影響混凝土路面的耐久性因素綜述

1、影響混凝土路面的耐久性因素綜述（1.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院 湖北武漢 430074）摘 要：文章通過對耐久性的各種指標進行分析，闡述了引起各種耐久性指標的的若干問題，并討論了影響耐久性的各種因素，并加以匯總，提出了如何改善路面混凝土耐久性的理論方案，并對照實際，得到了提高其耐久性的實際有效措施。關(guān) 鍵 詞：路面混凝土 耐久性 改善 方案 綜述中圖分類號：TU755.1 文獻標識碼：AComprehensive discussion about the factors affecting the durability of concrete pavementLitao1 Dengshuan

2、g1 zhangjun1 lipengpeng1(1.China University of Geosciences (Wuhan) engineering academy hubeiwuhan 430074)Abstracts: the article through the durability of a variety of metrics analysis, explains the various durability index due to some problems, and discusses the factors that affect the durability an

3、d totals, taken to improve the durability of concrete comparison of theory and practical, improved its durability of practical and effective measures.Key words: concrete pavement durability improved scheme Comprehensive discussion2008年底，全國公路總里程已達373萬公里。其中，高速公路里程60302公里，一級公路54216公里，二級公路285226公里。我國缺少優(yōu)

4、質(zhì)瀝青,而水泥非常豐富,因此應大力發(fā)展水泥混凝土路面。但由于水泥混凝土屬于剛性材料,易損壞,再加上從設計到施工的不確定性因素影響,難以達到路面的耐久性要求。因此耐久性問題作為水泥混凝土路面的關(guān)鍵性問題，關(guān)系著千千萬萬條水泥混凝土路面的使用壽命，同時耐久性也是我國大規(guī)模公路建設期間工程質(zhì)量的核心問題，是阻礙中國水泥混凝土道路發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此我們有必要對影響混凝土耐久性的因素進行綜合系統(tǒng)的分析，得出改善混凝土路面耐久性的有效措施。1.耐久性指標耐久性指標是一綜合性指標，包括抗?jié)B性，抗凍性，抗腐蝕，抗碳化性，抗磨性，抗裂性，抗堿骨料反應及混凝土中鋼筋的耐腐蝕性。其中作用在水泥混凝土路面的指標，以

5、抗凍性，抗磨性，抗碳化性，抗腐蝕，抗裂性起著作用，因此分別從以上指標進行混凝土路面耐久性分析。1.1抗裂性易開裂是現(xiàn)在普通混凝土路面存在的主要問題，引起混凝土開裂的原因大體上有兩個方面；混凝土的收縮裂縫，混凝土受荷破壞產(chǎn)生的裂縫。1.1.1收縮裂縫混凝土有多種收縮,在不同時期往往相伴發(fā)生或單獨發(fā)生1?；炷潦湛s的主要類型有:(1)塑性收縮。塑性收縮變形是混凝土變形中最常見的一種,它引起的開裂是工程建設階段最常見的混凝土裂縫,一般發(fā)生在混凝土澆注后210小時。一是混凝土此時出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā),引起失水收縮;二是由于泌水和混凝土內(nèi)不同顆粒的不均勻沉降引起的沉縮。因為些都發(fā)生在混凝土塑性階段,故

6、稱塑性收縮。(2)干燥收縮。已硬化的混凝土置于干燥的環(huán)境中由于水分散失而引起干燥收縮。影響干燥收縮的因素很多,如環(huán)境、水泥用量、水泥細度、骨料、水灰比、混凝土密實狀況、養(yǎng)護方法和時間等。干縮變形對混凝土路面的危害很大，必須設法控制。(3)溫度收縮。產(chǎn)生溫度收縮的原因是混凝土硬化過程中水泥水化熱、氣溫、生產(chǎn)熱和太陽輻射作用使混凝土在高溫下硬化,硬化后降溫產(chǎn)生溫差收縮所致。(4)化學收縮。道路混凝土路面硬化過程中會發(fā)生化學反應，引起化學收縮，化學收縮很小，基本對路面沒有破壞作用。(5)碳化收縮。碳化會增加混凝土的收縮，引起混凝土表面產(chǎn)生拉應力而出現(xiàn)微細裂縫，從而降低其抗折強度。1.1.2混凝土受荷

7、破壞產(chǎn)生的裂縫在路面混凝土中，混凝土的破壞主要是荷載超過其抗折強度或疲勞產(chǎn)生的破壞，而疲勞破壞次數(shù)也與抗折強度有關(guān)，因此抗折強度的大小是路面混凝土破壞的決定性因素，研究水凝混凝土的抗折強度具有重要意義。眾所周知，水泥混凝土的強度主要取決于水泥石的強度和它與集料顆粒表面的結(jié)合力，混凝土的抗折強度尤其如此。而水泥石的強度與結(jié)合力又取決于水泥的強度、水灰比、混凝土混合料的用水量、含砂率和集料的特性等等。因此，研究混凝土抗折強度時，必須考慮這些因素。影響抗折強度因數(shù)的討論：1.1.2.1組成混凝土混合料的水泥強度、灰水比、用水量和砂率，對棍凝土的抗折強度均有不同程度的影響。經(jīng)方差分析，各因子對混凝土抗

8、折強度影響的顯著性次序為水泥強度，灰水比;砂率;用水量2。1.1.2.2不同粗集料對混凝土抗折強度的影響在于骨料的形狀，大小，種類，顆粒級配。粗骨料級配的好壞不僅直接影響混凝土的密度,而且影響混凝土的收縮率,尤其是攤鋪早期。)粗集料級配對道路混凝土抗折強度影響很大,合理級配可大大提高抗折強度。影響次序為:合理的混合級配碎石混凝土、連續(xù)粒級混凝土、單粒級混凝土。配制道路混凝土時,應杜絕某一單粒級碎石。1.1.2.3摻合料對抗折強度的影響也比較大，如加入適量的減水劑能明顯提高混凝土抗壓抗折強度。下表是各種不同的配合比實驗組。表1 混凝土配合比設計編號每立方米混凝土各組分用量（kg）水泥砂粗集料引氣

9、減水劑粉煤灰水水灰比含氣量（%）HA3606101 250001600.442.0HB3246001 2502.16471480.415.5HC3065931 2502.88701390.395.2HD2885881 2504.20941330.374.9得到的抗折強度關(guān)系如下表2.1.2 抗凍性在中國北方寒冷地區(qū)，混凝土的冰凍破壞是水泥混凝土路面破壞的一重要因數(shù)，破壞是由于混凝土內(nèi)部孔隙中的水在負溫度下結(jié)冰后體積膨脹形成的靜水壓力，當這種壓力產(chǎn)生的內(nèi)應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會產(chǎn)生裂縫，最終導致破壞。影響抗凍性的因數(shù)有混凝土的密實度，孔隙構(gòu)造。因此增加防凍劑，引氣劑，減水劑，減小水灰

10、比來增加其抗凍性。其中加引氣劑是解決冰凍問題的最有效方法。表2混凝土強度試驗結(jié)果編號40d抗壓強度（MPa）40d抗折強度（MPa）40d壓折比HA39.05.397.28HB46.86.677.02HC48.07.106.76HD49.37.156.921.2.1加引氣劑時，混凝土含氣量應達到表3所要求的推薦值,并宜控制在允許的偏差范圍之內(nèi)3。1.2.2減小水灰比等可以增加路面混凝土的密實度，因此可加大抗凍性。抗凍性規(guī)定的水灰比要求表4表3 路面混凝土適宜含氣量推薦值%最大粒徑/mm有抗凍性要求的路面混凝土有抗鹽凍要求的路面混凝土16.06.0±0.57.0±0.519.

11、05.5±0.56.5±0.526.55.0±0.56.0±0.531.54.5±0.55.5±0.51.3 抗腐蝕性對路面混凝土最主要的腐蝕是來自酸雨侵蝕，酸雨對混凝土路面的侵蝕作用主要表現(xiàn)為雨水中的硫酸根離子與與水泥中的氫氧化鈣反應,生成水化硫鋁酸鈣,使混凝土內(nèi)部引起膨脹,產(chǎn)生破壞。在混凝土表面則表現(xiàn)為酥粉化、脫落,乃至裸露骨料。表4 耐久性要求的最大水灰(膠)比和最小水泥用量公路等級高速、一級公路二級公路三、四級公路最大水灰(膠)比0.440.460.48抗冰凍要求最大水灰(膠)比0.420.440.46抗鹽凍要求最大水灰(膠)

12、比0.400.420.44最小水泥用量/(kg/m3)42.5級30030029032.5級310310305抗冰(鹽)凍要求最小水泥用量/(kg/m3)42.5級32032031532.5級330330325摻粉煤灰時最小水泥用量/(kg/m3)42.5級26026025532.5級280270265抗冰(鹽)凍摻粉煤灰最小水泥用量42.5級水泥/(kg/m3)280270265當環(huán)境中的SO2-4沿毛細孔進入混凝土中后,立即與空隙溶液中的Ca(OH)2發(fā)生反應生成CaSO4。當SO2-4達到1 000 mg/L左右時,CaSO4即在飽和Ca(OH)2溶液中析出石膏,這一過程可用下式表示:C

13、a(OH)2+SO2-4+2H2O CaSO4·2H2O+2OH-反應所消耗的Ca(OH)2由Ca(OH)2結(jié)晶的溶解補給。在上述反應進行過程中,一方面,溶液中的Ca(OH)2逐漸轉(zhuǎn)變成石膏,液相Ca(OH)2濃度也不斷下降,固相體積增大1.2倍,將導致水泥石的膨脹破壞和膠結(jié)物質(zhì)的最終分解破壞;另一方面,液相中的CaSO4也會與水化鋁酸鈣發(fā)生反應,生成硫鋁酸三鈣(鈣礬石):4CaO·Al2O3·19H2O+3CaSO4+13H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+Ca(OH)2上述反應生成的鈣礬石在適宜的條件下能產(chǎn)生猛

14、烈的體積膨脹,從而導致水泥混凝土崩裂破壞。由上述的反應過程不難看出,硫酸鹽之所以能對水泥混凝土產(chǎn)生腐蝕破壞作用,是因為SO2-4沿毛細孔滲入后與水泥混凝土空隙溶液中固有的大量Ca(OH)2溶液反應,使得固相體積增大所致。反應最終的破壞亦可能是因為反應消耗了大量Ca(OH)2后,水泥水化產(chǎn)物賴以穩(wěn)定的堿性環(huán)境遭到破壞引起的。因此,規(guī)范規(guī)定:處在除冰鹽、海風、酸雨或硫酸鹽等腐蝕環(huán)境影響范圍內(nèi)的混凝土路面,不得單獨使用硅酸鹽水泥,可使用礦渣水泥和普通水泥,在使用硅酸鹽水泥和普通水泥時,應同時摻用粉煤灰、磨細礦渣或硅灰摻合料;處于上述腐蝕環(huán)境中的橋梁與橋面,宜摻用高活性磨細礦渣或硅灰摻合料。這就要求在

15、硫酸根的環(huán)境中,水泥要有較高的化學穩(wěn)定性。1.4 抗磨性耐磨性是水泥混凝土路面和橋面上的一個普遍的耐久性問題,其表現(xiàn)是路表面局部水灰比過大,強度偏低部位發(fā)生磨損,平整度變差,逐漸磨損成坑。給行車帶來不適，在耐磨性中，水泥中或骨料中所摻入的粘土，火山灰，石粉等，是使耐磨性降低的一重要原因，因此要提高耐磨性，首先要控制其含量，同時，可使用抗磨性較好的巖石制造人工砂來增加其抗磨強度。1.5 抗碳化性路面混凝土的碳化是指混凝土內(nèi)水泥石中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學反應，生成碳酸鈣和水，也稱中性化。碳化可使路面混凝土堿度降低，減弱了鋼筋的保護作用，同時如前文提過碳化會增加混凝土的收縮，引起混凝土

16、表面產(chǎn)生拉應力而出現(xiàn)微細裂縫，從而降低混凝土的抗折強度。影響碳化的因素主要有二氧化碳濃度，環(huán)境溫度，水泥品種，水灰比等。二氧化碳濃度越高碳化速度越快，水灰比越小，混凝土越密實，碳化越難4.2.改善方案根據(jù)影響耐久性的種種因素，并考慮到在我國不同地區(qū)各種耐久性指標的影響程度，提出各情況下改善路面混凝土耐久性的方案。下圖是影響水泥耐久性的各因數(shù)：現(xiàn)從各因素一一列舉改善的方案。2.1原材料方面2.1.1使用高質(zhì)量的道路水泥或接近道路水泥的優(yōu)質(zhì)通用水泥，使混凝土具有高抗折強度，良好的耐磨性和抗干縮性等路用性。通過用不同的水泥作過對比試驗，結(jié)果可以看出道路水泥與普通水泥在熟料礦物成分，抗折強度，耐磨性能

17、與干縮之間的實際差距。2.1.2使用合格的集料，首先要選擇含泥量，含粉量和級配都合乎規(guī)范的砂和石料，其次要選擇不含二氧化硫的集料。2.1.3嚴格控制混凝土中的堿含量，控制標準稠度需水量，有利于混凝土的抗干縮和耐磨性能提高，并避免或減輕堿集料反應引起的破壞。2.2配合比2.2.1減小水泥用量和摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰，降低混凝土的水化溫度，收縮及變形等，在保證混凝土的強度等物理性能達到設計要求的前提下，盡量減少水泥用量，以提高路面混凝土的耐久性。2.2.2降低水灰比，可減小混凝土孔隙率，增加密實度，可減小混凝土收縮，提高耐磨性能的有效途徑。2.2.3在滿足抗折疲勞情況下,水泥用量與膠凝材料漿體體積盡可能低

18、。2.2.4使用外加劑，改善混凝土的和易性和流動性，提高密實度，推遲水化熱高峰的出現(xiàn)，以提高混凝土抗裂性，抗?jié)B性和抗折強度。選用減水效果及流動性保持能力好的高效減水劑。2.2.5根據(jù)耐久性要求,選用粉煤灰等礦物摻合料來降低成本。2.2.6采用盡可能低的水膠比與工作性最優(yōu)的砂率。2.3環(huán)境方面環(huán)境與道路的規(guī)劃有關(guān)系，在規(guī)劃好的道路中，環(huán)境因素是一定的，改善環(huán)境不是有效的方案。2.4施工方面2.4.1在施工時要嚴格控制施工質(zhì)量，嚴格按照規(guī)范要求進行施工。施工控制從以下幾個方面保證：混凝土混合料原材料符合規(guī)范要求,上面已有論述。溫度控制由于混凝土是多相不平衡不均勻體系,其熱膨脹系數(shù)不是定值,隨含水量和集料的不同而不同5。溫度升高時,毛細管水的表面張力減小,空壁所受的收縮力減小而使水泥石膨脹,混凝土體積增大;隨著溫度下降,混凝土體積減小,但到0以下水泥石較大孔中水的結(jié)冰反而膨脹,這就是凍脹。因此,必須重視混凝土的溫度變形。濕度控制混凝土與周圍環(huán)境的濕含量未處于平衡狀態(tài)時,水分要遷移,混凝土吸水時體積增加稱濕脹;失水時體積減小稱干縮。影響濕度的主要因素有:集料種類、含水量和它的彈性模量、環(huán)境、用水量、外加劑和混合料的種類、混凝土尺寸和形狀等。由