粗集料对水泥混凝土路面使用寿命的影响

覃维祖

(清华大学土木工程系  北京  100084）

摘要  在水泥混凝土路面高等级公路大发展的时期，认识影响其使用寿命的主要因素并在建设过程中给予充分重视是十分必要的。本文着重说明粗集料对混凝土路面使用寿命的重要作用。

关键词  水泥混凝土路面  使用寿命  粗集料

Decisive Influence of Coarse Aggregate on Service Life of Concrete Pavement

Qin Weizu

(Tsinghua University   Department of Civil Engineering  Beijing  100084)

Abstract    Developing rapidly high grade of highway with concrete pavement,it is neccessary to consider the factors of influence service life of pavement and emphasize them in the process of construction. In this paper,the effect of aggregate used in concrete on service life of highway is mainly discused.

Key Words    concrete pavement  service life  coarse aggregate

1 概述

水泥混凝土路面在一些工业发达国家的公路网占有相当重要的地位，最为突出的是美国，已建水泥混凝土路面约20万公里，其中有6万多公里是州际公路──承担主要重交通量的干线公路，占总长度的一半以上；德国在发动二次大战前修建的高速公路，基本上是水泥混凝土路面；其他国家如英、法、西班牙、澳大利亚等国也有相当量的水泥混凝土路面；近些年来东南亚地区水泥路面的公路呈发展上升趋势，如日本自八十年代末起大力发展碾压混凝土路面，称之为第三种铺装方式，欲以其代替沥青混凝土路面，作为重载高速公路路面的重要形式，延长使用寿命，降低养路费用。

大量水泥混凝土路面的修建与应用，带来对这种道路使用耐久性的关心，例如美国在汽车运输发展迅速之时，发现引气剂能大大改善水泥混凝土路面抗冻融与除冰盐侵蚀的能力，至今仍被称之为混凝土材料发展史上的一个里程碑；八十年代兴起混凝土耐久性研究应用热潮，也是就美国及其他国家大量混凝土桥面板和路面的修复、更新，需要耗费巨额资金而提出的。

在我国，水泥混凝土路面发展的历史较短，特别是水泥混凝土路面的高等级公路、高速公路还是近些年才开始大量修建的，因此对于它的耐久性还未得到应有的重视。尽管如此，一部分新修运营才几年的道路，混凝土路面已经出现相当严重的病害，如路面板磨耗、剥落、开裂与断板、缺棱掉角或起拱、塌陷等，影响行车安全与舒适性，影响路面的使用寿命。混凝土路面的修补非常麻烦，费用也很高，因此引起各级领导与有关部门的高度重视，并力图找到得力的措施改进。高等级公路路面混凝土的设计抗折强度指标从4.5MPa提高到5.0MPa，而配制强度提高到5.5MPa，就是有力的明证。但是，一方面强度指标提高使得单方混凝土水泥用量增加，从而单方材料费用进一步提高；另一方面，增加水泥用量对提高混凝土抗折强度的效果并不显著，有时甚至看不出无效果。事实上，我国规范规定的抗折强度为4.5MPa的指标，已经比美、英等国的指标（4.0MPa）高，看来出现病害的原因并不在于抗折强度偏低。那么，改善高等级公路水泥路面耐久性的关键究竟是什么？在混凝土中，粗集料通常要占体积的55～80％，因此它对混凝土的耐久性、对道路使用寿命的影响应该是相当重要的，但这一点尚未被国内道路工程界充分重视，从国内许多混凝土路面工程所用粗集料的质量低劣就可以看出来：石子的最大粒径普遍较大、超径多，而且一般是单级配（如用5-40mm颗粒为粗集料，常常只有15-40mm的颗粒，而5-15mm的颗粒极少），此外粗集料中的针片状颗粒含量还很多，含泥量也往往严重超标，这样的粗集料是无法修建出高质量的路面。所以本文着重谈论粗集料对混凝土路面耐用性的影响，以期引起各方面的重视。

2 粗集料对路面抗冲击、疲劳性能的影响

粗集料对混凝土路面耐用性的影响之大，可从下面的例子中看出来：

1988年，美国对45个州的水泥混凝土道路进行了使用寿命的调查，结果表明：其平均寿命仅为20.5年。文章认为[1]：使用寿命完全可以加倍延长，关键在于改变现行材料试验协会标准(即ASTM)中关于粗集料级配的规定，象其他工业国一样，在路用混凝土中采用三级配粗集料。增加中间一级颗粒，称之为“桥梁”，即把大小粗集料颗粒联系起来。文章对比了美国达拉斯市两条相邻的街道：一条是已运行66年的老路，仍基本完好；另一条刚运行5年，已有不少地方损坏，需要修补了。两条路相差如此悬殊，原因在后者的混凝土中尽是大颗粒粗集料，而前者粒形与级配良好，“桥梁”作用明显。例子很典型，实际情况要复杂一些，但从中可以得到重要的启示：混凝土材料已经使用了一个多世纪，在各方面条件发生很大变化的今天（指工程结构物的使用条件、混凝土原材料与施工工艺等等），有必要重新认识有关粗集料的一些问题，以利更好地发展水泥混凝土公路建设。

为什么现今水泥混凝土路面的使用寿命，受粗集料最大粒径和中间颗粒的影响如此之大呢？这要从现代交通的发展来进行分析，由于近些年来大型、重载车辆，包括集装箱车辆的出现与频繁运行，这些重型车辆对道路的破坏，要远远大于轻型汽车，反映在对路面板混凝土的抗冲击与疲劳的强度需要大大提高，因此如上所述，靠提高室内静力试验的抗折强度指标就达不到预期效果，甚至无济于事。根据国外大量研究和应用的结果证明：混凝土粗集料的最大粒径越小，其抗冲击与疲劳的强度就越好。但是粗集料的粒径减小（国外一般都以20mm为最大粒径），会使包裹它们的砂浆需要量增大，也有不利之处，就要通过增加中间颗粒部分来补偿。国内虽然采用最大粒径大（通常为40mm，且超径颗粒很多）的粗集料，但因为缺少中间颗粒，粗集料的堆积不够密实，水泥砂浆的需要量仍然不小。结果水泥用量增加，提高了材料费用，还对路面的使用寿命产生不利的影响。除了抗冲击与疲劳的性能以外，就路面用水泥混凝土的耐久性而言，占首位的就属耐磨耗性能了，当然冻害与化学侵蚀等也是一些必须注意的问题，分别叙述如下。

3 粗集料对路面耐磨耗性能的影响

耐磨耗性能是谈到水泥混凝土路面耐久性时首先涉及的另一个问题，无论国内外已有大量的研究工作都证实：总体上水泥混凝土路面的耐磨耗性能直接与混凝土强度相关，即强度越高，路面就越耐磨耗。

粗集料本身的耐磨性能，虽然和路面耐磨耗性能有关，但除特殊情况外(如特别脆弱的燧石、容易磨光的石灰石细粒)，关系并不很大；而另一方面，粗集料的颗粒分布与级配，对路面板的耐磨耗性能，乃至整个路面的寿命却有很大的关系。上述那篇美国杂志的文章表明：使混凝土路面寿命加倍延长，也就是40～50年的寿命是完全可能的。分析认为：现在粗集料的颗粒分布不好，是路面损坏的主要原因之一，而通常进行设计时只考虑荷载，不考虑耐久性的现状，使这个问题复杂化。经过对粗集料的颗粒分布进行广泛的试验研究，发现在主要工业国家中，只有美国一些州的现行规范是用二级配粗集料拌和混凝土，其他发达国家和美国的部分地区至少采用三级配粗集料，这样颗粒分布就好多了，中间颗粒在大、小颗粒间形成桥梁，填充空隙并增加大混凝土的密实度。

在没有或很少中间颗粒的时侯，混凝土含有过多而且不易密实的砂浆，而砂浆越多，表面就越容易被磨损；这还会形成许多通道，使侵蚀性的介质得以进入。施工中抹面时，混凝土面层应该有一定的易修整性，如果粗集料非常粗涩，就要有更多砂浆供抹面需要。路面混凝土的强度指标很明确，搅拌站供应的混凝土一定要满足强度要求，但是怎样才能满足易修整性呢？粗集料的颗粒形状在这里起一定的作用，它影响拌和物的易修整性和可压实性能，尖棱角与片针状颗粒阻碍拌和物流动，它们互相嵌锁，使混凝土难以密实。采用这类粗集料颗粒的混凝土，用摊铺机摊铺时速度减慢、抹面困难、行车颠簸。所以用用圆角粗集料，包括豆石可以延长混凝土路面的寿命。两种同水灰比的拌和物，砂浆含量可在48%～60%之间波动，取决粗集料的颗粒分布。颗粒分布好的粗集料只需48%的砂浆，就可生产粘聚的、工作性能好的拌和物。混凝土路面设计的一个问题是设计应该针对确定的环境进行，这样才能确保路面的质量。

路面的磨耗是个很长的过程，我们现在的评价方法则是在试件成型28天后就进行快速试验，而硅酸盐水泥的水化要延续很久，也许要十几年、几十年。路面混凝土的性能随时间的发展，与其28天强度值不存在一个确定的函数：在30年前，那时的水泥颗粒要粗得多，所以可能30年后的今天强度还在增长，在开始的第一年里，增长幅度也许要超过25%；当今所用的水泥要细得多，化学外加剂的使用有助于进一步提高早期强度，但因此其后期强度增长幅度就会明显减小。没有人到1年、3年、5年、20年后还在关心路面的性能，这就是我们不能仅仅依靠评价28天强度的原因。

在一条新路面上，磨耗开始于防滑构造层──细砂浆层，如果粗集料的颗粒分布不好，这层砂浆就不仅仅是第一道防线而已了。砂浆磨掉以后，粗砂露出来分担荷载，颗粒分布在这时的作用重大，它可以保护路面不过分磨耗、不会形成通道、不产生开裂或其它病害。砂浆磨掉以后，粗集料的中间颗粒露出来，其颗粒影响就更大了：如果没有足够的中间颗粒，周围的砂浆就会受到很大的作用力而破坏。

由于混凝土路面中良好的集料粒径分布，有助于提供耐久性保护作用，因此有人提出：任何一级粒径的颗粒都不要大于21％，这是一个理想的筛分曲线，其中间颗粒分布良好。在很多地区，当地不可能提供所需要的粗集料，而不得不从很远的地方去找砂源，这虽然增加了一些运输费用，但与5年和66年的巨大差距相比，就显得微不足道了。当然有时也不得不做出另一种抉择：在宏观抗滑构造一旦磨穿，下面的路面就很容易磨损，因此粗集料颗粒分布不好时，就只有把98％的精力集中到做好表面层。

在耐磨耗性能这一点上，路面与室内地面、工业地坪有区别。后者要经过反复抹压(或称整面)，因此准确掌握抹压的时机，对其耐磨耗性能有重要的影响。例如有的建筑物已历经几十年地面仍然很光滑，而有的地面只用了几年就已经磨损严重。公路施工因为速度快、面积大，不可能象地坪那样精心整面；再者，在高等级路面上，为了抗滑起见，要在表面加工宏观与微观抗滑构造，如拉毛、压槽等，因而即使精心整面，对路面耐磨耗性能的影响并不大。

因为路面板较薄，暴露比面积大，所以路面表层的耐磨耗性能和混凝土浇筑后的养护条件关系十分密切，不仅与养护方式、养护材料密切相关，还与养护开始时间的选择关系很大。例如混凝土表面泌水多、天气较潮湿及气温低时，养护就要晚一些再进行，否则泌到表面的水由于覆盖养生时蒸发不掉，表面层就会疏松；反之，在干燥、气温高及有风的天气里，如果混凝土浇筑后没有及早开始养护，很快会因其内部水分向外蒸发，尚没有形成强度的混凝土很容易产生微小的塑性收缩裂缝，从而加速水分进一步蒸发，影响水泥水化及其强度的发展，并使路面板被外界环境里的侵蚀介质渗入，对路面板的承载力、耐磨耗性能及其长期耐久性都造成很不利的影响。

有些人对改善混凝土路面的耐磨耗性能十分关注，但他们错误地认为胶结材料本身的耐磨耗性能与混凝土路面的耐磨耗性能有很大关系，例如认为混凝土中掺磨细矿渣就提高耐磨耗性能；而掺粉煤灰，通常认为对耐磨耗性能就有不利影响。事实上，路面表层的耐磨耗与物料在球磨机里的耐磨耗是有很大区别的，路面表层通常是砂浆暴露在外，砂子自然要远比水泥浆耐磨，所以通常认为其耐磨耗性能首先是和水泥浆对砂子的固着程度，也就是如上所述，和混凝土的强度密切相关；其次它的耐磨耗性能还和砂质（包括砂子的含硅量，一些国家规定了路面混凝土所用砂子含硅量的最小值，就是从保证耐磨性要求出发的）密切相关。而矿渣在球磨机里很耐磨，在很大程度上是与其玻璃态光滑的表面有关（磨球不容易将它砸碎），近年的一篇有关胶结料中掺矿渣的水泥混凝土耐磨耗的文章，可以作为这个问题的一个旁证[2]。认为掺矿渣、钢渣的水泥（如近年国内一些单位研制的道路水泥）比较耐磨耗的结论，与现行有关水泥耐磨耗的试验方法，不能真实反映水泥混凝土路面的耐磨耗性能有关（如小试件的成型采用相同水灰比，反映不出胶结料实际需水量；掺矿渣水泥泌水影响表面耐磨耗性能在试验中反映不出来，整面与养护工艺对路面耐磨耗性能的重要影响更无法反映）。

3 粗集料对路面抗冻融循环与除冰盐能力的影响

只要是在受冻融循环影响的地区修筑水泥混凝土路面，就要考虑其抗冻害的能力，包括混凝土未硬化时的冻害与混凝土硬化后受冻融循环与除冰盐的作用，这二者有时互相关联，如在低温时施工的路面，由于水泥水化缓慢，凝结时间很长，表面泌出水多，形成大量通道，就会使水很容易渗入，影响抗冻融耐久性。

水泥混凝土路面抗冻融循环与除冰盐的能力，主要决定于它抗渗透性能的优劣。如上所述，粗集料质量的好坏，影响其堆积的密实程度，因此影响混凝土所需要的砂浆量，从而间接地决定了路面抗渗透性能的优劣。

当然，可能受冻的混凝土表面有较多的水积聚，是路面受冻害的另一必要条件，否则也谈不上冻害问题。这就是为什么施工完以后受第一个冻融循环之前，若有一个干燥期间歇，对其抗冻融很有利的原因。水泥在水化作用期间的自干燥作用，使混凝土拌合时达到饱和的粗集料颗粒排出部分水分，但在进行道路设计和养路时注意表面的排水还是很必要的。

谈到水泥混凝土路面的抗冻性时，经常提到的是除冰盐的破坏作用。在以往国内公路多是混合交通的时侯，由于行车速度通常不很高，因此下雪以后在路面结成的冰碴没有引起广泛的关注。但在公路交通发达的国家里，每到冬季下雪时，由于冰碴使汽车打滑发生的交通事故往往非常严重，使用除冰盐化冰，保证正常行车速度而不出事故就成为十分必要与经常采用的措施了。除冰盐的使用是导致路面剥落的主要原因（剥落的程度从轻微的露石直到路面10cm以上的砂浆成片剥落，石子被剥离，严重的时侯这种现象在使用后几周就很明显了，剥落下来的混凝土块在随后的大气与交通作用下继续碎裂，互相嵌锁，形成无法排出水去的凹坑，使混凝土更容易受到侵蚀），在撒用除冰盐时，路表的冰碴化冻会使其下方的混凝土突然受冷，温度陡降，在局部产生反复的冻融循环，这种情况在不使用除冰盐的时侯是不会遇到的。而且自然界的降温一般也不会这么突然，缓慢的降温使混凝土中的热量传导开去，毛细孔与粗集料孔隙里产生的压力较容易消散，就不会产生很大的危害。上述使用除冰盐的作用，在通常按标准进行的室内冻融试验条件下也反映不出来。

掺用引气剂并使混凝土有适宜的含气量、气泡间隔系数，对可能使用除冰盐并处于水饱和状态的路面混凝土来说是绝对必要的，但是这还不够，混凝土表面受冻易于剥落的虽只有10mm顶面，引气作用通常也是针对路面的50mm面层而规定的，但是在施工时，由于过度振捣或非经允许洒水以便容易抹面等做法，都会使表层的含气量损失，达不到保证抗冻融循环与除冰盐的效果。注重正确操作、采用粘聚性好、不泌水的拌合物是很重要的，引气也有这方面的作用，所以进行拌合物设计时不考虑引气作用，使其粗涩、泌水多，是非常有害的。

关于混凝土硬化之前的安全保护期，国内外已进行了大量的研究，由于路面混凝土的成熟度和抗冻性的关系要比浇筑在模板里的混凝土更为复杂一些，因此在估计时往往也要更偏于保守一些。特别是要用到除冰盐的路段，在路面受冻之前，要考虑足够的养护时间，可能的情况下让其有一段干燥期。

饱和的粗集料在受冻时会向外排水，所以液相压力来自于砂浆，也来自粗集料颗粒本身，如果这个压力超过了粗集料的强度，它会破坏或脱离混凝土体，这都会导致混凝土破坏。压力的大小取决所用岩石的孔结构和石子的粒径，粒径越大，产生的压力也就越高，因此对每种岩石存在一个“临界粒径”的概念，对同一岩种，则40mm最大粒径的石子比20mm的危险要大。当然在发生剥落现象时，归因于粗集料还是砂浆之前，需要在显微镜下经过细心观测来判断。

混凝土路面受冻害的另一种形式是D—裂缝（这种裂缝通常要到道路运营几年，甚至十几年后才会发现），粗集料肯定是D－裂缝破坏产生的原因。有大量小孔隙的粗集料在水饱和情况下受到反复冻融的作用，就会产生D－裂缝，这种裂缝由板底开始，逐渐向上发展，当施工几年以至十几年后的路面上发现这种大致与板边平行的裂缝时，已经很严重并且只有敲碎更换了。桥面板、路面板都会产生这种破坏现象。为避免这种破坏，需要在选择粗集料的岩种（通常是沉积岩）时注意，对可疑的岩种要减小粗集料的最大粒径。

如上所述，水泥混凝土路面抗冻融与除冰盐等化学侵蚀的能力，决定因素是具有低的渗透性。长期以来强调的降低混凝土水灰比的措施，在高效减水剂广泛应用的今天，已被许多国家，包括国内越来越多的实践证明是十分有效的，对高性能混凝土(HPC)开展了大量的研究工作表明：掺有高效减水剂和矿物掺合料制备的高性能混凝土，可以大大降低混凝土的水胶比（水/水泥+矿物掺合料），从而具有非常低的渗透性，因此抗冻融与除冰盐化学侵蚀的性能十分优异。当然，粗集料的粒径与级配良好，使混凝土较为密实，从而使水泥浆量减小，也是改善混凝土渗透性能的重要决定性因素。同时，用这种混凝土材料铺筑的路面也将有很好的耐磨耗性能（如北欧的国家已使用这种混凝土，作为通行带钉轮胎车辆行驶的路面材料）。

综上所述：水泥混凝土路面的耐久性问题在当前国内迅速发展公路交通，特别是水泥混凝土路面建设的今天，很有必要大力宣传和呼吁；改善粗集料的加工质量，注意适当减小粗集料的最大粒径，保证良好的粒形和级配，并且开展对高性能混凝土的研究与应用，以全面提高水泥混凝土路面耐久性，有效地延长其使用寿命，使我国的基础设施建设能够持续地得到发展，为经济建设提供必要的前提。

参考文献

1. Can we double concrete life ?    《BETTER ROADS》1988,9；

2. Mechanical Properties,Abrasion Resistance and chloride Permeability of Concrete Incorporrating Slag.  Cement,Concrete and Aggregate.  Winter,1990；