谈公路面层混凝土的强度特性

摘要：水泥混凝土路面主要依靠面层承受行车荷载的作用，因此面层混凝土的强度是决定路面结构承载力和使用寿命或者确定面层所需厚度的关键因素。同时，混凝土强度与耐磨性、抗冻性、抗渗性等性能有着密切关系。本文在分析影响混凝土强度的有关因素的基础上，讨论各种强度指标值之间的经验转换关系，阐述混凝土的强度特性。

关键词：公路；面层；混凝土；强度；特性

水泥混凝土路面主要依靠面层承受行车荷载的作用，因此面层混凝土的强度是决定路面结构承载力和使用寿命或者确定面层所需厚度的关键因素。同时，混凝土强度与耐磨性、抗冻性、抗渗性等性能有着密切关系。

1、混凝土强度

强度是混凝土硬化后的主要力学性能。混凝土强度按混凝土力学性能试验方法可分为立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、弯拉强度、剪切强度和黏结强度等。

水泥混凝土抗压强度高，但其体积稳定性差、抗拉强度低。其弯拉强度远低于抗压强度，混凝土面层在轮载作用下，当弯拉应力超过混凝土极限弯拉强度时，混凝土板即发生断裂，且在轮载的反复作用下，混凝土面层在低于其极限弯拉强度时出现疲劳破坏。此外，由于面层顶面和底面的温差会产生温度翘曲应力，面层的平面尺寸越大，翘曲应力也越大。为使路面能承受轮载的重复作用，抵抗温度翘曲应力反复作用，并对地基变形有较强的适应能力，混凝土面层应有足够的弯拉强度和厚度。基于此，道路工程不采用土建工程中习惯采用的抗压强度来评定混凝土的强度性能，而采用弯拉强度来表征混凝土的强度，从而更好地同路面的受力状况相匹配。但是,混凝土面层施工质量的检验和现有混凝土面层强度的评定，由于弯拉强度试验仍较为复杂，通常对钻芯取样试件进行劈裂试验确定其间接弯拉强度。因此，对混凝土路面来说，不同于其他土建工程，它更多地采用弯拉强度和劈裂强度来评定混凝土的强度性能。

1.1抗压强度

一般工程结构采用抗压强度作为评价混凝土力学性能的指标。由于抗压试件尺寸较小，抗压强度试验方法简单，路面工程中通常将其作为设计施工的参考指标。此外，混凝土的抗压强度是影响混凝土耐磨性的重要因素,随着抗压强度的提高，混凝土的耐磨性增强。因此，可以将抗压强度作为间接评价混凝土耐磨性的指标。

1.2弯拉强度

混凝土路面设计中，由于面层板承受行车荷载和温度荷载的共同作用，面层底面所产生的弯拉应力和混凝土的弯拉强度确定了面层所需要的厚度。因此,采用弯拉强度试验确定的弯拉强度能更好地同路面受力状况相匹配。

现行水泥混凝土路面设计规范中，水泥混凝土的设计弯拉强度标准值为28d龄期的弯拉强度。当混凝土浇筑90d内不开放交通时，可采用904龄期的弯拉强度，约为28d强度的1.15倍。

1.3劈裂强度

在混凝土面层施工质量检验和现有混凝土面层评定时，直接进行弯拉强度试验有一定困难。通常采用钻芯方式取出圆柱形试件，试件直径随钻芯直径而定，一般为10cm！或15cm，试件高度为面层厚度。利用芯样进行劈裂试验，确定其劈裂强度，并根据劈裂强度与弯拉强度的经验关系式预估弯拉强度。

1.4抗拉强度

混凝土的抗拉强度通常采用直接拉伸试验和间接拉伸试验测得。直接拉伸试验时，棱柱体试件在两端固定，施加拉力至试件破坏，破坏荷载除以截面面积即得抗拉强度。但是，混凝土的直接拉伸试验难以做得准确，因为试件很不容易夹紧，试件与作用荷载易产生偏心，且有较大的试验误差，因此拉伸试验不是一种标准试验方法，很少使用。我国国家标准和各部的技术规程均规定采用劈裂抗拉试验间接确定混凝土的抗拉强度。

2、混凝土强度的影响因素

2.1微结构

要了解影响水泥混凝土强度的因素，首先必须了解硬化后混凝土的内部结构。从内因出发更利于问题的理解和解决。

2.1.1组成

混凝土是一种非匀质的颗粒型复合材料，从宏观上看，混凝土是由相互胶结的各种不同形状大小的颗粒堆聚而成的。但如果深入观察其内部结构，则会发现它是具有三相的多微孔结构。硬化混凝土是由粗、细集料和硬化水泥浆组成的，而硬化水泥浆由水泥水化物、未水化水泥颗粒、自由水、气孔等组成，并且在集料表面及集料与硬化水泥浆体之间也存在孔隙及裂缝等。

2.1.2界面微裂缝

混凝土硬化后，在受力前，其内部已存在大量肉眼看不到的原始裂缝，其中以界面微裂缝为主。这些微裂缝是由于水泥浆在硬化过程中产生的体积变化(如化学减缩、湿胀、干缩等)与粗集料体积变化不一致而形成的。另外，由于混凝土成型后的泌水作用，在粗集料下方形成水隙，待混凝土硬化后，水分蒸发，也形成界面微裂缝。以上这些界面微裂缝分布于粗集料与硬化水泥浆的黏结面处，对混凝土强度影响极大。

2.2影响强度的因素

混凝土的破坏情况有三种：一是集料破坏，多见于高强混凝土；二是水泥石破坏，这种情形在低强度混凝土中并不多见，因为配制混凝土的水泥标号大于混凝土的强度等级;三是粗集料与水泥石的黏结界面破坏，这是最常见的破坏形式。所以，混凝土强度主要决定于水泥石强度及其与粗集料的黏结强度。而水泥石强度及其与粗集料的黏结强度又与水泥强度、水灰比、集料性质、浆集比等有密切关系，此外，还受到施工质量、养生条件及试验条件的影响。

2.2.1组成材料

材料组成是影响混凝土强度的内因，主要取决于组成材料的质量及其在混凝土中的比例。水泥混凝土可看做是粗集料分布于水泥砂浆基材中和砂分布于水泥紫体基材中的多层次多相复合材料。混凝土的强度取决于集料的强度、浆体的强度和粗集料一桨体界面的黏结强度。天然集料通常致密坚硬，其强度高于浆体的强度及粗集料一浆体界面的黏结强度。因此，破坏往往发生在浆体内或粗集料一浆体界面上。界面微裂缝的存在使界面成为混凝土最薄弱的区域，其黏结强度常低于浆体和集料的强度。粗集料与浆体的黏结强度随水灰比的降低和水泥强度的增加而增加，并随水泥混凝土捣实程度的增加而增加。

2.2.2养生条件

由于水泥混凝土的强度是依靠水泥水化产生的水化产物的胶结作用提供的，因此水泥混凝土成型后必须有适当的时间和条件，让水泥进行充分的水化。对于采用相同的配合比和施工方法的混凝土 ，其力学强度主要取决于成型后的养护温度、湿度和龄期。

3、 结语

水泥混凝土面层作为路面结构的主体，是直接同行车和大气相接触的表面层次，承受着行车荷载和自然环境因素的双重考验。为了满足路面的使用要求，面层水泥混凝土材料应具有强度高、弹性模量低、收缩变形小、抗磨耗、耐冰冻、抗渗等特性。

参考文献

[1]张数.公路施工技术.北京：高等教育出版社,2002.

[2]刘枚先.面层混凝土施工技术.北京：机械工业出版社,2004.