1概述
水泥混凝土路面在一些工業(yè)發(fā)達國家的公路網(wǎng)占有相當重要的地位，最為突出的是美國，已建水泥混凝土路面約20萬公里，其中有6萬多公里是州際公路──承擔主要重交通量的干線公路，占總長度的一半以上；德國在發(fā)動二次大戰(zhàn)前修建的高速公路，基本上是水泥混凝土路面；其他國家如英、法、西班牙、澳大利亞等國也有相當量的水泥混凝土路面；近些年來東南亞地區(qū)水泥路面的公路呈發(fā)展上升趨勢，如日本自八十年代末起大力發(fā)展碾壓混凝土路面，稱之為第三種鋪裝方式，欲以其代替瀝青混凝土路面，作為重載高速公路路面的重要形式，延長使用壽命，降低養(yǎng)路費用。
大量水泥混凝土路面的修建與應用，帶來對這種道路使用耐久性的關(guān)心，例如美國在汽車運輸發(fā)展迅速之時，發(fā)現(xiàn)引氣劑能大大改善水泥混凝土路面抗凍融與除冰鹽侵蝕的能力，至今仍被稱之為混凝土材料發(fā)展史上的一個里程碑；八十年代興起混凝土耐久性研究應用熱潮，也是就美國及其他國家大量混凝土橋面板和路面的修復、更新，需要耗費巨額資金而提出的。
在我國，水泥混凝土路面發(fā)展的歷史較短，特別是水泥混凝土路面的高等級公路、高速公路還是近些年才開始大量修建的，因此對于它的耐久性還未得到應有的重視。盡管如此，一部分新修運營才幾年的道路，混凝土路面已經(jīng)出現(xiàn)相當嚴重的病害，如路面板磨耗、剝落、開裂與斷板、缺棱掉角或起拱、塌陷等，影響行車安全與舒適性，影響路面的使用壽命。混凝土路面的修補非常麻煩，費用也很高，因此引起各級領(lǐng)導與有關(guān)部門的高度重視，并力圖找到得力的措施改進。高等級公路路面混凝土的設計抗折強度指標從4.5MPa提高到5.0MPa，而配制強度提高到5.5MPa，就是有力的明證。但是，一方面強度指標提高使得單方混凝土水泥用量增加，從而單方材料費用進一步提高；另一方面，增加水泥用量對提高混凝土抗折強度的效果并不顯著，有時甚至看不出無效果。事實上，我國規(guī)范規(guī)定的抗折強度為4.5MPa的指標，已經(jīng)比美、英等國的指標（4.0MPa）高，看來出現(xiàn)病害的原因并不在于抗折強度偏低。那么，改善高等級公路水泥路面耐久性的關(guān)鍵究竟是什么？在混凝土中，粗集料通常要占體積的55～80％，因此它對混凝土的耐久性、對道路使用壽命的影響應該是相當重要的，但這一點尚未被國內(nèi)道路工程界充分重視，從國內(nèi)許多混凝土路面工程所用粗集料的質(zhì)量低劣就可以看出來：石子的最大粒徑普遍較大、超徑多，而且一般是單級配（如用5-40mm顆粒為粗集料，常常只有15-40mm的顆粒，而5-15mm的顆粒極少），此外粗集料中的針片狀顆粒含量還很多，含泥量也往往嚴重超標，這樣的粗集料是無法修建出高質(zhì)量的路面。所以本文著重談論粗集料對混凝土路面耐用性的影響，以期引起各方面的重視。
2粗集料對路面抗沖擊、疲勞性能的影響
粗集料對混凝土路面耐用性的影響之大，可從下面的例子中看出來：
1988年，美國對45個州的水泥混凝土道路進行了使用壽命的調(diào)查，結(jié)果表明：其平均壽命僅為20.5年。文章認為[1]：使用壽命完全可以加倍延長，關(guān)鍵在于改變現(xiàn)行材料試驗協(xié)會標準(即ASTM)中關(guān)于粗集料級配的規(guī)定，象其他工業(yè)國一樣，在路用混凝土中采用三級配粗集料。增加中間一級顆粒，稱之為“橋梁”，即把大小粗集料顆粒聯(lián)系起來。文章對比了美國達拉斯市兩條相鄰的街道：一條是已運行66年的老路，仍基本完好；另一條剛運行5年，已有不少地方損壞，需要修補了。兩條路相差如此懸殊，原因在后者的混凝土中盡是大顆粒粗集料，而前者粒形與級配良好，“橋梁”作用明顯。例子很典型，實際情況要復雜一些，但從中可以得到重要的啟示：混凝土材料已經(jīng)使用了一個多世紀，在各方面條件發(fā)生很大變化的今天（指工程結(jié)構(gòu)物的使用條件、混凝土原材料與施工工藝等等），有必要重新認識有關(guān)粗集料的一些問題，以利更好地發(fā)展水泥混凝土公路建設。
為什么現(xiàn)今水泥混凝土路面的使用壽命，受粗集料最大粒徑和中間顆粒的影響如此之大呢？這要從現(xiàn)代交通的發(fā)展來進行分析，由于近些年來大型、重載車輛，包括集裝箱車輛的出現(xiàn)與頻繁運行，這些重型車輛對道路的破壞，要遠遠大于輕型汽車，反映在對路面板混凝土的抗沖擊與疲勞的強度需要大大提高，因此如上所述，靠提高室內(nèi)靜力試驗的抗折強度指標就達不到預期效果，甚至無濟于事。根據(jù)國外大量研究和應用的結(jié)果證明：混凝土粗集料的最大粒徑越小，其抗沖擊與疲勞的強度就越好。但是粗集料的粒徑減小（國外一般都以20mm為最大粒徑），會使包裹它們的砂漿需要量增大，也有不利之處，就要通過增加中間顆粒部分來補償。國內(nèi)雖然采用最大粒徑大（通常為40mm，且超徑顆粒很多）的粗集料，但因為缺少中間顆粒，粗集料的堆積不夠密實，水泥砂漿的需要量仍然不小。結(jié)果水泥用量增加，提高了材料費用，還對路面的使用壽命產(chǎn)生不利的影響。除了抗沖擊與疲勞的性能以外，就路面用水泥混凝土的耐久性而言，占首位的就屬耐磨耗性能了，當然凍害與化學侵蝕等也是一些必須注意的問題，分別敘述如下。
3粗集料對路面耐磨耗性能的影響
耐磨耗性能是談到水泥混凝土路面耐久性時首先涉及的另一個問題，無論國內(nèi)外已有大量的研究工作都證實：總體上水泥混凝土路面的耐磨耗性能直接與混凝土強度相關(guān)，即強度越高，路面就越耐磨耗。
粗集料本身的耐磨性能，雖然和路面耐磨耗性能有關(guān)，但除特殊情況外(如特別脆弱的燧石、容易磨光的石灰石細粒)，關(guān)系并不很大；而另一方面，粗集料的顆粒分布與級配，對路面板的耐磨耗性能，乃至整個路面的壽命卻有很大的關(guān)系。上述那篇美國雜志的文章表明：使混凝土路面壽命加倍延長，也就是40～50年的壽命是完全可能的。分析認為：現(xiàn)在粗集料的顆粒分布不好，是路面損壞的主要原因之一，而通常進行設計時只考慮荷載，不考慮耐久性的現(xiàn)狀，使這個問題復雜化。經(jīng)過對粗集料的顆粒分布進行廣泛的試驗研究，發(fā)現(xiàn)在主要工業(yè)國家中，只有美國一些州的現(xiàn)行規(guī)范是用二級配粗集料拌和混凝土，其他發(fā)達國家和美國的部分地區(qū)至少采用三級配粗集料，這樣顆粒分布就好多了，中間顆粒在大、小顆粒間形成橋梁，填充空隙并增加大混凝土的密實度。
在沒有或很少中間顆粒的時侯，混凝土含有過多而且不易密實的砂漿，而砂漿越多，表面就越容易被磨損；這還會形成許多通道，使侵蝕性的介質(zhì)得以進入。施工中抹面時，混凝土面層應該有一定的易修整性，如果粗集料非常粗澀，就要有更多砂漿供抹面需要。路面混凝土的強度指標很明確，攪拌站供應的混凝土一定要滿足強度要求，但是怎樣才能滿足易修整性呢？粗集料的顆粒形狀在這里起一定的作用，它影響拌和物的易修整性和可壓實性能，尖棱角與片針狀顆粒阻礙拌和物流動，它們互相嵌鎖，使混凝土難以密實。采用這類粗集料顆粒的混凝土，用攤鋪機攤鋪時速度減慢、抹面困難、行車顛簸。所以用用圓角粗集料，包括豆石可以延長混凝土路面的壽命。兩種同水灰比的拌和物，砂漿含量可在48%～60%之間波動，取決粗集料的顆粒分布。顆粒分布好的粗集料只需48%的砂漿，就可生產(chǎn)粘聚的、工作性能好的拌和物。混凝土路面設計的一個問題是設計應該針對確定的環(huán)境進行，這樣才能確保路面的質(zhì)量。
路面的磨耗是個很長的過程，我們現(xiàn)在的評價方法則是在試件成型28天后就進行快速試驗，而硅酸鹽水泥的水化要延續(xù)很久，也許要十幾年、幾十年。路面混凝土的性能隨時間的發(fā)展，與其28天強度值不存在一個確定的函數(shù)：在30年前，那時的水泥顆粒要粗得多，所以可能30年后的今天強度還在增長，在開始的第一年里，增長幅度也許要超過25%；當今所用的水泥要細得多，化學外加劑的使用有助于進一步提高早期強度，但因此其后期強度增長幅度就會明顯減小。沒有人到1年、3年、5年、20年后還在關(guān)心路面的性能，這就是我們不能僅僅依靠評價28天強度的原因。
在一條新路面上，磨耗開始于防滑構(gòu)造層──細砂漿層，如果粗集料的顆粒分布不好，這層砂漿就不僅僅是第一道防線而已了。砂漿磨掉以后，粗砂露出來分擔荷載，顆粒分布在這時的作用重大，它可以保護路面不過分磨耗、不會形成通道、不產(chǎn)生開裂或其它病害。砂漿磨掉以后，粗集料的中間顆粒露出來，其顆粒影響就更大了：如果沒有足夠的中間顆粒，周圍的砂漿就會受到很大的作用力而破壞。
由于混凝土路面中良好的集料粒徑分布，有助于提供耐久性保護作用，因此有人提出：任何一級粒徑的顆粒都不要大于21％，這是一個理想的篩分曲線，其中間顆粒分布良好。在很多地區(qū)，當?shù)夭豢赡芴峁┧枰拇旨希坏貌粡暮苓h的地方去找砂源，這雖然增加了一些運輸費用，但與5年和66年的巨大差距相比，就顯得微不足道了。當然有時也不得不做出另一種抉擇：在宏觀抗滑構(gòu)造一旦磨穿，下面的路面就很容易磨損，因此粗集料顆粒分布不好時，就只有把98％的精力集中到做好表面層。
在耐磨耗性能這一點上，路面與室內(nèi)地面、工業(yè)地坪有區(qū)別。后者要經(jīng)過反復抹壓(或稱整面)，因此準確掌握抹壓的時機，對其耐磨耗性能有重要的影響。例如有的建筑物已歷經(jīng)幾十年地面仍然很光滑，而有的地面只用了幾年就已經(jīng)磨損嚴重。公路施工因為速度快、面積大，不可能象地坪那樣精心整面；再者，在高等級路面上，為了抗滑起見，要在表面加工宏觀與微觀抗滑構(gòu)造，如拉毛、壓槽等，因而即使精心整面，對路面耐磨耗性能的影響并不大。
因為路面板較薄，暴露比面積大，所以路面表層的耐磨耗性能和混凝土澆筑后的養(yǎng)護條件關(guān)系十分密切，不僅與養(yǎng)護方式、養(yǎng)護材料密切相關(guān)，還與養(yǎng)護開始時間的選擇關(guān)系很大。例如混凝土表面泌水多、天氣較潮濕及氣溫低時，養(yǎng)護就要晚一些再進行，否則泌到表面的水由于覆蓋養(yǎng)生時蒸發(fā)不掉，表面層就會疏松；反之，在干燥、氣溫高及有風的天氣里，如果混凝土澆筑后沒有及早開始養(yǎng)護，很快會因其內(nèi)部水分向外蒸發(fā)，尚沒有形成強度的混凝土很容易產(chǎn)生微小的塑性收縮裂縫，從而加速水分進一步蒸發(fā)，影響水泥水化及其強度的發(fā)展，并使路面板被外界環(huán)境里的侵蝕介質(zhì)滲入，對路面板的承載力、耐磨耗性能及其長期耐久性都造成很不利的影響。
有些人對改善混凝土路面的耐磨耗性能十分關(guān)注，但他們錯誤地認為膠結(jié)材料本身的耐磨耗性能與混凝土路面的耐磨耗性能有很大關(guān)系，例如認為混凝土中摻磨細礦渣就提高耐磨耗性能；而摻粉煤灰，通常認為對耐磨耗性能就有不利影響。事實上，路面表層的耐磨耗與物料在球磨機里的耐磨耗是有很大區(qū)別的，路面表層通常是砂漿暴露在外，砂子自然要遠比水泥漿耐磨，所以通常認為其耐磨耗性能首先是和水泥漿對砂子的固著程度，也就是如上所述，和混凝土的強度密切相關(guān)；其次它的耐磨耗性能還和砂質(zhì)（包括砂子的含硅量，一些國家規(guī)定了路面混凝土所用砂子含硅量的最小值，就是從保證耐磨性要求出發(fā)的）密切相關(guān)。而礦渣在球磨機里很耐磨，在很大程度上是與其玻璃態(tài)光滑的表面有關(guān)（磨球不容易將它砸碎），近年的一篇有關(guān)膠結(jié)料中摻礦渣的水泥混凝土耐磨耗的文章，可以作為這個問題的一個旁證[2]。認為摻礦渣、鋼渣的水泥（如近年國內(nèi)一些單位研制的道路水泥）比較耐磨耗的結(jié)論，與現(xiàn)行有關(guān)水泥耐磨耗的試驗方法，不能真實反映水泥混凝土路面的耐磨耗性能有關(guān)（如小試件的成型采用相同水灰比，反映不出膠結(jié)料實際需水量；摻礦渣水泥泌水影響表面耐磨耗性能在試驗中反映不出來，整面與養(yǎng)護工藝對路面耐磨耗性能的重要影響更無法反映）。
3粗集料對路面抗凍融循環(huán)與除冰鹽能力的影響
只要是在受凍融循環(huán)影響的地區(qū)修筑水泥混凝土路面，就要考慮其抗凍害的能力，包括混凝土未硬化時的凍害與混凝土硬化后受凍融循環(huán)與除冰鹽的作用，這二者有時互相關(guān)聯(lián)，如在低溫時施工的路面，由于水泥水化緩慢，凝結(jié)時間很長，表面泌出水多，形成大量通道，就會使水很容易滲入，影響抗凍融耐久性。
水泥混凝土路面抗凍融循環(huán)與除冰鹽的能力，主要決定于它抗?jié)B透性能的優(yōu)劣。如上所述，粗集料質(zhì)量的好壞，影響其堆積的密實程度，因此影響混凝土所需要的砂漿量，從而間接地決定了路面抗?jié)B透性能的優(yōu)劣。
當然，可能受凍的混凝土表面有較多的水積聚，是路面受凍害的另一必要條件，否則也談不上凍害問題。這就是為什么施工完以后受第一個凍融循環(huán)之前，若有一個干燥期間歇，對其抗凍融很有利的原因。水泥在水化作用期間的自干燥作用，使混凝土拌合時達到飽和的粗集料顆粒排出部分水分，但在進行道路設計和養(yǎng)路時注意表面的排水還是很必要的。
談到水泥混凝土路面的抗凍性時，經(jīng)常提到的是除冰鹽的破壞作用。在以往國內(nèi)公路多是混合交通的時侯，由于行車速度通常不很高，因此下雪以后在路面結(jié)成的冰碴沒有引起廣泛的關(guān)注。但在公路交通發(fā)達的國家里，每到冬季下雪時，由于冰碴使汽車打滑發(fā)生的交通事故往往非常嚴重，使用除冰鹽化冰，保證正常行車速度而不出事故就成為十分必要與經(jīng)常采用的措施了。除冰鹽的使用是導致路面剝落的主要原因（剝落的程度從輕微的露石直到路面10cm以上的砂漿成片剝落，石子被剝離，嚴重的時侯這種現(xiàn)象在使用后幾周就很明顯了，剝落下來的混凝土塊在隨后的大氣與交通作用下繼續(xù)碎裂，互相嵌鎖，形成無法排出水去的凹坑，使混凝土更容易受到侵蝕），在撒用除冰鹽時，路表的冰碴化凍會使其下方的混凝土突然受冷，溫度陡降，在局部產(chǎn)生反復的凍融循環(huán)，這種情況在不使用除冰鹽的時侯是不會遇到的。而且自然界的降溫一般也不會這么突然，緩慢的降溫使混凝土中的熱量傳導開去，毛細孔與粗集料孔隙里產(chǎn)生的壓力較容易消散，就不會產(chǎn)生很大的危害。上述使用除冰鹽的作用，在通常按標準進行的室內(nèi)凍融試驗條件下也反映不出來。
摻用引氣劑并使混凝土有適宜的含氣量、氣泡間隔系數(shù)，對可能使用除冰鹽并處于水飽和狀態(tài)的路面混凝土來說是絕對必要的，但是這還不夠，混凝土表面受凍易于剝落的雖只有10mm頂面，引氣作用通常也是針對路面的50mm面層而規(guī)定的，但是在施工時，由于過度振搗或非經(jīng)允許灑水以便容易抹面等做法，都會使表層的含氣量損失，達不到保證抗凍融循環(huán)與除冰鹽的效果。注重正確操作、采用粘聚性好、不泌水的拌合物是很重要的，引氣也有這方面的作用，所以進行拌合物設計時不考慮引氣作用，使其粗澀、泌水多，是非常有害的。
關(guān)于混凝土硬化之前的安全保護期，國內(nèi)外已進行了大量的研究，由于路面混凝土的成熟度和抗凍性的關(guān)系要比澆筑在模板里的混凝土更為復雜一些，因此在估計時往往也要更偏于保守一些。特別是要用到除冰鹽的路段，在路面受凍之前，要考慮足夠的養(yǎng)護時間，可能的情況下讓其有一段干燥期。
飽和的粗集料在受凍時會向外排水，所以液相壓力來自于砂漿，也來自粗集料顆粒本身，如果這個壓力超過了粗集料的強度，它會破壞或脫離混凝土體，這都會導致混凝土破壞。壓力的大小取決所用巖石的孔結(jié)構(gòu)和石子的粒徑，粒徑越大，產(chǎn)生的壓力也就越高，因此對每種巖石存在一個“臨界粒徑”的概念，對同一巖種，則40mm最大粒徑的石子比20mm的危險要大。當然在發(fā)生剝落現(xiàn)象時，歸因于粗集料還是砂漿之前，需要在顯微鏡下經(jīng)過細心觀測來判斷。
混凝土路面受凍害的另一種形式是D—裂縫（這種裂縫通常要到道路運營幾年，甚至十幾年后才會發(fā)現(xiàn)），粗集料肯定是D－裂縫破壞產(chǎn)生的原因。有大量小孔隙的粗集料在水飽和情況下受到反復凍融的作用，就會產(chǎn)生D－裂縫，這種裂縫由板底開始，逐漸向上發(fā)展，當施工幾年以至十幾年后的路面上發(fā)現(xiàn)這種大致與板邊平行的裂縫時，已經(jīng)很嚴重并且只有敲碎更換了。橋面板、路面板都會產(chǎn)生這種破壞現(xiàn)象。為避免這種破壞，需要在選擇粗集料的巖種（通常是沉積巖）時注意，對可疑的巖種要減小粗集料的最大粒徑。
如上所述，水泥混凝土路面抗凍融與除冰鹽等化學侵蝕的能力，決定因素是具有低的滲透性。長期以來強調(diào)的降低混凝土水灰比的措施，在高效減水劑廣泛應用的今天，已被許多國家，包括國內(nèi)越來越多的實踐證明是十分有效的，對高性能混凝土(HPC)開展了大量的研究工作表明：摻有高效減水劑和礦物摻合料制備的高性能混凝土，可以大大降低混凝土的水膠比（水/水泥+礦物摻合料），從而具有非常低的滲透性，因此抗凍融與除冰鹽化學侵蝕的性能十分優(yōu)異。當然，粗集料的粒徑與級配良好，使混凝土較為密實，從而使水泥漿量減小，也是改善混凝土滲透性能的重要決定性因素。同時，用這種混凝土材料鋪筑的路面也將有很好的耐磨耗性能（如北歐的國家已使用這種混凝土，作為通行帶釘輪胎車輛行駛的路面材料）。
綜上所述：水泥混凝土路面的耐久性問題在當前國內(nèi)迅速發(fā)展公路交通，特別是水泥混凝土路面建設的今天，很有必要大力宣傳和呼吁；改善粗集料的加工質(zhì)量，注意適當減小粗集料的最大粒徑，保證良好的粒形和級配，并且開展對高性能混凝土的研究與應用，以全面提高水泥混凝土路面耐久性，有效地延長其使用壽命，使我國的基礎設施建設能夠持續(xù)地得到發(fā)展，為經(jīng)濟建設提供必要的前提。
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