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公路隧道高性能多孔水泥混凝土路面研究

作　者: 陈瑜
导　师: 张起森
学　校: 中南大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 隧道路面多孔水泥混凝土目标孔隙率抗滑构造吸声系数
分类号: U416.216
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

围绕公路隧道路面工作环境，针对普通水泥混凝土路面抗滑构造衰减快和行车噪音过大的主要问题，本文提出高性能路面概念，阐述多孔水泥混凝土作为一种抗滑、低噪音新路面形式和材料的优势与可行性。挖掘多孔混凝土优势，分析目前应用于路面工程存在的问题和解决途径，研究制备高强、耐久、抗滑和降噪路用多孔混凝土的各项技术措施，并探讨实际应用中一系列相关问题。功能型路面技术的开发是新颖的热点课题，面层多孔水泥混凝土制备技术及其路用性能的研究是高性能多孔路面技术的基础和关键，对减少隧道路面病害、提高路面质量具有重要的现实意义。本文提出下述研究结论和建议：1、研究轮胎-路面摩擦机理，指出抗滑路面应具备合理、协调的微纹理和构造深度、迅速排水及抵抗车轮冲击和磨蚀破坏的能力强。研究轮胎-路面噪音机理，将多孔混凝土路面的降噪能力归因于多孔材料吸收噪音、孔隙结构共振消能、柔性阻尼材料减振与能量耗散、随机凸凹表面对声音的漫反射及表面构造参数的优化等。2、材料的磨蚀是工作条件和时间的函数，提出水泥混凝土路面的磨蚀过程为：路面-车轮系统下，受外界环境（磨粒、温湿循环和水的作用等）影响，导致路面接触表面处材料随时间被逐渐移失的过程。阐述水泥混凝土路面磨蚀机理、磨蚀程度级别和划分依据。3、自行研制和开发水泥混凝土路面加速磨耗仪和相关试验方法，成功实现不同路面形式磨蚀过程和抗滑构造衰减规律的模拟试验研究，并建立数学模型，得出结论：槽型路面和露石路面的磨蚀过程随路面抗滑构造形式和承磨主体而变化，体现明显的阶段性，二者抗滑构造理论使用寿命分别为4～5年和7～8年左右；而多孔路面磨蚀程度小，磨蚀过程平稳，无明显的分阶段现象。4、提出多孔水泥混凝土的理想结构模型、破坏方式与形成条件，设计面层多孔混凝土的主要技术参数：孔隙率18～22％、抗压强度等级不低于C35、抗折强度＞4.5～5.0MPa、抗滑构造深度＞1.10mm、透水系数＞4.0mm／s、吸声系数＞0.30和降噪效果＞6dB（A）。5、线性分形插值法拟合多孔混凝土断面轮廓线，研究随机凸凹表面抗滑降噪能力、断面轮廓线分数维D与路表各构造参数的相关性。依据路面表面功能性最大化原则，基于不同数学模型，将构造参数的优化组合成功统一为单参数指标D，并首次提出路面构造参数的优化问题实质就是D值较大的路面构造设计问题，为多孔混凝土的设计与制备奠定基础。6、分析多孔混凝土原材料，尤其是粗骨料的技术指标和性能要求，推荐硬质碎石粒径5～10mm为宜。提倡掺加粉煤灰、硅粉等矿物活性超细粉或高分子聚合物配制高性能多孔混凝土（HPPC）和多孔聚合物水泥混凝土（PPCC），研究增强材料对多孔混凝土的改性机理与作用，提出无机胶凝材料最佳搭配水泥（90％）-硅粉（10％）和水泥（80％）-UFA（12％）-硅粉（8％），PPCC最佳聚灰比0.10～0.15。7、介绍多孔混凝土不同孔隙率的概念及相关性，阐述其工作性试验、评价与调整方法。分析孔隙率对多孔混凝土路用性能的影响以及各配合比参数与路用性能的关系，首次提出成熟的路用多孔混凝土配合比设计方法与步骤，推荐配合比参数合理范围。实践表明，该方法特点突出，效率高，切实可行。研究不同多孔混凝土的室内制备工艺，推荐振动压实法以确保目标孔隙率与正常的孔隙状态。8、系统、深入研究不同多孔混凝土的路用性能，各项技术指标尤其是力学性能和孔隙率的控制技术达到国内先进和领先水平。具体研究结论如下：（1） HPPC和PPCC工作性优，粘度较大，粘聚性好，易满足路面薄表层施工要求。（2）抗滑构造衰减缓慢，理论使用寿命远远长于普通路面。其中，PPCC耐磨性最强、HPPC次之，普通多孔混凝土相对较差。（3）抗折强度高，＞5.0MPa，力学性能满足相关技术规范要求；（4）透水系数＞4.0mm／s，容水和透水能力强，轮胎一路面间不易产生有害水膜，湿抗滑能力增强；（5）吸声系数＞0.30，吸声能力强；降噪效果多孔混凝土最优，露石混凝土其次，而槽型混凝土最差。（6）低干缩材料，干缩率＜200×10^-6mm／mm，隧道环境下一般不会严重干缩开裂；（7）碳化速度快、深度大，但对力学性能无明显不良影响；（8）耐腐蚀性较强，抗冻性极差。9、多孔混凝土用作结合式双层混凝土面层的上层，建议层厚5～8cm。根据不同多孔混凝土路用性能的特点与优势，对铺筑在不同交通等级、交通特点和工作环境的公路路面提出一系列合理化建议。10、初步探讨多孔混凝土面层的施工过程，指出多孔层厚度的保证与目标孔隙率的实现是其施工技术的关键，并简要介绍了具体施工工艺和注意事项。同时，初步讨论多孔混凝土路面抗滑、降噪功能的保持与恢复等有关问题。

全文目录

中文摘要  8-10
ABSTRACT  10-14
第一章绪论  14-26
  1.1 立题依据及研究的目的、意义  14-17
  1.2 国内外相关研究现状、水平与存在的问题  17-22
  1.3 本研究的主要内容  22-24
  1.4 本研究的技术关键与创新点  24-25
  1.5 本章小结  25-26
第二章公路隧道普通混凝土路面使用性能与路面抗滑降噪的途径  26-44
  2.1 公路隧道水泥混凝土路面工作环境  26-27
  2.2 公路隧道普通水泥混凝土路面使用性能  27-32
    2.2.1 车辆水滑与公路隧道路面行车安全性  27-30
    2.2.2 轮胎—路面噪音与公路隧道路面行车舒适性  30-31
    2.2.3 隧道路面耐久性与其它病害  31-32
  2.3 水泥混凝土路面抗滑技术路线研究  32-39
    2.3.1 水泥混凝土路面抗滑性能的影响因素  32-35
    2.3.2 水泥混凝土路面抗滑技术路线研究  35-39
      2.3.2.1 路面抗滑构造  35-37
      2.3.2.2 水泥混凝土路面的耐磨性  37-38
      2.3.2.3 水膜厚度与路面排水  38-39
  2.4 公路隧道路面降噪的途径与可行性分析  39-42
  2.5 本章小结  42-44
第三章水泥混凝土路面的磨蚀与抗滑构造的衰减  44-65
  3.1 水泥混凝土路面的磨蚀机理与影响因素  44-49
    3.1.1 水泥混凝土路面磨蚀机理与磨蚀过程  44-47
    3.1.2 影响因素分析  47-49
  3.2 水泥混凝土路面加速磨损模拟试验研究  49-57
    3.2.1 加速磨耗仪与路面板模拟磨蚀试验方法  49-51
    3.2.2 试验研究与分析  51-57
      3.2.2.1 普通混凝土路面的磨蚀过程  51-53
      3.2.2.2 混凝土强度、粗骨料与界面过渡区的影响  53-55
      3.2.2.3 潮湿混凝土的耐磨性  55
      3.2.2.4 磨粒的影响  55-57
  3.3 水泥混凝土路面常见抗滑构造衰减规律试验研究  57-61
    3.3.1 槽型路面抗滑构造的衰减规律  57-58
    3.3.2 露石路面的磨蚀与抗滑构造衰减规律  58-60
    3.3.3 路面抗滑构造衰减的影响因素  60-61
  3.4 交通事故倍增点的确定与路面抗滑构造的寿命预测  61-63
  3.5 本章小结  63-65
第四章路用多孔水泥混凝土的设计与路面构造参数分析  65-90
  4.1 多孔水泥混凝土的结构模型与形成条件  65-67
  4.2 路用多孔水泥混凝土的设计  67-71
    4.2.1 多孔混凝土研究现状与存在的问题  67-68
    4.2.2 技术途径  68-69
    4.2.3 路用多孔混凝土的设计目标  69-71
  4.3 多孔水泥混凝土路面抗滑构造参数分析  71-83
    4.3.1 路面抗滑构造参数与多孔混凝土路面的分形特征  71-74
      4.3.1.1 路面抗滑构造参数  71-72
      4.3.1.2 多孔混凝土路面的分形特征  72-74
    4.3.2 分形插值法及其分数维的计算  74-79
      4.3.2.1 线性分形插值算法  74-76
      4.3.2.2 垂直尺度因子的计算  76
      4.3.2.3 不规则曲线的分形插值及其分数维的求解  76-78
      4.3.2.4 路面断面轮廓线的分形插值  78-79
    4.3.3 路面轮廓线分数维、构造参数与抗滑指标  79-83
      4.3.3.1 路面轮廓线分数维的现实意义  79-81
      4.3.3.2 路面轮廓线分数维与构造参数的关系  81-83
  4.4 多孔水泥混凝土抗滑降噪路面构造参数的优化  83-88
    4.4.1 路面构造参数及其与轮胎振动噪音的关系  83-85
    4.4.2 抗滑降噪路面构造参数的优化  85-88
  4.5 本章小结  88-90
第五章多孔水泥混凝土的增强与界面过渡区的改善  90-114
  5.1 原材料选择与技术性能要求  90-94
    5.1.1 水泥  90
    5.1.2 粗骨料  90-92
    5.1.3 矿物活性超细粉  92-93
    5.1.4 有机高分子聚合物  93
    5.1.5 外加剂、拌和及养护用水  93-94
  5.2 矿物活性超细粉的粉体效应研究  94-104
    5.2.1 无机复合胶凝材料体系的堆积状态  95-98
    5.2.2 矿物活性超细粉的增强效应  98-102
      5.2.2.1 硬化浆体化学结合水试验  98-99
      5.2.2.2 硬化浆体压汞法测孔  99-100
      5.2.2.3 水泥胶砂强度与耐磨性试验  100-102
    5.2.3 矿物活性超细粉对多孔混凝土的改性  102-104
  5.3 有机高分子聚合物的增强机理与最佳掺量  104-112
    5.3.1 有机高分子聚合物对多孔混凝土的增强  105-109
      5.3.1.1 抗折强度与弹性模量  106
      5.3.1.2 抗弯拉破裂能与断裂韧性  106-108
      5.3.1.3 冲击试验与界面握裹力  108-109
      5.3.1.4 耐磨性  109
    5.3.2 多孔聚合物水泥混凝土界面过渡区的改善  109-110
    5.3.3 多孔聚合物水泥混凝土的孔隙状态与透水性  110-112
  5.4 本章小结  112-114
第六章路面多孔水泥混凝土配合比和室内成型方法研究  114-141
  6.1 新拌多孔水泥混凝土工作性评价方法  114-118
    6.1.1 目标孔隙率、计算孔隙率、实测孔隙率与有效孔隙率  114-116
    6.1.2 新拌多孔混凝土的工作性与评价方法  116-118
  6.2 多孔水泥混凝土配合比参数试验研究  118-126
    6.2.1 正交试验与分析  118-123
    6.2.2 孔隙率与多孔混凝土的性能  123-126
  6.3 多孔水泥混凝土配合比设计方法  126-133
    6.3.1 配合比参数的确定  126-127
    6.3.2 配合比设计方法  127-131
    6.3.3 典型配合比设计  131-133
  6.4 多孔水泥混凝土室内成型方法研究  133-139
    6.4.1 搅拌工艺  133
    6.4.2 成型方法与目标孔隙率的实现  133-138
    6.4.3 养护制度  138-139
  6.5 本章小结  139-141
第七章多孔水泥混凝土的路用性能及其协调性研究  141-163
  7.1 多孔水泥混凝土的耐磨性与抗滑能力  141-148
    7.1.1 磨蚀过程及其耐磨性  141-143
    7.1.2 抗滑构造的衰减规律及其寿命分析  143-145
    7.1.3 水膜试验  145-148
  7.2 多孔水泥混凝土的降噪效果  148-152
    7.2.1 路面材料声学性能室内检测方法研究  148-151
    7.2.2 多孔混凝土降噪效果分析与评价  151-152
  7.3 多孔混凝土的力学性能  152-154
  7.4 多孔混凝土的长期性能与耐久性  154-159
    7.4.1 干缩  154-155
    7.4.2 抗碳化性  155-157
    7.4.3 耐腐蚀性  157-158
    7.4.4 抗冻性  158-159
  7.5 多孔混凝土路用性能协调性与公路隧道路面工程适用性分析  159-161
  7.6 本章小结  161-163
第八章多孔水泥混凝土路面结构设计与施工工艺探讨  163-170
  8.1 多孔路面层的最佳厚度与路面结构设计  163-165
  8.2 多孔混凝土路面施工工艺初步探讨  165-167
  8.3 抗滑、低噪音路面功能的保持与恢复  167-169
  8.4 本章小结  169-170
第九章结论与建议  170-176
参考文献  176-186
致谢  186-187
攻读学位期间主要的研究成果目录  187-188

公路隧道高性能多孔水泥混凝土路面研究

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