1概述
水泥混凝土路面在一些工業(yè)發(fā)達國家的公路網(wǎng)占有相當重要的地位，最為突出的是美國，已建水泥混凝土路面約20萬公里，其中有6萬多公里是州際公路──承擔主要重交通量的干線公路，占總長度的一半以上；德國在發(fā)動二次大戰(zhàn)前修建的高速公路，基本上是水泥混凝土路面；其他國家如英、法、西班牙、澳大利亞等國也有相當量的水泥混凝土路面；近些年來東南亞地區(qū)水泥路面的公路呈發(fā)展上升趨勢，如日本自八十年代末起大力發(fā)展碾壓混凝土路面，稱之為第三種鋪裝方式，欲以其代替瀝青混凝土路面，作為重載高速公路路面的重要形式，延長使用壽命，降低養(yǎng)路費用。
大量水泥混凝土路面的修建與應用，帶來對這種道路使用耐久性的關心，例如美國在汽車運輸發(fā)展迅速之時，發(fā)現(xiàn)引氣劑能大大改善水泥混凝土路面抗凍融與除冰鹽侵蝕的能力，至今仍被稱之為混凝土材料發(fā)展史上的一個里程碑；八十年代興起混凝土耐久性研究應用熱潮，也是就美國及其他國家大量混凝土橋面板和路面的修復、更新，需要耗費巨額資金而提出的。
在我國，水泥混凝土路面發(fā)展的歷史較短，特別是水泥混凝土路面的高等級公路、高速公路還是近些年才開始大量修建的，因此對于它的耐久性還未得到應有的重視。盡管如此，一部分新修運營才幾年的道路，混凝土路面已經出現(xiàn)相當嚴重的病害，如路面板磨耗、剝落、開裂與斷板、缺棱掉角或起拱、塌陷等，影響行車安全與舒適性，影響路面的使用壽命。混凝土路面的修補非常麻煩，費用也很高，因此引起各級領導與有關部門的高度重視，并力圖找到得力的措施改進。高等級公路路面混凝土的設計抗折強度指標從4.5MPa提高到5.0MPa，而配制強度提高到5.5MPa，就是有力的明證。但是，一方面強度指標提高使得單方混凝土水泥用量增加，從而單方材料費用進一步提高；另一方面，增加水泥用量對提高混凝土抗折強度的效果并不顯著，有時甚至看不出無效果。事實上，我國規(guī)范規(guī)定的抗折強度為4.5MPa的指標，已經比美、英等國的指標（4.0MPa）高，看來出現(xiàn)病害的原因并不在于抗折強度偏低。那么，改善高等級公路水泥路面耐久性的關鍵究竟是什么？在混凝土中，粗集料通常要占體積的55～80％，因此它對混凝土的耐久性、對道路使用壽命的影響應該是相當重要的，但這一點尚未被國內道路工程界充分重視，從國內許多混凝土路面工程所用粗集料的質量低劣就可以看出來：石子的最大粒徑普遍較大、超徑多，而且一般是單級配（如用5-40mm顆粒為粗集料，常常只有15-40mm的顆粒，而5-15mm的顆粒極少），此外粗集料中的針片狀顆粒含量還很多，含泥量也往往嚴重超標，這樣的粗集料是無法修建出高質量的路面。所以本文著重談論粗集料對混凝土路面耐用性的影響，以期引起各方面的重視。
2粗集料對路面抗沖擊、疲勞性能的影響
粗集料對混凝土路面耐用性的影響之大，可從下面的例子中看出來：
1988年，美國對45個州的水泥混凝土道路進行了使用壽命的調查，結果表明：其平均壽命僅為20.5年。文章認為[1]：使用壽命完全可以加倍延長，關鍵在于改變現(xiàn)行材料試驗協(xié)會標準(即ASTM)中關于粗集料級配的規(guī)定，象其他工業(yè)國一樣，在路用混凝土中采用三級配粗集料。增加中間一級顆粒，稱之為“橋梁”，即把大小粗集料顆粒聯(lián)系起來。文章對比了美國達拉斯市兩條相鄰的街道：一條是已運行66年的老路，仍基本完好；另一條剛運行5年，已有不少地方損壞，需要修補了。兩條路相差如此懸殊，原因在后者的混凝土中盡是大顆粒粗集料，而前者粒形與級配良好，“橋梁”作用明顯。例子很典型，實際情況要復雜一些，但從中可以得到重要的啟示：混凝土材料已經使用了一個多世紀，在各方面條件發(fā)生很大變化的今天（指工程結構物的使用條件、混凝土原材料與施工工藝等等），有必要重新認識有關粗集料的一些問題，以利更好地發(fā)展水泥混凝土公路建設。
為什么現(xiàn)今水泥混凝土路面的使用壽命，受粗集料最大粒徑和中間顆粒的影響如此之大呢？這要從現(xiàn)代交通的發(fā)展來進行分析，由于近些年來大型、重載車輛，包括集裝箱車輛的出現(xiàn)與頻繁運行，這些重型車輛對道路的破壞，要遠遠大于輕型汽車，反映在對路面板混凝土的抗沖擊與疲勞的強度需要大大提高，因此如上所述，靠提高室內靜力試驗的抗折強度指標就達不到預期效果，甚至無濟于事。根據(jù)國外大量研究和應用的結果證明：混凝土粗集料的最大粒徑越小，其抗沖擊與疲勞的強度就越好。但是粗集料的粒徑減小（國外一般都以20mm為最大粒徑），會使包裹它們的砂漿需要量增大，也有不利之處，就要通過增加中間顆粒部分來補償。國內雖然采用最大粒徑大（通常為40mm，且超徑顆粒很多）的粗集料，但因為缺少中間顆粒，粗集料的堆積不夠密實，水泥砂漿的需要量仍然不小。結果水泥用量增加，提高了材料費用，還對路面的使用壽命產生不利的影響。除了抗沖擊與疲勞的性能以外，就路面用水泥混凝土的耐久性而言，占首位的就屬耐磨耗性能了，當然凍害與化學侵蝕等也是一些必須注意的問題，分別敘述如下。
3粗集料對路面耐磨耗性能的影響
耐磨耗性能是談到水泥混凝土路面耐久性時首先涉及的另一個問題，無論國內外已有大量的研究工作都證實：總體上水泥混凝土路面的耐磨耗性能直接與混凝土強度相關，即強度越高，路面就越耐磨耗。
粗集料本身的耐磨性能，雖然和路面耐磨耗性能有關，但除特殊情況外(如特別脆弱的燧石、容易磨光的石灰石細粒)，關系并不很大；而另一方面，粗集料的顆粒分布與級配，對路面板的耐磨耗性能，乃至整個路面的壽命卻有很大的關系。上述那篇美國雜志的文章表明：使混凝土路面壽命加倍延長，也就是40～50年的壽命是完全可能的。分析認為：現(xiàn)在粗集料的顆粒分布不好，是路面損壞的主要原因之一，而通常進行設計時只考慮荷載，不考慮耐久性的現(xiàn)狀，使這個問題復雜化。經過對粗集料的顆粒分布進行廣泛的試驗研究，發(fā)現(xiàn)在主要工業(yè)國家中，只有美國一些州的現(xiàn)行規(guī)范是用二級配粗集料拌和混凝土，其他發(fā)達國家和美國的部分地區(qū)至少采用三級配粗集料，這樣顆粒分布就好多了，中間顆粒在大、小顆粒間形成橋梁，填充空隙并增加大混凝土的密實度。
在沒有或很少中間顆粒的時侯，混凝土含有過多而且不易密實的砂漿，而砂漿越多，表面就越容易被磨損；這還會形成許多通道，使侵蝕性的介質得以進入。施工中抹面時，混凝土面層應該有一定的易修整性，如果粗集料非常粗澀，就要有更多砂漿供抹面需要。路面混凝土的強度指標很明確，攪拌站供應的混凝土一定要滿足強度要求，但是怎樣才能滿足易修整性呢？粗集料的顆粒形狀在這里起一定的作用，它影響拌和物的易修整性和可壓實性能，尖棱角與片針狀顆粒阻礙拌和物流動，它們互相嵌鎖，使混凝土難以密實。采用這類粗集料顆粒的混凝土，用攤鋪機攤鋪時速度減慢、抹面困難、行車顛簸。所以用用圓角粗集料，包括豆石可以延長混凝土路面的壽命。兩種同水灰比的拌和物，砂漿含量可在48%～60%之間波動，取決粗集料的顆粒分布。顆粒分布好的粗集料只需48%的砂漿，就可生產粘聚的、工作性能好的拌和物。混凝土路面設計的一個問題是設計應該針對確定的環(huán)境進行，這樣才能確保路面的質量。
路面的磨耗是個很長的過程，我們現(xiàn)在的評價方法則是在試件成型28天后就進行快速試驗，而硅酸鹽水泥的水化要延續(xù)很久，也許要十幾年、幾十年。路面混凝土的性能隨時間的發(fā)展，與其28天強度值不存在一個確定的函數(shù)：在30年前，那時的水泥顆粒要粗得多，所以可能30年后的今天強度還在增長，在開始的第一年里，增長幅度也許要超過25%；當今所用的水泥要細得多，化學外加劑的使用有助于進一步提高早期強度，但因此其后期強度增長幅度就會明顯減小。沒有人到1年、3年、5年、20年后還在關心路面的性能，這就是我們不能僅僅依靠評價28天強度的原因。
在一條新路面上，磨耗開始于防滑構造層──細砂漿層，如果粗集料的顆粒分布不好，這層砂漿就不僅僅是第一道防線而已了。砂漿磨掉以后，粗砂露出來分擔荷載，顆粒分布在這時的作用重大，它可以保護路面不過分磨耗、不會形成通道、不產生開裂或其它病害。砂漿磨掉以后，粗集料的中間顆粒露出來，其顆粒影響就更大了：如果沒有足夠的中間顆粒，周圍的砂漿就會受到很大的作用力而破壞。
由于混凝土路面中良好的集料粒徑分布，有助于提供耐久性保護作用，因此有人提出：任何一級粒徑的顆粒都不要大于21％，這是一個理想的篩分曲線，其中間顆粒分布良好。在很多地區(qū)，當?shù)夭豢赡芴峁┧枰拇旨希坏貌粡暮苓h的地方去找砂源，這雖然增加了一些運輸費用，但與5年和66年的巨大差距相比，就顯得微不足道了。當然有時也不得不做出另一種抉擇：在宏觀抗滑構造一旦磨穿，下面的路面就很容易磨損，因此粗集料顆粒分布不好時，就只有把98％的精力集中到做好表面層。
在耐磨耗性能這一點上，路面與室內地面、工業(yè)地坪有區(qū)別。后者要經過反復抹壓(或稱整面)，因此準確掌握抹壓的時機，對其耐磨耗性能有重要的影響。例如有的建筑物已歷經幾十年地面仍然很光滑，而有的地面只用了幾年就已經磨損嚴重。公路施工因為速度快、面積大，不可能象地坪那樣精心整面；再者，在高等級路面上，為了抗滑起見，要在表面加工宏觀與微觀抗滑構造，如拉毛、壓槽等，因而即使精心整面，對路面耐磨耗性能的影響并不大。
因為路面板較薄，暴露比面積大，所以路面表層的耐磨耗性能和混凝土澆筑后的養(yǎng)護條件關系十分密切，不僅與養(yǎng)護方式、養(yǎng)護材料密切相關，還與養(yǎng)護開始時間的選擇關系很大。例如混凝土表面泌水多、天氣較潮濕及氣溫低時，養(yǎng)護就要晚一些再進行，否則泌到表面的水由于覆蓋養(yǎng)生時蒸發(fā)不掉，表面層就會疏松；反之，在干燥、氣溫高及有風的天氣里，如果混凝土澆筑后沒有及早開始養(yǎng)護，很快會因其內部水分向外蒸發(fā)，尚沒有形成強度的混凝土很容易產生微小的塑性收縮裂縫，從而加速水分進一步蒸發(fā)，影響水泥水化及其強度的發(fā)展，并使路面板被外界環(huán)境里的侵蝕介質滲入，對路面板的承載力、耐磨耗性能及其長期耐久性都造成很不利的影響。
有些人對改善混凝土路面的耐磨耗性能十分關注，但他們錯誤地認為膠結材料本身的耐磨耗性能與混凝土路面的耐磨耗性能有很大關系，例如認為混凝土中摻磨細礦渣就提高耐磨耗性能；而摻粉煤灰，通常認為對耐磨耗性能就有不利影響。事實上，路面表層的耐磨耗與物料在球磨機里的耐磨耗是有很大區(qū)別的，路面表層通常是砂漿暴露在外，砂子自然要遠比水泥漿耐磨，所以通常認為其耐磨耗性能首先是和水泥漿對砂子的固著程度，也就是如上所述，和混凝土的強度密切相關；其次它的耐磨耗性能還和砂質（包括砂子的含硅量，一些國家規(guī)定了路面混凝土所用砂子含硅量的最小值，就是從保證耐磨性要求出發(fā)的）密切相關。而礦渣在球磨機里很耐磨，在很大程度上是與其玻璃態(tài)光滑的表面有關（磨球不容易將它砸碎），近年的一篇有關膠結料中摻礦渣的水泥混凝土耐磨耗的文章，可以作為這個問題的一個旁證[2]。認為摻礦渣、鋼渣的水泥（如近年國內一些單位研制的道路水泥）比較耐磨耗的結論，與現(xiàn)行有關水泥耐磨耗的試驗方法，不能真實反映水泥混凝土路面的耐磨耗性能有關（如小試件的成型采用相同水灰比，反映不出膠結料實際需水量；摻礦渣水泥泌水影響表面耐磨耗性能在試驗中反映不出來，整面與養(yǎng)護工藝對路面耐磨耗性能的重要影響更無法反映）。
3粗集料對路面抗凍融循環(huán)與除冰鹽能力的影響
只要是在受凍融循環(huán)影響的地區(qū)修筑水泥混凝土路面，就要考慮其抗凍害的能力，包括混凝土未硬化時的凍害與混凝土硬化后受凍融循環(huán)與除冰鹽的作用，這二者有時互相關聯(lián)，如在低溫時施工的路面，由于水泥水化緩慢，凝結時間很長，表面泌出水多，形成大量通道，就會使水很容易滲入，影響抗凍融耐久性。
水泥混凝土路面抗凍融循環(huán)與除冰鹽的能力，主要決定于它抗?jié)B透性能的優(yōu)劣。如上所述，粗集料質量的好壞，影響其堆積的密實程度，因此影響混凝土所需要的砂漿量，從而間接地決定了路面抗?jié)B透性能的優(yōu)劣。
當然，可能受凍的混凝土表面有較多的水積聚，是路面受凍害的另一必要條件，否則也談不上凍害問題。這就是為什么施工完以后受第一個凍融循環(huán)之前，若有一個干燥期間歇，對其抗凍融很有利的原因。水泥在水化作用期間的自干燥作用，使混凝土拌合時達到飽和的粗集料顆粒排出部分水分，但在進行道路設計和養(yǎng)路時注意表面的排水還是很必要的。
談到水泥混凝土路面的抗凍性時，經常提到的是除冰鹽的破壞作用。在以往國內公路多是混合交通的時侯，由于行車速度通常不很高，因此下雪以后在路面結成的冰碴沒有引起廣泛的關注。但在公路交通發(fā)達的國家里，每到冬季下雪時，由于冰碴使汽車打滑發(fā)生的交通事故往往非常嚴重，使用除冰鹽化冰，保證正常行車速度而不出事故就成為十分必要與經常采用的措施了。除冰鹽的使用是導致路面剝落的主要原因（剝落的程度從輕微的露石直到路面10cm以上的砂漿成片剝落，石子被剝離，嚴重的時侯這種現(xiàn)象在使用后幾周就很明顯了，剝落下來的混凝土塊在隨后的大氣與交通作用下繼續(xù)碎裂，互相嵌鎖，形成無法排出水去的凹坑，使混凝土更容易受到侵蝕），在撒用除冰鹽時，路表的冰碴化凍會使其下方的混凝土突然受冷，溫度陡降，在局部產生反復的凍融循環(huán)，這種情況在不使用除冰鹽的時侯是不會遇到的。而且自然界的降溫一般也不會這么突然，緩慢的降溫使混凝土中的熱量傳導開去，毛細孔與粗集料孔隙里產生的壓力較容易消散，就不會產生很大的危害。上述使用除冰鹽的作用，在通常按標準進行的室內凍融試驗條件下也反映不出來。
摻用引氣劑并使混凝土有適宜的含氣量、氣泡間隔系數(shù)，對可能使用除冰鹽并處于水飽和狀態(tài)的路面混凝土來說是絕對必要的，但是這還不夠，混凝土表面受凍易于剝落的雖只有10mm頂面，引氣作用通常也是針對路面的50mm面層而規(guī)定的，但是在施工時，由于過度振搗或非經允許灑水以便容易抹面等做法，都會使表層的含氣量損失，達不到保證抗凍融循環(huán)與除冰鹽的效果。注重正確操作、采用粘聚性好、不泌水的拌合物是很重要的，引氣也有這方面的作用，所以進行拌合物設計時不考慮引氣作用，使其粗澀、泌水多，是非常有害的。
關于混凝土硬化之前的安全保護期，國內外已進行了大量的研究，由于路面混凝土的成熟度和抗凍性的關系要比澆筑在模板里的混凝土更為復雜一些，因此在估計時往往也要更偏于保守一些。特別是要用到除冰鹽的路段，在路面受凍之前，要考慮足夠的養(yǎng)護時間，可能的情況下讓其有一段干燥期。
飽和的粗集料在受凍時會向外排水，所以液相壓力來自于砂漿，也來自粗集料顆粒本身，如果這個壓力超過了粗集料的強度，它會破壞或脫離混凝土體，這都會導致混凝土破壞。壓力的大小取決所用巖石的孔結構和石子的粒徑，粒徑越大，產生的壓力也就越高，因此對每種巖石存在一個“臨界粒徑”的概念，對同一巖種，則40mm最大粒徑的石子比20mm的危險要大。當然在發(fā)生剝落現(xiàn)象時，歸因于粗集料還是砂漿之前，需要在顯微鏡下經過細心觀測來判斷。
混凝土路面受凍害的另一種形式是D—裂縫（這種裂縫通常要到道路運營幾年，甚至十幾年后才會發(fā)現(xiàn)），粗集料肯定是D－裂縫破壞產生的原因。有大量小孔隙的粗集料在水飽和情況下受到反復凍融的作用，就會產生D－裂縫，這種裂縫由板底開始，逐漸向上發(fā)展，當施工幾年以至十幾年后的路面上發(fā)現(xiàn)這種大致與板邊平行的裂縫時，已經很嚴重并且只有敲碎更換了。橋面板、路面板都會產生這種破壞現(xiàn)象。為避免這種破壞，需要在選擇粗集料的巖種（通常是沉積巖）時注意，對可疑的巖種要減小粗集料的最大粒徑。
如上所述，水泥混凝土路面抗凍融與除冰鹽等化學侵蝕的能力，決定因素是具有低的滲透性。長期以來強調的降低混凝土水灰比的措施，在高效減水劑廣泛應用的今天，已被許多國家，包括國內越來越多的實踐證明是十分有效的，對高性能混凝土(HPC)開展了大量的研究工作表明：摻有高效減水劑和礦物摻合料制備的高性能混凝土，可以大大降低混凝土的水膠比（水/水泥+礦物摻合料），從而具有非常低的滲透性，因此抗凍融與除冰鹽化學侵蝕的性能十分優(yōu)異。當然，粗集料的粒徑與級配良好，使混凝土較為密實，從而使水泥漿量減小，也是改善混凝土滲透性能的重要決定性因素。同時，用這種混凝土材料鋪筑的路面也將有很好的耐磨耗性能（如北歐的國家已使用這種混凝土，作為通行帶釘輪胎車輛行駛的路面材料）。
綜上所述：水泥混凝土路面的耐久性問題在當前國內迅速發(fā)展公路交通，特別是水泥混凝土路面建設的今天，很有必要大力宣傳和呼吁；改善粗集料的加工質量，注意適當減小粗集料的最大粒徑，保證良好的粒形和級配，并且開展對高性能混凝土的研究與應用，以全面提高水泥混凝土路面耐久性，有效地延長其使用壽命，使我國的基礎設施建設能夠持續(xù)地得到發(fā)展，為經濟建設提供必要的前提。
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