重載交通及耐重載水泥混凝土路面材料的研究

林娜

（湖南工程職業技術學院，湖南 長沙 410015）

0 引言

交通運輸部《2021年交通運輸行業發展統計公報》指出，截至2020年底，我國公路里程已達到519.81 萬km，二級以上等級公路里程70 余萬km，高速公路里程近15 萬km。作為高等級公路的主要路面結構形式之一的水泥混凝土路面在這個數據中占有相當大比重。交通運輸部發布的《2015年公路里程(按路面類型分)》顯示，早在2015年，我國高速公路及水泥混凝土路面里程就雙雙達到世界第一。同瀝青路面相比，水泥混凝土路面具有強度高、穩定性好、耐久性好、利于夜間行車、施工簡便等特點。

然而，有研究表明車輛軸載、路面重載程度過高與混凝土本身彎拉強度標準的設置偏小之間的矛盾，是造成混凝土早期破壞、后期病害的重要原因之一，是限制水泥混凝土路面使用壽命和快速發展的關鍵。由此可見，在我國重載交通現象普遍存在的基礎上，耐重載水泥混凝土路面材料的研究意義重大，并且將其研究重點和主要特點定義為高抗折、低脆性、高耐磨是科學合理的。

1 重載交通下混凝土彎拉強度目標標準值的確定

根據混凝土路面極限狀態設計公式（1）、公式（2）分析可知，

除去溫度梯度疲勞應力σ這個主要由于自然環境影響的控制因素外，水泥混凝土路面早期破壞的主要因素有三個：σ、σ和f。其中臨界荷位處產生的行車荷載疲勞應力σ與道路的重載交通息息相關，σ主要與P（水泥混凝土路面上的最重軸載）有關。由此可見，欲提高水泥混凝土路面對重載交通及路面重載程度的承受能力，提高路面材料的抗折強度是最直接且最有效的方法。

對于重載交通和耐重載混凝土而言，規范規定5.0MPa 抗折強度標準值已遠遠滿足不了要求。早在20 世紀末，我國礦山地區重載路段就已經將設計抗折強度提高到6.0MPa，施工抗折強度不小于7.0MPa。本文設計耐重載混凝土彎拉強度目標標準值通過計算得出。具體計算如下：

假設一條高速公路，擬設計厚度0.26m，設計軸載P=100kN，最終軸載P=250kN，設計車道初期標準軸載日作用次數（N）為75000 次，年交通增長量（g）為6%（基層為低液限土，地下水位1.0m，水穩砂礫基層，地基綜合回彈模量E取125MPa）。

1.1 交通分析

高速公路設計基準期為30年，安全等級為一級，查表得臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數?取0.22。

依據《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）中規定，屬于特重交通荷載分級。然而，諸如“上海運煤路段路面”“天津超載車輛調查”“107 國道郴州段、鄭州黃河橋等路段”“109 國道山西段”等研究表明大部分重載交通道路車輛軸重100kN 以上的重型貨車占整個交通量的60%左右，重車超載率一般在70%～200%之間，這些數據均影響了設計軸載作用次數N，使之大幅提高，從而導致N的大幅提升。2011年頒布的規范，對交通荷載分級也相應大幅提高標準。因此本文的N數值屬于特重交通荷載的分級仍需商榷，下降為重載交通分級較為科學合理，但用于本文的試驗數據研究是可行的。

1.2 路面參數的計算

由混凝土面層的彎曲剛度D及半剛性基層板的彎曲剛度D及地基綜合回彈模量E計算路面結構總相對剛度半徑。

1.3 荷載應力計算

標準軸載和極限荷載在臨界荷位處產生的荷載應力為：

計算面層荷載疲勞應力及面層最大荷載應力為：

其中，應力系數K=0.87（查表得）；K=1.10（查表得）；疲勞應力系數

1.4 溫度應力

有研究計算了大量路面的溫度應力，結果表明溫度應力的波動范圍，一般在1.0～1.3 之間，本文σ取最不利值1.3MPa。

1.5 水泥混凝土彎拉強度標準值fr 的確定

將上述結果帶入表達式（1）：1.13（4.340+1.3）=6.37MPa≤f，可得f可初步確定為6.5MPa。

然而，重載交通水泥混凝土路面的設計思路不僅應將軸載及重載交通情況與應力關聯起來，還應考慮應力水平的因素，早在1988年同濟大學就開展了相應試驗，得出應力水平為0.55～0.65。但是隨著重載交通及超載日益嚴重，該應力水平可超過0.85，甚至達到1。長沙交通學院學者用神經網絡分析并建立了分段擬合的雙對數方程，研究結果（見圖1）表明規范和網絡擬合的曲線整體走向是一致的，但在應力水平S=0.75 處，擬合曲線產生了拐點，且曲線趨于平緩，說明應力水平很小幅的上升都會引起N 的大幅上升，可能會造成路面的早期破壞。因此對于重載混凝土路面材料來講，長期處于重載交通和超重運輸環境下，應力水平長期處于高位，這個拐點的意義至關重要。

圖1 神經網絡擬合雙對數方程曲線

本文選取S=0.75。因此極限狀態設計表達式應改寫為：

最終，本文將耐重載混凝土彎拉強度目標標準值確定為8.50MPa。

2 摻和料的配伍研究

高性能混凝土中優質的礦物摻和料是不可缺少的組成部分，本文采用正交試驗優選粉煤灰、硅灰、礦渣最佳復合比例，見表1。依據試驗數據，采用直觀分析法，可知：其一，抗折強度方面：各水平抗折強度均值（ Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）均高于未復合礦物摻和料試樣（8.9MPa），說明礦物摻和料的填充效應、流化效應、二次水化效應等有助于提高材料的抗折強度。且三因素中，粉煤灰Ⅰ（10.04MPa）、礦渣Ⅲ（9.96MPa）、硅灰Ⅲ（9.74MPa）的抗折強度均值最高，因此，三者優選比例暫定5%、20%、3%較為合適。極差分析中，粉煤灰的極差數據最大（0.69），由此可知影響材料抗折強度的主要因素為粉煤灰摻量，因此初步確定粉煤灰的摻量宜選用5%。其二，壓折比方面：壓折比反應材料的脆性（抗變形能力），壓折比越小，材料抗變形能力越好。三因素中，粉煤灰Ⅲ（5.28MPa）、礦渣Ⅲ（5.19MPa）、硅灰Ⅰ（5.27MPa）的壓折比均值最低，因此，三者優選比例暫定15%、20%、3%較為合適。極差分析中，礦渣的極差數據最大（0.50），由此可知影響材料脆性的主要因素為礦渣摻量，因此初步確定礦渣摻量宜選用20%。

表1 水泥膠砂強度正交試驗結果分析表

表1 顯示硅灰最優摻量分別是最小值3%和最大值7%，且由極差分析可知硅灰對材料抗折強度和壓折比的影響甚微，因此為兼顧抗折強度和壓折比兩項指標，將硅灰的摻量折中為5%。

綜上所述，礦物摻和料優選比例為1∶4∶1，將其按該比例混合制備成耐重載混凝土“專用礦物摻和料”。

3 混凝土重要參數的確定

《公路路面水泥混凝土配合比設計技術規程》指出“宜根據過去的經驗資料求得公式推算水灰比，得到水灰比與強度的關系可靠關系式”，并給出推薦水灰比（抗彎拉強度設計等級6.0MPa，0.32～0.42），因本文目標抗折強度8.5MPa 以上，所以配制耐重載混凝土水膠比范圍至少應選取0.32～0.42 之間。因此，本文暫選取水膠比0.32～0.42 開展試驗，試驗結果見圖2。結果表明水膠比對混凝土的抗折強度影響顯著，隨著水膠比的減小，抗折強度明顯提高，當水膠比減小到0.32 時，抗折強度達到8.7MPa，符合本文要求。

圖2 水膠比對混凝土抗折強度影響曲線

出于方便道路混凝土施工方面的考慮，該規程采用滑模施工的道路混凝土坍落度宜控制在10～30mm之間。然而為降低混凝土脆性，減少混凝土干縮開裂程度，后續試驗還需摻入一定數量的纖維增強材料，纖維材料的摻入必然會影響混凝土拌和物的和易性，并且高效減水劑（摻量0.8%）的摻入也會使坍落度損失加大。綜合考慮以上因素，本文配制的耐重載混凝土的坍落度擬設計在10～60mm 之間。

依據已有研究和經驗，“專用礦物摻和料”摻量選取30%，為提高混凝土耐磨性能并進一步降低脆性，選用長度9mm 的聚丙烯纖維摻入混凝土，摻量1.2kg/m，見表2。

表2 耐重載混凝土配合比設計表

4 耐重載混凝土力學性能及耐磨性能的研究

耐磨性作為耐久性能的重要指標之一，對于混凝土路面的使用壽命至關重要，因此其耐磨性能也需相應提高，本文目標擬達到28 天磨損量小于等于2.0kg/m。由表3 可得，其一，5 號組抗折強度為8.9MPa（≥8.5MPa），壓折比最小，磨損量0.43kg/m（≤2.0kg/m），達到預期目標，說明水膠比的選取、“專用礦物摻和料”及聚丙烯纖維的摻量均合適，配合比合理。其二，對比分析：相較于2 號組，5 號組抗折強度提高了35%，壓折比降低了21%，磨損量降低了80%，說明“專用礦物摻和料”和纖維的摻入充分發揮了超細粉末的超疊加效應和纖維增韌作用，有效地提高了混凝土的各項指標。相較于1 號組，體現出耐重載道路混凝土相較于普通混凝土在各項道路混凝土關鍵性指標中均具有相當優越性。2 號、3 號組相比，單摻“專用礦物摻和料”組的指標優于單摻聚丙烯纖維組，進一步說明“專用礦物摻和料”在混凝土各項性能的提高中起主導作用。

表3 耐重載混凝土性能分析表

5 結論

其一，考慮到應力水平及重載交通和重載程度對道路混凝土路面應力的影響，將耐重載混凝土的彎拉強度目標標準值確定為8.5MPa。

礦物摻和料中，粉煤灰是影響材料抗折強度的主要因素，礦渣是影響材料脆性的主要因素，粉煤灰、礦渣、硅灰的最佳配比為1∶4∶1。

其二，道路混凝土的配制具有高抗折、低脆性、高耐磨等特點，符合耐重載混凝土路面材料的特征。