表明：可采用正態分布模型評價分層強度的變異性；混凝土表面強度一般低于試件平均強度，底面強度一般高于試件平均強度，在深度為100～200 mm時強度達到最佳。

關鍵詞：道路混凝土；空間結構；變異性；回彈強度；正態分布；試驗評價

0引言

道路混凝土路面為彈性地基上的薄板結構，其工作狀態是承受行車荷載和溫度疲勞綜合作用，因此彎拉疲勞強度是道路混凝土的結構強度指標[1]。

道路混凝土路面施工工藝主要有滑模攤鋪施工和三輥軸機組施工兩種工藝。為達到結構和功能要求，道路混凝土普遍采用內部振搗和表面提漿的施工方式，這形成了密實與成型之間尖銳的工藝矛盾，其彎拉強度受施工過程影響顯著[2]。由于基層表面吸水、施工過程中混凝土表面提漿，以及密實過程中工藝參數變化的影響，混凝土強度在表面、底面和厚度方向均有變化，這種變化使混凝土面板強度在空間分布上存在差異。根據試驗方法的不同，混凝土強度可以采用抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、沖擊強度、疲勞強度、混凝土與鋼筋的握裹強度等進行評價。Tournon[3]提出利用重心位置的變化判斷混凝土試樣的離析方向和離析程度的大小。張艷聰等[4]提出采用離析度來表征道路混凝土內部顆粒離析程度。梁軍林[5]等采用密度和吸水率變異性指標來評價道路混凝土外分層、內分層結構，試驗模擬研究了基層類型、處理方式及隔離層類型等因素對含外分層結構混凝土彎拉強度的影響，研究了不同性質和厚度的表面砂漿對混凝土彎拉強度的影響。張哲[6]分析了道路混凝土材料組成與含水量變異性對路面攤鋪中施工變異性的影響。已有研究主要是在實驗室條件和標準工藝條件下進行，材料組成變化不大，工藝參數控制準確，工藝穩定，不考慮環境的影響，但根據室內材料組成及性能的關系評價現場混凝土的性能將存在一定的偏差。

本文在現場鉆取不同施工工藝的道路混凝土路面芯樣，采用回彈強度試驗方法評價混凝土強度的空間分布特征，通過大量的試驗，提出采用正態分布模型評價分層強度的變異性，采用回彈強度的變異系數作為評價混凝土密實成型過程的勻質性參數，作為路面鉆芯劈裂強度補充，為結構設計確定可靠度系數提供依據。

1道路混凝土結構強度變異性測試原理與方法

路面混凝土結構強度變異性研究采用回彈強度試驗方法。對不同施工工藝的水泥混凝土路面進行現場取芯，芯樣直徑為150 mm，將芯樣底面和頂面磨平，然后在壓力試驗機上壓緊，先測定頂面及底面的回彈強度，然后將芯樣立起，再用壓機試驗機壓緊，以每40~50 mm為一層，分層測定芯樣側面的回彈強度，通過研究回彈強度的分布，得出混凝土強度變異性及分布情況。

回彈試驗中，回彈儀的沖擊能量為：

E=kL2/2

(1)

式中：E——回彈儀的彈擊總能量，J；

L——彈簧工作時的壓縮長度，mm；

k——回彈儀的彈簧剛度系數，對中型彈簧k=784.532 N/m。

混凝土表面回彈值為：

H=x/L

(2)

式中：H——混凝土表面回彈值；

x——彈擊錘的回彈距離。

沖擊后能量損耗為：

ΔE=E[1-(x/L)2]

(3)

沖擊產生的能量主要用于對混凝土表面作塑性變形功，形成沖擊凹坑混凝土的塑性變形功為：

Ed=π·r2v0σs

(4)

式中：Ed——塑性變形功；

r——沖擊凹坑的半徑，近似等于沖擊桿的半徑；

m——沖擊錘的質量；

σs——混凝土的塑性屈服強度；

v0——沖擊錘的初速度，按下式計算：

(5)

用于作塑性變形功的沖擊能量為：

(6)

令變形功與沖擊功相等，則混凝土抗壓強度與回彈值的關系為：

(7)

式中：fc——混凝土抗壓強度，MPa；

H——混凝土表面回彈值；

L——彈簧工作時的壓縮長度，mm；

r——沖擊桿的半徑,m；

直流側接地方式結構簡單易行，通過電容或電阻的箝位作用使直流極線正負極電壓保持對稱又為直流系統提供電位參考點。在直流側找不到滿足要求的接地點的情況下將接地點轉移到了交流側，如人工構造一個星形電抗器中性點或直流利用聯接變壓器接地。

k——為回彈儀的彈簧剛度系數，對中型彈簧k=784.532 N/m；

m——沖擊錘的質量，kg。

根據回彈法檢測混凝土強度試驗研究，統一測強曲線為：

fc=AHn

(8)

式中，A、n為經驗系數，根據混凝土回彈測強曲線回歸，A=0.025，n=2。

統一測強曲線指數n=2，與式(7)理論分析結果完全相符。而參數A主要是儀器性能參數，由式(7)得：

(9)

回彈值與抗壓強度關系公式中，抗壓強度為沖擊凹坑混凝土強度，如果表面強度與內部強度差異較大，則采用回彈強度評價混凝土強度會造成較大誤差。

由以上推導回彈強度公式過程可知，影響試驗結果的主要因素是沖擊凹坑的半徑，以及沖擊過程中的能量損耗。如果表面有粗集料或其它硬度較高的顆粒，沖擊時不屈服，形不成沖擊凹坑，或沖擊凹坑的半徑比沖擊桿的半徑小，則回彈值會增大很多，造成試驗誤差；如果表面有孔洞，沖擊時孔洞吸收部分能量，會降低回彈值。因此回彈強度測試僅適用于強度中等的混凝土，用于比較混凝土的強度。本文用于研究道路混凝土的強度空間分布，可得出不同部位混凝土的強度，分析強度變異性，對道路混凝土路面結構強度分析和評價仍有較大意義。

由于影響回彈強度和抗壓強度的因素不完全相同，建立回彈值與混凝土強度的關系很難具有普適性，因此研究水泥混凝土路面結構強度及其空間變異性，直接采用回彈值進行分析和比較。頂面、底面和每個分層的側面各測16個點，去掉3個最大值和3個最小值，以10個點的平均值代表該層面混凝土的強度。

2道路混凝土強度空間變異性測試結果及分析

2.1　三輥軸機組施工混凝土強度的空間變異性

表1　三輥軸機組施工混凝土強度分布表

圖1　平桂二級公路三軸施工混凝土強度分布圖

由表1及圖1可以得出以下結論：

(1)三輥軸施工混凝土表面強度一般低于試件平均強度，回彈值平均低5.6個點，這主要與表面提漿和離心密實成型有關。

(2)三輥軸施工混凝土底面強度一般高于試件平均強度，回彈值平均高1.7個點，這主要與基層表面吸水降低水灰比有關。

(3)隨著深度的增加，混凝土強度逐漸增加，在深度為100~200 mm強度達到最佳，然后強度又逐漸降低，這主要與三軸機振動軸的壓力分布和成型混凝土的密度分布有關。

(4)表面和底面混凝土強度變異性較高，第一層的強度變異性也較高，從第二層起，強度變異性總體隨深度增加而增大，底面強度變異性相對較大，變異系數達0.071。

(5)通過分布檢驗，混凝土表面、底面和各層強度分布近似服從正態分布，可采用正態分布模型評價分層強度的變異性。采用回彈法試驗，強度變異性很小，試驗結果相當穩定。

岑溪至筋竹高速公路三輥軸機組無振搗施工大厚度水泥混凝土路面，其強度分布規律與上述規律相同(見表2及圖2)。

表2　大厚度混凝土路面三輥軸機組施工混凝土強度分布表

圖2　大厚度混凝土路面三輥軸機組施工混凝土強度分布圖

從表2及圖2中還可以得知，采用低阻力三輥軸混凝土，攤鋪現場混凝土坍落度為90~120 mm，在不振搗的條件下，混合料的施工性能與施工工藝相適應，有效密實作用深度可達320 mm以上。經抽樣檢測，混凝土路面鉆芯取樣劈裂強度也滿足規范的技術要求[2]。

2.2　滑模攤鋪施工混凝土強度的空間變異性

水任至南寧、南寧至壇洛、全州至興安、岑溪至興業高速公路水泥混凝土路面采用滑模攤鋪施工工藝，其中，水南及南壇高速試驗共鉆取芯樣25個、全興高速鉆取芯樣9個、岑興高速鉆取芯樣253個。水南及南壇高速路面設計厚度26 mm，全興、岑興高速路面設計厚度32 mm。滑模攤鋪施工混凝土強度的試驗結果如表3~5、圖3~5。

表3　滑模攤鋪施工混凝土強度分布表(水南、南壇路)

表4　大厚度混凝土路面滑模攤鋪施工混凝土強度分布表(全興路)

表5　大厚度混凝土路面滑模攤鋪施工混凝土強度分布表(岑興路)

圖3　滑模攤鋪施工26 cm厚混凝土強度分布圖

圖4　全興路滑模攤鋪施工混凝土強度分布圖

圖5　岑興路滑模攤鋪施工混凝土強度分布圖

從表3~5、圖3~5中可得出以下結論：

(1)滑模攤鋪混凝土表面強度一般低于試件平均強度，標準厚度施工回彈值平均低3.6個點，大厚度(≥30 cm)滑模攤鋪施工回彈值平均低6~9.1個點，這主要與表面提漿成型有關。振動頻率越高，表面提漿越多，表面強度越低；通常大厚度攤鋪施工速度較慢，振動頻率較高，容易產生過振，因而差異更大。

(2)混凝土底面強度一般高于試件平均強度，標準厚度攤鋪施工回彈值平均高1.5個點，大厚度攤鋪施工平均高2~3.7個點，這主要與基層表面吸水降低水灰比有關。

(3)隨著深度的增加，混凝土強度逐漸增加，在深度為100~200 mm強度達到最佳，然后強度又逐漸降低，這主要與滑模攤鋪施工振搗機振動棒的布置與施工方法有關，振動棒布置在松鋪厚度內振動成型，隨著與振動棒的距離增大，振動波減弱，在最佳振動頻率和振幅下才能獲得最佳強度。

(4)表面和底面混凝土強度變異性較高，第一層的強度變異性也較高，其它層的強度變異性相差不大，底面強度變異性相對較大，變異系數達0.093。

(5)通過分布檢驗，混凝土表面、底面和各層強度分布近似服從正態分布，可采用正態分布模型評價分層強度的變異性。采用回彈法試驗，強度變異性很小，試驗結果相對穩定。

(6)滑模攤鋪施工大厚度水泥混凝土路面，如果混合料的施工性能與施工工藝相適應，有效密實作用深度可達320 mm以上，最大可達350 mm。

3結語

(1)基于現場條件下路面施工形成復雜的含有內分層和外分層結構的混凝土強度在空間上的分布特征可采用正態分布模型評價，混凝土表面強度一般低于試件平均強度，底面強度一般高于試件平均強度，在深度為100~200 mm強度達到最佳。

(2)在混凝土路面鉆芯劈裂強度換算為實際面板彎拉強度進行質量評定時，建議增加混凝土空間強度變異系數的測試，為完善施工質量控制實用技術和提高結構設計可靠度系數提供參考依據。

參考文獻

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[2]梁軍林，等.水泥混凝土路面施工變異性及控制技術研究(分報告三).[R].2011.

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[4]張艷聰，王大鵬，田波，等.道路混凝土離析評價方法[J].公路交通科技，2012，(29)1：23-27.

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[6]張哲.道路混凝土材料組成與變異性[J].山西交通科技，2010.1：16-17.

Experimental Evaluation on Spatial Variability of Road Concrete Strength

YUE Ai-jun1，LI Zhong-han2，XU Meng-zhou1

(1.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007； 2.Guangxi Jincheng Expressway Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530021)

Abstract：Road concrete has obvious internal stratification and external stratification structures，and the con-crete strength is changed on the surface，the bottom surface and the thickness direction，which is the main reason for the variability of concrete strength.To evaluate the spatial strength variability of concrete，this arti-cle conducted the on-site coring for road concrete pavement with different technical processes，and deter-mined the rebound strength of core sample top surface，bottom surface and side surface by using the rebound strength test method，so as to evaluate the spatial distribution features of concrete strength.The experimental results showed that：the normal distribution model can be used to evaluate the variability of stratification strength； the strength of concrete surface is generally below the average strength of specimens，and the strength at bottom surface is generally higher than the average strength of specimens，reaching the optimal strength at the depth of 100 ~200 mm.

Keywords：Road concrete； Spatial structure； Variability； Rebound strength； Normal distribution； Experi-mental evaluation

收稿日期：2015-05-02

文章編號：1673-4874(2015)05-0005-04

中圖分類號：U416

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.002

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