影响混凝土路面的耐久性因素综述

（1.中国地质大学（武汉）工程学院  湖北武汉 430074）

摘   要：文章通过对耐久性的各种指标进行分析，阐述了引起各种耐久性指标的的若干问题，并讨论了影响耐久性的各种因素，并加以汇总，提出了如何改善路面混凝土耐久性的理论方案，并对照实际，得到了提高其耐久性的实际有效措施。

关  键  词：路面混凝土   耐久性   改善  方案  综述

中图分类号：TU755.1     文献标识码：A

Comprehensive discussion about the factors affecting the durability of concrete pavement

Litao1  Dengshuang1  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 and 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 discussion

2008年底，全国公路总里程已达373万公里。其中，高速公路里程60302公里，一级公路54216公里，二级公路285226公里。我国缺少优质沥青,而水泥非常丰富,因此应大力发展水泥混凝土路面。但由于水泥混凝土属于刚性材料,易损坏,再加上从设计到施工的不确定性因素影响,难以达到路面的耐久性要求。因此耐久性问题作为水泥混凝土路面的关键性问题，关系着千千万万条水泥混凝土路面的使用寿命，同时耐久性也是我国大规模公路建设期间工程质量的核心问题，是阻碍中国水泥混凝土道路发展的关键因素，因此我们有必要对影响混凝土耐久性的因素进行综合系统的分析，得出改善混凝土路面耐久性的有效措施。

1.耐久性指标

耐久性指标是一综合性指标，包括抗渗性，抗冻性，抗腐蚀，抗碳化性，抗磨性，抗裂性，抗碱骨料反应及混凝土中钢筋的耐腐蚀性。其中作用在水泥混凝土路面的指标，以抗冻性，

，抗磨性，抗碳化性，抗腐蚀，抗裂性起着作用，因此分别从以上指标进行混凝土路面耐久性分析。

1.1抗裂性

易开裂是现在普通混凝土路面存在的主要问题，引起混凝土开裂的原因大体上有两个方面；混凝土的收缩裂缝，混凝土受荷破坏产生的裂缝。

1.1.1收缩裂缝

混凝土有多种收缩,在不同时期往往相伴发生或单独发生[1]。混凝土收缩的主要类型有:

(1)塑性收缩。塑性收缩变形是混凝土变形中最常见的一种,它引起的开裂是工程建设阶段最常见的混凝土裂缝,一般发生在混凝土浇注后2~10小时。一是混凝土此时出现泌水和水分急剧蒸发,引起失水收缩;二是由于泌水和混凝土内不同颗粒的不均匀沉降引起的沉缩。因为些都发生在混凝土塑性阶段,故称塑性收缩。

(2)干燥收缩。已硬化的混凝土置于干燥的环境中由于水分散失而引起干燥收缩。影响干燥收缩的因素很多,如环境、水泥用量、水泥细度、骨料、水灰比、混凝土密实状况、养护方法和时间等。干缩变形对混凝土路面的危害很大，必须设法控制。

(3)温度收缩。产生温度收缩的原因是混凝土硬化过程中水泥水化热、气温、生产热和太阳辐射作用使混凝土在高温下硬化,硬化后降温产生温差收缩所致。

(4)化学收缩。道路混凝土路面硬化过程中会发生化学反应，引起化学收缩，化学收缩很小，基本对路面没有破坏作用。

(5)碳化收缩。碳化会增加混凝土的收缩，引起混凝土表面产生拉应力而出现微细裂缝，从而降低其抗折强度。

1.1.2混凝土受荷破坏产生的裂缝

在路面混凝土中，混凝土的破坏主要是荷载超过其抗折强度或疲劳产生的破坏，而疲劳破坏次数也与抗折强度有关，因此抗折强度的大小是路面混凝土破坏的决定性因素，研究水凝混凝土的抗折强度具有重要意义。

众所周知，水泥混凝土的强度主要取决于水泥石的强度和它与集料颗粒表面的结合力，混凝土的抗折强度尤其如此。而水泥石的强度与结合力又取决于水泥的强度、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，研究混凝土抗折强度时，必须考虑这些因素。

影响抗折强度因数的讨论：

1.1.2.1组成混凝土混合料的水泥强度、灰水比、用水量和砂率，对棍凝土的抗折强度均有不同程度的影响。经方差分析，各因子对混凝土抗折强度影响的显著性次序为①水泥强度，②灰水比;③砂率;④用水量[2]。

1.1.2.2不同粗集料对混凝土抗折强度的影响在于骨料的形状，大小，种类，颗粒级配。粗骨料级配的好坏不仅直接影响混凝土的密度,而且影响混凝土的收缩率,尤其是摊铺早期。)粗集料级配对道路混凝土抗折强度影响很大,合理级配可大大提高抗折强度。影响次序为:合理的混合级配碎石混凝土、连续粒级混凝土、单粒级混凝土。配制道路混凝土时,应杜绝某一单粒级碎石。

1.1.2.3掺合料对抗折强度的影响也比较大，如加入适量的减水剂能明显提高混凝土抗压抗折强度。

下表是各种不同的配合比实验组。

表1 混凝土配合比设计

1.2 抗冻性

在中国北方寒冷地区，混凝土的冰冻破坏是水泥混凝土路面破坏的一重要因数，破坏是由于混凝土内部孔隙中的水在负温度下结冰后体积膨胀形成的静水压力，当这种压力产生的内应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会产生裂缝，最终导致破坏。影响抗冻性的因数有混凝土的密实度，孔隙构造。因此增加防冻剂，引气剂，减水剂，减小水灰比来增加其抗冻性。其中加引气剂是解决冰冻问题的最有效方法。

表2混凝土强度试验结果

1.2.2减小水灰比等可以增加路面混凝土的密实度，因此可加大抗冻性。抗冻性规定的水灰比要求表4

表3 路面混凝土适宜含气量推荐值%

对路面混凝土最主要的腐蚀是来自酸雨侵蚀，酸雨对混凝土路面的侵蚀作用主要表现为雨水中的硫酸根离子与与水泥中的氢氧化钙反应,生成水化硫铝酸钙,使混凝土内部引起膨胀,产生破坏。在混凝土表面则表现为酥粉化、脱落,乃至裸露骨料。

表4 耐久性要求的最大水灰(胶)比和最小水泥用量

Ca(OH)2+SO2-4+2H2O CaSO4·2H2O+2OH-

反应所消耗的Ca(OH)2由Ca(OH)2结晶的溶解补给。在上述反应进行过程中,一方面,溶液中的Ca(OH)2逐渐转变成石膏,液相Ca(OH)2浓度也不断下降,固相体积增大1.2倍,将导致水泥石的膨胀破坏和胶结物质的最终分解破坏;另一方面,液相中的CaSO4也会与水化铝酸钙发生反应,生成硫铝酸三钙(钙矾石):

4CaO·Al2O3·19H2O+3CaSO4+13H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+Ca(OH)2

上述反应生成的钙矾石在适宜的条件下能产生猛烈的体积膨胀,从而导致水泥混凝土崩裂破坏。

由上述的反应过程不难看出,硫酸盐之所以能对水泥混凝土产生腐蚀破坏作用,是因为SO2-4沿毛细孔渗入后与水泥混凝土空隙溶液中固有的大量Ca(OH)2溶液反应,使得固相体积增大所致。反应最终的破坏亦可能是因为反应消耗了大量Ca(OH)2后,水泥水化产物赖以稳定的碱性环境遭到破坏引起的。

因此,规范规定:处在除冰盐、海风、酸雨或硫酸盐等腐蚀环境影响范围内的混凝土路面,不得单独使用硅酸盐水泥,可使用矿渣水泥和普通水泥,在使用硅酸盐水泥和普通水泥时,应同时掺用粉煤灰、磨细矿渣或硅灰掺合料;处于上述腐蚀环境中的桥梁与桥面,宜掺用高活性磨细矿渣或硅灰掺合料。这就要求在硫酸根的环境中,水泥要有较高的化学稳定性。

1.4 抗磨性

耐磨性是水泥混凝土路面和桥面上的一个普遍的耐久性问题,其表现是路表面局部水灰比过大,强度偏低部位发生磨损,平整度变差,逐渐磨损成坑。给行车带来不适，在耐磨性中，水泥中或骨料中所掺入的粘土，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，同时，可使用抗磨性较好的岩石制造人工砂来增加其抗磨强度。

1.5 抗碳化性

路面混凝土的碳化是指混凝土内水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳发生化学反应，生成碳酸钙和水，也称中性化。碳化可使路面混凝土碱度降低，减弱了钢筋的保护作用，同时如前文提过碳化会增加混凝土的收缩，引起混凝土表面产生拉应力而出现微细裂缝，从而降低混凝土的抗折强度。影响碳化的因素主要有二氧化碳浓度，环境温度，水泥品种，水灰比等。二氧化碳浓度越高碳化速度越快，水灰比越小，混凝土越密实，碳化越难[4].

2.改善方案

根据影响耐久性的种种因素，并考虑到在我国不同地区各种耐久性指标的影响程度，提出各情况下改善路面混凝土耐久性的方案。下图是影响水泥耐久性的各因数：

现从各因素一一列举改善的方案。

2.1原材料方面

2.1.1使用高质量的道路水泥或接近道路水泥的优质通用水泥，使混凝土具有高抗折强度，良好的耐磨性和抗干缩性等路用性。通过用不同的水泥作过对比试验，结果可以看出道路水泥与普通水泥在熟料矿物成分，抗折强度，耐磨性能与干缩之间的实际差距。

2.1.2使用合格的集料，首先要选择含泥量，含粉量和级配都合乎规范的砂和石料，其次要选择不含二氧化硫的集料。

2.1.3严格控制混凝土中的碱含量，控制标准稠度需水量，有利于混凝土的抗干缩和耐磨性能提高，并避免或减轻碱集料反应引起的破坏。

2.2配合比

2.2.1减小水泥用量和掺加优质粉煤灰，降低混凝土的水化温度，收缩及变形等，在保证混凝土的强度等物理性能达到设计要求的前提下，尽量减少水泥用量，以提高路面混凝土的耐久性。

2.2.2降低水灰比，可减小混凝土孔隙率，增加密实度，可减小混凝土收缩，提高耐磨性能的有效途径。

2.2.3在满足抗折疲劳情况下,水泥用量与胶凝材料浆体体积

尽可能低。

2.2.4使用外加剂，改善混凝土的和易性和流动性，提高密实度，推迟水化热高峰的出现，以提高混凝土抗裂性，抗渗性和抗折强度。选用减水效果及流动性保持能力好的高效减水剂。

2.2.5根据耐久性要求,选用粉煤灰等矿物掺合料来降低成本。

2.2.6采用尽可能低的水胶比与工作性最优的砂率。

2.3环境方面

环境与道路的规划有关系，在规划好的道路中，环境因素是一定的，改善环境不是有效的方案。

2.4施工方面

2.4.1在施工时要严格控制施工质量，严格按照规范要求进行施工。施工控制从以下几个方面保证：

①混凝土混合料

原材料符合规范要求,上面已有论述。

②温度控制

由于混凝土是多相不平衡不均匀体系,其热膨胀系数不是定值,随含水量和集料的不同而不同[5]。温度升高时,毛细管水的表面张力减小,空壁所受的收缩力减小而使水泥石膨胀,混凝土体积增大;随着温度下降,混凝土体积减小,但到0℃以下水泥石较大孔中水的结冰反而膨胀,这就是冻胀。因此,必须重视混凝土的温度变形。

③湿度控制

混凝土与周围环境的湿含量未处于平衡状态时,水分要迁移,混凝土吸水时体积增加称湿胀;失水时体积减小称干缩。影响湿度的主要因素有:集料种类、含水量和它的弹性模量、环境、用水量、外加剂和混合料的种类、混凝土尺寸和形状等。由于在不饱和空气中的混凝土路面表面水蒸发,内部形成湿度梯度,从而产生湿差收缩。因此,混凝土路面的干缩变形应予足够的重视。

2.4.2施工可按照一下流程施工

水泥混凝土路面施工工艺流程图

参考文献

[1]  刘数华，张忠伟. 道路混凝土路面裂缝问题综述[J].路基工程，2008，（2）：20-21 

[2]  张潮生等.粗集料对道路混凝土抗折强度的影响.山东建材, 2004,（1）：44-45

[3]  傅 智,罗 翥. 公路工程混凝土结构耐久性新规定[J].公路，2003，（2）：98-102

[4]  程瑶.土木工程材料[M]中国地质大学出版社（武汉），2004.10

[5]  席耀忠,水泥混凝土的体积变形及其测量[J].混凝土,2000.11.