集料级配及种类对水泥混凝土路面强度及抗滑性能的影响

张 陈，陈 搏，刘新海

(1.广东粤路勘察设计有限公司，广州 510630；2．华南理工大学土木与交通学院，广州 510640； 3.广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

我国公路总里程于2021年底已突破520万km[1]。水泥混凝土路面因其具有强度高、稳定性及耐久性好、养护费用少、经济效益高等优点，被大量应用于高速公路的匝道、隧道以及低等级道路中[2]。然而实际使用过程中常因水泥混凝土路面抗滑性能不足，还未达到设计使用年限就需要对其进行精铣刨或加铺沥青罩面层，以保障行车的安全[3-4]。目前水泥混凝土路面一般以刻槽作为保证抗滑性能的主要措施，路面抗滑性能衰减的根本原因是刻槽构造的破坏[5]。而水泥水化物与集料间粘结力不足是导致刻槽构造产生损坏、进而引发路面抗滑性能衰减的重要原因之一，因此有必要从配合比设计方面考虑改善水泥混凝土的抗滑耐久性[6-9]。

水泥混凝土配合比设计的合理性是影响水泥水化物与集料间粘结力的重要因素。目前常用的水泥混凝土配合比设计方法未对粗集料间的比例构成作详细要求，通常按规范推荐及根据最大理论密度曲线确定粗集料间的比例[6，8，10]。施加外加荷载后，混凝土水泥水化物与集料间的粘结力较为不足，两者之间的粘结界面易产生损坏，从而导致水泥混凝土路面抗滑耐久性不佳。本文以提高水泥混凝土的强度与改善其抗磨耗性能为目的，使用分级掺配法以及采用机制砂替代天然砂进行不同比例的掺配，对混凝土的级配进行优化设计，通过改变粗集料级配、机制砂类型及掺量，以期获得强度高及抗磨性能较好的水泥混凝土，改善水泥混凝土路面的抗滑耐久性。

1 试验材料及性能

1.1 水泥

水泥类型：普通硅酸盐水泥(P.O 42.5),初凝时间235min，终凝时间287min,7d抗折强度4.95MPa,7d抗压强度38.1MPa。

1.2 粗集料

集料种类：石灰岩，粒径规格分别为10～30mm、10～20mm、5～10mm；压碎值为17.7%,磨耗值为21.1%,表观相对密度为2.784。筛分结果见表1。

表1 集料筛分结果

1.3 细集料

细集料的细度模数见表2，其余指标满足设计规范技术要求。

表2 细集料细度模数

1.4 外加剂

减水剂类型：CNF-3高效引气缓凝型。

1.5 基准配合比

通过计算法得出混凝土初始配合比(表3)。

表3 混凝土配合比

经检测试验，该配合比水泥混凝土的28d抗压强度为44.1MPa，抗弯拉强度为5.39MPa，坍落度为30～50mm。以高等级公路隧道铺装水泥路面常用的C40砼标准来衡量，此配合比下试样抗压强度小于55MPa，达不到C40砼的技术要求。为提高水泥混凝土的强度与抗磨耗性能，采用分级掺配法调整粗集料比例对级配进行优化，并选择3种机制砂替代天然砂进行不同比例的掺配，研究粗集料比例、机制砂种类及其替换比例的变化对水泥混凝土强度及磨损量的影响规律。

2 粗集料分级掺配试验与分析

本文采用分级掺配法，通过将小粒径到大粒径集料依次掺配，以获得密实程度最高的混合料[11-12]，并计算出各粒径集料的优化掺配比例。本试验通过调整10～30mm、10～20mm和5～10mm的组成比例，最终得出密实度最大的组合方案。第一步，先对10～30mm、10～20mm两档大粒径的粗集料进行掺配，得出此时最优掺配比为m:n，如图1 (a) 所示。第二步，将上一步掺配的混合石料与5～10mm石料以比例(m+n):k进行掺配，如图1 (b) 所示。

图1 分级掺配

将试验待测的集料分批装入容量为10L的容器桶中，每添加三分之一时使用振动台振动3min，以达到密实集料的作用。

(1)将10～30mm和10～20mm两档集料按质量比=2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2混合均匀，依次倒入振实筒中进行密实填充，计算紧装密度。试验结果(图2)表明： 10～30:10～20的比例为6:4时10～30mm和10～20mm两档大粒径粗集料紧装密度最大。

图2 a:b掺配比例的紧装密度

(2)将10～30mm和10～20mm两档粗集料按6:4的比例混合均匀，然后按(10～30)+(10～20):(5～10)=6:1、5:1、4:1、3:1、2:1，进行调配并混合均匀，依次倒入振实筒中进行粗集料振动填充试验，将表面整平，最后计算其紧装密度。试验结果(图3)表明：(10～30)+(10～20):(5～10)的比例为4:1时，粗集料密实度最大。

图3 (a+b):c掺配比例的紧装密度

综合以上试验结果，按总的粗集料用量为10来计算，最终换算得：10～30:10～20:5～10=4.8:3.2:2。为方便计量，最终确定粗集料的比例为：10～30:10～20:5～10=5:3:2。

根据水泥混凝土的初始配合比设计，对其粗集料级配比例进行优化调整，其他材料掺量不变，试验级配见表4。按照JTG E30-2005的T0551-2005成型试样，每组成型6块试件，将3块试件养生7d，其余试件养生28d。混凝土强度试验结果如图4所示。

表4 试验级配

由图4可知，优化级配后，抗折和抗压强度均有所提高，其中7d与28d抗折强度增长15%与12%、7d与28d抗压强度增长2.2%与3.3%。

图4 粗集料优化前后混凝土强度对比

试验表明：在相同的条件下，优化粗集料内部占比使混凝土形成密实结构，可有效提升试块的力学指标，其中抗折强度的改善效果更为显著。

3 不同细集料掺配试验与分析

施工过程中，振捣及提浆作用使得砂浆上浮于路表，因此砂浆强度直接影响表层的抗磨损性能。在一定程度上，路表微观纹理的耐磨性能受细集料的耐磨性能的影响，路表耐磨性能随细集料类型的不同而存在差异[5-7]。基于此，本文分析不同掺量石灰岩(SHY)、玄武岩(XWY)及花岗岩(HGY)的机制砂对强度和磨损量的影响差异，以配置出最佳的细集料掺配比。

3.1 强度

本文利用上述试验得出粗集料的最优配合比，保证水灰比、细集料、粗集料的比例不变，对细集料成分采用机制砂分别以25%、50%、75%、100%的掺配比置换天然砂进行试验，试验级配见表5。通过对不同级配与不同龄期(7d与28d)的试件进行抗压与抗折强度试验，分析不同种类、不同掺量的机制砂对混凝土强度的影响。试验结果如图5和图6所示。

表5 试验级配

图5 机制砂岩性/替换比例-抗折强度关系

图6 机制砂岩性/替换比例-抗压强度关系

由图5可知，石灰岩、玄武岩及花岗岩的抗折强度在替换比例为50%时达到极值，说明本次选用的三种机制砂最优的替换比例为50%，此条件下混凝土可获得较大的抗折强度。此外，在各替换比例下，玄武岩7d和28d的抗折强度均大于其他对照组，其中玄武岩7d峰值抗折强度分别较石灰岩与花岗岩高出3.13%与4.76%，28d抗折强度分别较石灰岩与花岗岩高出4.23%与4.23%。

由图6可知，随着替换比例的提高，石灰岩与花岗岩的7d与28d抗压强度存在一个极大值与极小值点，而玄武岩 7d与28d抗压强度仅存在一个极小值点。石灰岩、玄武岩及花岗岩的抗压强度均在替换比例为50%时达到极值。在两种养生条件下，玄武岩的峰值抗压强度均大于其他对照组，7d抗压强度分别较石灰岩与花岗岩高出2.24%与8.19%，28d抗压强度分别较石灰岩与花岗岩高出2.61%与5.90%。

试验表明：在相同的级配条件下，采用玄武岩机制砂替代河砂相比石灰岩、花岗岩机制砂更有利于混凝土强度的提高，且替代比例为50%时效果最佳。

3.2 磨损量

混凝土耐磨损能力是路面抗滑水平的重要因素，其取决于混凝土强度、集料特性和级配等。提高强度对抗磨性能有一定的积极效应，为此，本文通过对不同级配与不同龄期(7d与28d)的试件进行磨损量试验，分析不同岩性机制砂混凝土的力学特性与磨损量的关系。

本试验根据表5制备12组150mm×150mm×150mm的标准试块，每组包含3个试块，并依据JTGE30-2005中的T0567-2005对试块进行耐磨损试验。标准化磨损量计算如式(1)所示。

(1)

式中:G0为单位面积的磨损量(kg/m2)；m1为初始质量(kg)；m2为磨损后的质量(kg)；0.0125为试件磨损面积(m2)。

剔除偏差较大的结果后，计算同一试验组未被剔除的试块磨损量的均值，见表6。同时为将28d抗折与抗压强度与磨损量建立联系，建立强度-磨损量相关关系数学模型，如图7和图8所示。

表6 磨损量试验结果

图7 28d抗压强度与磨损量关系

图8 28d抗折强度与磨损量关系

由图 7可知，抗压强度与磨损量之间存在良好的线形关系。石灰岩、玄武岩及花岗岩的抗压强度与磨损量指标的相关指数R2分别为0.914 0、0.954 5、0.940 5，随着磨损量的增大，抗压强度均呈线形递减趋势。

由图8可知，抗折强度均随磨损量的增大呈线形下降的趋势。石灰岩、玄武岩及花岗岩的抗折强度与磨损量指标的相关指数R2分别为0.942 9、0.905 8、0.917 4，相关性均良好。

综合上述图表数据来看，本文采用的玄武岩强度与抗磨损性能较好，其中，养护7d后其磨损量分别较石灰岩及花岗岩低5.09%与5.10%；养护28d后，其磨损量分别较石灰岩及花岗岩低12.13%与0.75%，相对而言，玄武岩综合指标较好。

试验结果表明：采用玄武岩机制砂替代河砂相比石灰岩、花岗岩机制砂更有利于提高水泥混凝土的抗磨耗性能，且混凝土的抗磨耗性能与抗折强度、抗压强度密切相关。

3.3 集料级配与种类对抗滑性能的影响

水泥混凝土路面在服役过程中，路表不断受到车胎的碰击与磨损作用。在双重作用下，抗滑衰减初期路表砂浆层被磨耗，使粗料逐渐显露出来，这一阶段车轮磨耗使得路面抗滑能力迅速下降；到抗滑衰减中末期，表层砂浆被耗损殆尽，大部分粗集料裸露出来，在同等冲击磨损的条件下，混凝土抗滑纹理衰减速度趋于平稳，这一阶段磨损主体由砂浆层转变为显露的粗集料。因此，混凝土耐磨损能力是路面抗滑水平的重要因素，其取决于混凝土强度、集料特性和级配等[7-9]。

本文试验结果表明，水泥混凝土的强度与抗磨耗性能具有正相关性，而按规范推荐及根据最大理论密度曲线确定的水泥混凝土级配并不是最佳的混凝土配合比。实际水泥混凝土路面施工中可采用分级掺配法对粗集料掺量比例进行优化，有助于改善集料的紧装密度，增强水泥混凝土的强度。此外，选用玄武岩机制砂以50%的掺量替代河砂，有利于提高水泥混凝土的抗压与抗折强度，减小试件磨损量，延缓抗滑纹理衰减，提高水泥混凝土路面的抗滑耐久性。

4 结论

(1)采用分级掺配法对粗集料掺量比例进行优化，有助于改善集料的紧装密度，相应的抗压与抗折强度明显提升，其中抗折强度增幅达10%以上。

(2)研究不同比例、不同岩性的机制砂与天然砂混合后对混凝土性能的影响。采用天然砂与人工砂各掺配50%时，集料紧装密度最大；相比于石灰岩与花岗岩，玄武岩机制砂混凝土的抗磨耗性能最佳。

(3)强度-磨损量相关关系数学模型表明，水泥混凝土强度与磨损量之间存在良好的线形关系，相关指数达到90%以上。采用分级掺配法以粗集料最大紧装密度原则及掺配微观纹理丰富的玄武岩机制砂替代表面光滑的天然砂，有利于提高水泥混凝土的强度，改善水泥混凝土路面的抗磨耗性能。