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公路水泥混凝土路面耐磨损技术分析研究
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内容提示：本文结合笔者多年工作实践，对提高公路混凝土路面的整体耐磨性能的处理措施进行了具体论述，在此基础上依照相关技术规范，对混凝土耐磨性能进行了室内试验，对试验取得的数据和结果进行了仔细分析处理，并就采用矿渣改性混凝土公路以提高路面的耐磨性能的应用机理进行了科学的评价和总结。
延伸阅读：抗滑性 水泥混凝土路面耐磨损技术 矿渣改性混凝土
摘 要：本文结合笔者多年工作实践，对提高公路混凝土路面的整体耐磨性能的处理措施进行了具体论述，在此基础上依照相关技术规范，对混凝土耐磨性能进行了室内试验，对试验取得的数据和结果进行了仔细分析处理，并就采用矿渣改性混凝土公路以提高路面的耐磨性能的应用机理进行了科学的评价和总结。
关键词：水泥混凝土路面：耐磨损技术；抗滑性；矿渣改性混凝土
1 引言
水泥混凝土路面的抗滑性能主要取决于路表的宏观抗滑构造和微观抗滑构造。其中微观抗滑构造直接由路表砂浆表面极细微的微观构造组成，提供了汽车在低速(＜60km/h)和路面干燥条件的抗滑能力；宏观抗滑构造则是采用刻槽和拉毛等工艺形成，提供了车辆在高速和雨天行驶的抗滑能力。国内外研究表明，采用天然砂做细集料一般即可保证水泥路面微构造的有效性，因此混凝土路面抗滑性能的关键技术措施在于制作良好且耐久的宏观构造。而宏观构造的长期有效性除了采用适当的构造工艺外，提高混凝土的耐磨性能是保证其耐久性的关键因素。
路面水泥混凝土的磨损过程复杂而影响因素繁多，材料的本身性能、磨损方式及条件甚至环境因素都会影响材料的磨损性能。以下首先分析水泥路面的磨损机理，通过室内试验比选道路混凝土耐磨损性能的改善技术，并采用微观分析其改性机理。
2 提高混凝土路面的整体耐磨性能的措施分析
路面水泥混凝土的磨损形式可分为粘磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和侵蚀磨损四种类型，其中疲劳磨损和磨粒磨损是水泥路面磨损的主要方式。
磨粒磨损是水泥路面最常见的磨损形式，由路面上坚硬颗粒楔入相对较软的路面引起；疲劳磨损则是当水泥路面的受到车辆移动的推压力作用，在车轮作用点前后分别形成压、拉应力的交替循环，导致路面原生裂缝的扩展，最终引起路面的局部断裂和砂浆层的脱落而造成的。实际上水泥路面的磨损常是上述几种磨损形式的综合作用结果，如疲劳磨损的结果在路面形成许多自表面脱落的粉末和颗粒，进一步导致磨粒磨损。而磨粒磨损产生的剪切和犁削作用又使路面应力不断变化及反复变形，更加剧了疲劳磨损的作用。
当交通荷载和环境条件一定即其他外界影响因素相同时，水泥路面的磨损劣化性能取决于路面材料的耐磨损性能。当路面混凝土表面受到车轮的冲击、磨擦、切削等磨蚀破坏作用时，与混凝工耐磨相关的最大剪应力发生在表面以下的次表面层，磨蚀破坏的作用力首先破坏混凝土表面的水泥石，集料逐渐凸出程度的增加，受磨蚀的作用力不断加大，磨蚀速度随之增加。由此可见，如果混凝土水泥石含量较大，混凝土中集料与水泥石的磨蚀破坏难以趋于平衡，水泥路面的磨耗也会持续下去。
通过以上分析可见，改善路面混凝土的耐磨性能不仅需要提高砂浆或集料单组分的耐磨损性能，限制混凝土中水泥和用水量的最大用量也非常必要。而通过各种手段改善混凝土的断裂和疲劳性能以减少疲劳磨损，更是从根本上提高路面混凝土整体耐磨性能的途径。参照国内外经验，具体措施可为：
1)采用优质的水泥和粗细集料：C3S是硅酸盐水泥矿物成分中耐磨损能力最大的，选择C3S含量较高的水泥；选择较小最大粒径和较大硬度的石料。
2)在水灰比一定时，选择较小的水泥用量，采用优质减水剂在同水灰比时降低水泥用量；采用矿物掺合料代替部分水泥。
3)提高混凝土的韧性，采用各种技术提高混凝土的断裂和疲劳性能，降低混凝土疲劳磨损的速度和强度。
4)提高混凝土的强度，混凝土的抗压强度和耐磨性能成比例上升是公认的结论，但会引起混凝土早期开裂的可能性增加。
鉴于普通水泥混凝土材料组分对其耐磨性能的影响研究已较为深入，且很多地方本身缺乏优质的水泥和集料。以下仅对几种可能改善混凝土耐磨性能的技术进行室内试验，并进行比选工作。
3 改善混凝土耐磨性能的室内试验
3.1 试验方案设计
在调研与试验的基础上，选用了可能的6种混凝土耐磨改善方案进行试验，具体方案设计见表1。所有方案混凝土的坍落度均控制台3-5cm。
3.2 原材料性能与试验方法
水泥选择42.5号普通硅酸盐水泥，28d抗折强度为8.0MPa；细集料选用细度模数为0.2的中砂；粗集料选用最大粒径为31.5mm的级配石灰岩碎石。粉煤灰选用市购II级灰，比表面积为4750cm2/g；矿渣比表面积为5300cm2/g搅拌水选择自来水。
耐磨损试验参考《公路工程水泥混凝土试验规程》(JTJ053-94)中水泥混凝土的耐磨性方法进行，以磨耗后的质量损失率作为耐磨性能指标。
3.3试验结果与讨论
耐磨损试验结果可见表2与图1。
分析以上图表可以得到以下结论：
1)掺入减水剂和对水泥混凝土的耐磨性能有不同程度的改善，表现为混凝土的单位面积磨耗量均有所下降。粉煤灰则改性效果差，特别当粉煤灰掺量较高时，混凝土的耐磨损性能有大幅度下降，因此对于大掺量粉煤灰混凝土在路面中的应用应较慎重。
3)混凝土的磨耗量与抗压强度相关性较高，但此规律只是针对普通混凝土与粉煤灰混凝土线性关系较好，矿渣混凝土的相关性则略差；磨耗量与抗折强度没有显著的相关性：(图2、3)。
比选上述结果可见，双掺矿渣和减水剂对改善混凝土耐磨性能的效果显著，考虑到矿渣的应用还可以大幅度提高混凝土的抗折强度和柔性，因此推荐采用矿渣改性混凝土，建议掺量为20%～30%。
4 矿渣-混凝土改性机理分析
由分析可知，普通混凝土内部砂浆孔隙率较大，水泥水化物间以棒条形或针状的AFT相连，整体呈现为间断、孔隙较大的骨架网状体系结构。双掺矿渣和减水剂后，混凝土内部砂浆渐趋于致密，超细矿渣填充混凝土内部的孔隙和裂隙，混凝土的表面孔隙也相应随之下降，耐磨性能得以提高。
基于矿渣的技术性质，参考微观电镜试验结果，其改性方式可综合表现为以下三个方面：
减水增密：超细矿渣的粒径均远小于水泥颗粒，掺入后可以充分填充在浊内部孔隙和水泥与集料界面裂隙内：矿渣和减水剂的双重作用还在减少混凝土用水量，降低水灰比，混凝土更为密实，耐磨损性能提高。
增柔型：矿渣能起到改善混凝土脆性的效果，从而降低混凝土疲劳磨损的破坏速度与强度，从而在根本上改善混凝土的耐磨性能。
取代水泥型：降低水泥石的相对含量有利于提高混凝土的耐磨性能，室内试验也证明了这一点，如矿渣取代了部分水泥用量，对混凝土的耐磨性有促进作用。
5 结论及建议
5.1 水泥路面的磨损方式主要是疲劳磨损和磨粒磨损，改善路面水泥混凝土的耐磨性能应从以下三方面入手：提高砂浆和集料耐磨性能、限制水泥最大用量、改善混凝土的断裂和疲劳性能。
5.2 研究了双掺减水剂和粉煤灰或矿渣打对混凝土耐磨性能的改善作用，其中以复合掺加减水剂和矿渣的效果最佳，单掺减水剂次之，而粉煤灰在掺量较大的条件下会降低混凝土的耐磨损性能。
5.3 双掺减水剂和矿渣打可以通过减水和增密效果，使混凝土内部更为致密充分，因而对其耐磨性能的改善效果较佳。
5.4 考虑到标准磨损试验难以考察混凝土疲劳耐磨损性能，因此如何定量的考察磨粒磨损和疲劳磨损在混凝土磨耗中所占的比率和强度。需要进一步研究。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/13764.htm
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