道路水泥混凝土组成设计研究.doc

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项目研究简本

道路水泥混凝土组成设计研究

报告简本

1概述

水泥混凝土路面是我国重要的路面结构形式，由于与沥青路面相比其成本优势明显，因此近年来的发展十分迅速。

截至2007年，我国已累积铺筑了各等级的水泥路面85万Km，占全部有铺装路面的比率达到了68%，成为世界上拥有水泥路面里程最多的国家。

而在未来数年内全面开展的全国各省份次骨架和县乡公路的建设高潮中，水泥路面由于成本低、施工易、供材广和促进经济等特点，已成为地方公路的推荐路面结构形式，预计会得到更加迅猛的发展。

虽然水泥路面在我国发展较快，但该种路面的早期结构性和非结构性破坏问题相当严重。

而究其原因，除了路面结构设计问题以外，现有的道路混凝土组成设计方法本身即存在诸多缺憾，所采用的评价指标、设计参数及据此配制的道路混凝土难以满足真实工作环境下的路用需要，是水泥路面出现早期破坏的重要原因之一。

开发一种针对不同使用条件、多指标和多参数控制、基于路用性能角度出发的道路混凝土组成设计方法迫在眉睫，相关成果对完善现行水泥路面的设计、施工和养护等技术规范均具有重要意义。

针对上述问题，交通部于2005年6月立项《道路混凝土组成设计研究》，由长安大学、广西交通科学研究所共同承担，西安市交通局、吉林省交通科学研究所、新疆高等级公路管理局、交通部第一公路勘察设计院、惠州天虹道路桥梁工程监理有限公司等全国多家单位参与。

本项目于2005年6月通过了可行性研究报告评审后，相继完成了合同签订和研究工作大纲的编写及审查工作，并通过课题组全体人员三年的艰苦努力，按照合同要求，进行了国内外调研、理论分析、室内外试验研究、实体工程铺筑和报告编写等工作，并于2008年9月将全部鉴定资料上交西部交通建设科技项目管理中心申请鉴定。

项目研究成果包括“道路水泥混凝土路用性能评价指标研究”、“原材料技术性质对道路水泥混凝土路用性能的影响研究”、“道路水泥混凝土路用性能设计与结构研究”、“道路水泥混凝土组成设计方法研究”在内的4个专题、12本分报告（另外包括2本附件），编写了道路混凝土配合比设计方法、应用指南及相关软件。

项目成果兼备创新性和实用性的特点，为提高我国道路混凝土的应用技术水平提供了有力的支持和保障，具有显著的经济和社会效益。

2项目研究内容及目标

2.1研究目标

本项目总的研究目标是通过认识水泥路面的真实工作环境及其对道路混凝土结构与性能的影响，研究原材料技术性质、材料组成参数与道路混凝土宏观路用性能和微观结构的关系，建构基于路用性能的道路混凝土组成设计方法和应用指南，并通过室内设计保证道路混凝土的使用性能和延长其使用寿命，从而补充和完善现行水泥混凝土路面施工技术规范的相应条款，为设计、施工和养护单位提供使用依据。

2.2研究内容

针对上述研究目标，课题组按照专题和分报告形式，制定了以下研究内容：

1．专题一—道路水泥混凝土路用性能评价指标研究

（1）分报告1—道路水泥混凝土强度评价指标研究

研究道路混凝土的合理强度指标及标准，以及强度指标的评价方法。

（2）分报告2—道路水泥混凝土耐久性评价指标研究

分析道路混凝土的工作环境和各种破环机理，提出道路混凝土的耐久性评价指标和评价方法。

2．专题二：

原材料技术性质对道路水泥混凝土路用性能的影响研究

（1）分报告3—水泥的技术性质对道路水泥混凝土路用性能的影响研究

针对水泥关键技术性质对道路混凝土路用性能的影响，推荐适用于不同使用条件下道路混凝土用水泥的技术指标及标准范围。

（2）分报告4—集料对道路水泥混凝土路用性能的影响研究

通过分析粗细集料的各种技术性质与道路混凝土路用性能的关系，以提出适用于不同使用条件下道路水泥混凝土用集料技术指标体系。

（3）分报告5—道路水泥混凝土集料级配研究

根据道路水泥混凝土对集料级配的使用要求，研究提出道路混凝土用粗细集料级配范围和适用条件。

（4）分报告6—机制砂道路水泥混凝土研究

针对机制砂独特的技术品质及其对道路混凝土路用性能的影响，展开机制砂道路混凝土的相关研究。

3．专题三：

道路水泥混凝土路用性能设计与结构研究

（1）分报告7—道路水泥混凝土力学性能及强度指标体系研究

分析道路混凝土强度设计的影响因素，建立以抗弯拉强度和模制劈裂抗拉强度为主的强度评价指标体系。

（2）分报告8—道路水泥混凝土耐久性设计研究

研究不同使用条件对道路混凝土材料组成参数耐久性要求的共性和差异，完善已有的耐久性设计方法。

（3）分报告9—道路水泥混凝土早期收缩及开裂性能研究

分析道路混凝土收缩抗裂性能的影响因素，推荐了基于抗裂性的道路混凝土材料组成参数的合理取值范围和施工技术。

（4）分报告10—道路水泥混凝土施工流变性能研究

系统研究材料组成参数及环境因素对道路混凝土施工性能的影响，建立施工性能设计体系。

（5）分报告11—道路水泥混凝土微观结构与性能研究

采用自行开发的微观结构图像识别与分析技术，研究道路混凝土的细观、微观结构与强度、耐久性的相关关系，分析微观结构对宏观路用性能的影响。

4．专题四：

道路水泥混凝土组成设计方法研究

（1）分报告12—道路水泥混凝土组成设计方法研究

结合道路混凝土的结构特点和工作状态，综合西部项目研究成果，建立道路混凝土组成设计方法体系。

（2）道路水泥混凝土配合比设计方法及应用指南

以应用指南形式介绍道路混凝土的配合比设计方法及相关使用建议。

（3）道路水泥混凝土配合比设计程序（知识产权）

编制了道路混凝土配合比设计程序，设计了界面友好，操作灵活方便的使用窗口，使得道路混凝土配合比设计便捷快速。

2.3项目研究技术路线

由上述研究内容，拟定研究技术路线如图2.3.1所示。

图2.3.1研究总技术路线

3项目主要研究成果

本项目在任务书、工作大纲和可行性研究报告的基础上，随着项目研究的实施和深入，根据需要对任务书规定的内容进行了增补，共开展了4个专题，共12本分报告的研究工作，现归纳总结主要成果如下：

3.1道路水泥混凝土路用性能评价指标研究专题

论证和分析了道路混凝土各类路用性能指标的测评方法，为道路混凝土的设计、检测工作提供了理论依据。

1．建立了具有广泛适用性的道路混凝土分形疲劳方程，补充了动水压力、多轴强度和尺寸效应等修正系数，提出了道路混凝土强度的合理评价指标；

2．建立了道路混凝土弯拉强度细观分析模型，提出了多层次弯拉强度设计公式，建议了道路混凝土的设计强度配制要求；

3．分析了道路混凝土各种强度评价指标的影响因素，从理论上分析了不同强度指标之间的关系，提出了道路混凝土的检验强度指标；

4．讨论了自然环境、使用环境及其它影响因素对道路混凝土耐久性的影响，进行了耐久性环境分类，并提出了抗侵入性、抗冻性与耐磨性等耐久性指标的合理评价和测试方法。

3.2原材料技术性质对道路混凝土路用性能的影响研究专题

通过分析原材料技术性质对道路混凝土路用性能的影响规律，建议了不同使用条件下道路混凝土原材料技术性质的合理范围。

1．借助激光粒度测试技术等先进方法，分析了水泥的颗粒组成等主要技术性质对道路混凝土路用性能的影响，推荐了适应于不同气候分区的优势水泥粒径分布，并对其他技术性质及相应指标也提出了合理建议；

2．针对不同的道路交通等级和气候特点，推荐了基于粗集料岩性、压碎值、最大粒径和针状、片状颗粒含量等技术指标的合理取用范围；

3．针对天然砂的特点，重点对其含泥量及细度模数进行了研究和分析，并提出了在不同使用条件下的限制值。

4．推荐了基于骨架密实结构的道路混凝土粗、细集料级配，并根据不同地区气候条件及使用要求，提出了相应的合理集料级配范围。

5．为了控制道路混凝土现场施工中的集料级配，研究推荐了不同使用条件下的道路混凝土粗、细集料级配的关键筛孔及相应的通过量。

6．根据机制砂的粒形特点，推荐了机制砂级配的合理控制范围，并对机制砂混凝土砂率的选择提出了合理建议。

7．针对机制砂的应用特点，明确了机制砂石粉含量、粒形等重要技术指标与道路混凝土路用性能的关系，建议了相应的控制范围，并提出了基于骨架密实结构的机制砂道路混凝土配合比设计方法。

8．为弥补机制砂混凝土在应用中存在的流动性和耐磨性缺陷，系统性的提出了采用单掺、双掺天然细砂和粉煤灰改性纯机制砂混凝土的具体应用办法。

3.3道路水泥混凝土路用性能设计与结构研究

系统而深入地研究了材料组成参数等因素与道路混凝土的宏观路用性能、微观结构之间的关系，从而补充和完善了现有的路用性能评价与设计体系。

1．分析了道路混凝土的受力模式与强度评价指标，研究了不同因素对强度影响的内在规律，并在此基础上回归了各主要强度指标之间的相关关系式。

2．提出了模制劈裂抗拉强度指标，并通过回归抗弯拉强度—水灰比公式和模制劈裂抗拉强度—水灰比公式，建立了基于抗弯拉强度和劈裂抗拉强度的道路混凝土强度指标体系，从而补充完善了现行的强度评价指标体系。

3．研究了材料组成参数等因素对道路混凝土抗渗性、抗盐冻性和抗滑性的影响，提出了基于不同设计分区的混凝土材料组成参数的合理取值范围。

4．分析了道路混凝土的耐久性损伤和性能衰减模式，建立了各类耐久性设计模型，探究了材料设计优化对耐久性的改善机理。

研究了与耐磨性等耐久性关联性较好、更为简单易测的路用性能指标，并推荐了相关技术标准；

5．结合耐久性设计分区思想和体积设计法理念，对现有的道路混凝土耐久性设计方法进行了完善和补充。

6．分析了不同因素作用下道路混凝土的早期收缩变化规律，研究并推荐了各类材料组分参数的合理范围，为道路混凝土的抗裂性设计提供了依据。

7．综合大量室内试验数据，建立了道路混凝土的早期收缩预测模型，从而为预测道路混凝土的早期收缩和评判其抗开裂能力提供了依据。

8．自行开发了模拟水泥路面现场施工的试验方法，研究了材料组分及环境因素对道路混凝土流变性能的影响，分析了流变性指标和施工性能的联系，并初步研究了道路混凝土的施工变异性，从而对混凝土的施工流变性进行了探究。

9．开发了基于数字图像处理技术的SEM--IPP微观结构测试技术，如图3.3.1，分析了道路混凝土的细观气孔结构、微观孔结构及过渡层微观形貌与宏观路用性能之间的关系，为基于微观层面的材料宏观性能设计提供了依据。

图3.3.1SEM--IPP微观结构测试技术

3.4道路水泥混凝土组成设计研究

总结和提炼了西部项目“道路混凝土组成设计方法研究”的全部室内外成果，建立了基于路用性能的道路混凝土组成设计方法体系。

1．借鉴系统方法论等新理念，形成了基于骨架密实结构、以砂浆体积分量为核心的分层次体积设计方法，并提出了针对道路混凝土不同工作阶段的分阶段性能设计思路，从而建立了道路混凝土组成设计方法的基本框架，如图3.4.1。

图3.4.1道路混凝土组成设计流程

2．提出了对应于不同使用条件的道路混凝土路用性能控制指标及相关要求，推荐了各类材料组成参数的合理取值范围，从而建立了设计分区体系。

3．在总结西部项目全部室内研究成果的基础上，形成了基于路用性能的道路混凝土配合比设计方法和应用指南，为组成设计提供技术依据。

4．采用VC++语言，开发了道路混凝土配合比设计应用程序，如图3.4.2，为组成设计工作的便捷性和准确性提供了技术基础。

图3.4.2配合比设计软件操作界面

3.5工程应用技术成果

1．铺筑了四段可充分反映全国不同交通气候条件的试验路工程，有针对性地验证了西部项目推荐的集料级配、配合比设计方法等研究成果，试验路各项性能检测结果良好，证明了室内研究成果在工程应用上的有效性。

图3.5.1广西试验路工程的施工

2．通过授课、会议、技术咨询等多种形式，将本西部项目形成的道路混凝土组成设计方法与相关理念在全国多家建设和设计单位传授、试用和推广，取得了很好的应用效果，从而促进了我国水泥路面技术的发展与提高。

总之，本项目通过3