一种道路水泥混凝土路面强度指标评价方法与流程

本发明属于水泥混凝土路面技术领域，涉及一种道路水泥混凝土路面强度指标评价方法。

背景技术：

水泥混凝土路面已成为我国铺装路面的主要类型，截至2015年,水泥路面占全部有铺装路面的比率提高至73.5％。在对水泥混凝土路面进行质量验收时,混凝土弯拉强度是一个关键指标，在施工过程中通常以小梁抗折强度作为强度检验指标。竣工后进行质量抽检时，常采用钻芯取样的手段,测其劈裂强度，参照公式换算为抗折强度,再评定该工程质量。因此，抗折和劈裂强度之间换算关系及强度评价体系是公路工作者关注的重点之一。

但采用受力模式差别很大的劈裂抗拉强度检验抗弯拉强度，存在着设计和验收指标不完全一致的问题。并且，随着生产工艺提高，20多年前提出的钻芯劈裂强度与抗弯拉强度换算关系式精确度大幅下降，可能致使力学性能不满足要求的路面在验收时成为“合格”路面。近年来水泥混凝土路面经常出现裂缝类、接缝类和底板脱空等早期病害更加引起我们对质量验收评价的重视，仅用单一抗弯拉强度指标来评价道路力学性能不够完善且不完全能满足实际使用需求。

目前大多数国家均采用抗弯拉强度作为道路混凝土的设计指标，现场验收则通过测试钻芯芯样的劈裂强度并换算为抗弯拉强度与设计值比较，该换算公式一般由研究者根据当地材料推导，自然难以适应其他地区的原材料料源，在实际应用中容易导致路面混凝土的强度设计目标值与现场验收实测值难以对应和统一。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，基于道路混凝土受力模式和强度指标相关性，提出一种道路水泥混凝土路面强度指标评价方法，将模制圆柱体试件及模制劈裂强度其应用于所述的强度指标评价体系中，回归建立精度满足使用要求的道路混凝土模制劈裂强度、抗弯拉强度和芯样劈裂强度之间的经验公式，促进水泥路面结构设计、检测验收指标一体化，减少验收检测的偏差，对于加强现场混凝土质量控制有重要的现实意义。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：

一种道路水泥混凝土路面强度指标评价方法，对现场路面板的强度进行评定时，小梁试样抗弯拉强度、圆柱试样模制劈裂抗拉强度和芯样劈裂抗拉强度三者的测试结果共同决定现场路面板的强度是否满足要求，对于低等级公路，仅需验证圆柱试样模制劈裂抗拉强度是否满足标准，对于高等级公路，通过以下步骤进行判断：

(1)通过芯样劈裂抗拉强度与模制劈裂抗拉强度的关系式，将水泥混凝土芯样劈裂抗拉强度f_ct换算为水泥混凝土圆柱试样模制劈裂抗拉强度f_ct1'

f_ct1′＝0.7369f_ct+1.4075

(2)若中三个关系式同时成立，则现场路面板的强度满足要求，否则现场路面板的强度不满足要求；

其中，f_fxc为现场试件28d抗弯拉强度；

f_f为道路混凝土抗弯拉强度设计标准值；

f_ctxc'为现场试件28d模制劈裂抗拉强度；

f_ct'为水泥混凝土圆柱试样模制劈裂抗拉强度设计标准值；

f_ct1'为水泥混凝土圆柱试样模制劈裂抗拉强度。

本发明进一步的改进在于，小梁试样抗弯拉强度按室内确定的混合料配比进行试配时，在工作性满足要求的前提下同时成型标准小梁试件和模制圆柱体试件，在标准养护室内养生至28d，测试标准小梁试件的抗弯拉强度为f_f'以及模制圆柱体试件的模制劈裂抗拉强度f_ctxn'；

(1)当f_f'>f_f且f_ctxn'>f_ct'时，则所确定的混合料配比满足要求，所配制的混合料的强度大于设计强度标准值；其中，f_f为道路混凝土抗弯拉强度设计标准值，f_ct'为水泥混凝土圆柱试样模制劈裂抗拉强度设计标准值；

(2)若f_f'与f_ctxn'中有一个低于相应的设计强度标准值，则所确定的混合料配比不满足要求，重新调整混合料配比。

本发明进一步的改进在于，根据现场施工的材料，将室内混合料配比转化为施工配合比，现场拌和，然后进行铺筑，同时每班留1～4组标准小梁试件和模制圆柱体试件，测定现场试件28d后抗弯拉强度f_fxc和模制劈裂抗拉强度f_ctxc'，同时，路面铺筑28d后，在路面板钻芯取样，测定水泥混凝土芯样劈裂抗拉强度f_ct。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明中模制劈裂抗拉强度在受力模式上更接近于钻芯劈裂强度，二者之间关系式的准确性较抗弯拉强度—芯样劈裂强度关系式要高的多，受实验方法、操作人员和仪器等非材料因子的影响也更小，更适合作为反映材料在现场施工与室内设计变异水平的指标。

2.因圆柱试件体积较小，成型、制作简单快捷，搬运方便，所以本发明中模制圆柱试件劈裂抗拉强度试验相对于弯拉试验可以减少实验量。

3.若低等级公路的设计检验指标为模制劈裂抗拉强度，则对现场路面板的强度进行检验时，也可用现场模制试件劈裂抗拉强度来检验路面板的强度，这样室内设计检验指标与现场检验指标能互相统一，所以本发明有利于设计检验指标与现场检验指标的统一。

4.与现有水泥混凝土强度指标评价方法相比，本发明使材料设计和检验指标统一，减少设计与竣工检验指标误差，理论明确、系统完整、实用性强，补充完善了现行的道路混凝土强度评价指标体系，对道路混凝土的强度设计与检验具有重要的理论及指导意义。

附图说明

图1为基于模制劈裂抗拉强度道路水泥混凝土强度指标评价体系流程图。

图2为模制圆柱体试件Φ100×200成型模具图。

图3为室内试验芯样取样方法图(从200mm×200mm×200mm的立方体中钻芯取样)。

图中，1为模具，2为水泥混凝土芯样，3为路面板。

具体实施方式

本发明涉及一种受力明确、结构简单、施工方便及不影响沥青路面路用性能的水泥混凝土路面强度指标评价方法，该评价方法的工作原理：混凝土面板在荷载和温度应力的作用下，受到的拉应力并不是直接拉伸应力，而是在弯和拉共同作用下产生的弯拉应力，弯拉状态更接近路面的破坏模式和受力状况，所以在材料设计中一般采用抗弯拉强度作为强度设计指标。尽管弯拉破坏与劈裂破坏同属于拉伸破坏，但是二者的受力模式不同。对于水泥混凝土抗弯拉强度试验，其应力是三角形分布，并在小梁底部出现最大拉应力，而水泥混凝土抗压强度远大于抗拉强度，所以，小梁试件破坏总是在试件底部，出现破坏裂缝并由小梁底部向上发展，试件破坏模式一般呈线性发展；对于劈裂强度试验，由于其应力是矩形分布，所以，圆柱体试件破坏模式是一个面。从平面上分析，小梁弯拉破坏是一个点，而劈裂破坏是一条线，由于一条线上所包括的薄弱点多，而强度破坏总是从最薄弱点开始，因此从理论上分析可知，劈裂强度通常低于抗弯拉强度。

虽然劈裂破坏与弯拉破坏模式不同，但普遍认为它们同属于拉伸破坏，在力学性能上存在一定的共性，二者测试值也存在很好的关联性。因此，在施工验收时采用芯样的劈裂抗拉强度来换算现场路面板的抗弯拉强度，具有理论基础与实际应用价值。

为了研究在不同混凝土强度时三种试件强度的关系，在粗集料公称最大粒径分别为19mm、26.5mm和31.5mm的3种试验组中，用水量在145～160kg/m³，选用的水灰比在0.40～0.45之间，基本覆盖了道路水泥混凝土的常用水泥用量，每一配比对应成型小梁试件、芯样试件和模制试件三种试件，其中的芯样试件从200mm×200mm×200mm的立方体试件钻芯取得，各试件成型、养护和强度指标测试按照有关试验规程进行。根据各组试验结果，回归建立起模制劈裂强度、芯样劈裂强度和抗弯拉强度之间的相互关系。(具体通过origin或SPSS等回归分析软件，将室内大量试验得到各种强度值建立得到本发明中的回归关系表达式，具有充分的试验数据和普遍性。)

(1)模制劈裂抗拉强度与芯样试件回归

f_ct1'＝0.7369f_ct+1.4075(n＝62，R＝0.84，S＝0.083)

式中：f_ct—水泥混凝土芯样劈裂抗拉强度(MPa)，其范围：2.52～4.59MPa；f_ct1'—水泥混凝土圆柱试样模制劈裂抗拉强度(MPa)，其范围：3.25～4.98MPa，n：拟合时用到点的数目，R：相关性系数，S：回归模型的标准差方差。

(2)模制劈裂抗拉强度与抗弯拉强度回归

其中，f_f为道路混凝土抗弯拉强度设计标准值(MPa)。

(3)芯样强度与抗弯拉强度回归

注：f_f为道路混凝土抗弯拉强度设计标准值(MPa)；f_ct为水泥混凝土芯样劈裂抗拉强度(MPa)。

设计检验指标

如图1所示，当按确定的混合料配比进行试配时，在工作性满足要求的前提下同时成型标准小梁试件和如图2所示的模制圆柱体试件模具中按相关试验规程成型Φ100mm×200mm的圆柱体试件，在标准养护室内养生至28d，测试标准小梁试件的抗弯拉强度为f_f'以及模制圆柱体试件的模制劈裂抗拉强度f_ctxn'。

(1)当f_f'>f_f且f_ctxn'>f_ct'时，则认为所确定的混合料配比满足要求，所配制的混合料的强度大于设计强度标准值。其中，f_f为道路混凝土抗弯拉强度设计标准值，f_ct'为水泥混凝土圆柱试样模制劈裂抗拉强度设计标准值；

(2)若f_f'与f_ctxn'中有一个低于相应的设计强度标准值，则所确定的混合料配比不满足要求，需重新调整设计。

现场检验指标

当实验室的混合料配比满足要求后，根据现场施工的材料，将室内配比转化为施工配合比(为了确保室内混凝土水灰比不变，一般是根据砂石集料中的含水率调整砂子的用量及水的用量，从而转化为施工配合比)，现场拌和，检验工作性，然后进行铺筑，同时每班应留1～4组标准小梁试件和模制圆柱体试件，测定现场试件28d抗弯拉强度f_fxc和模制劈裂抗拉强度f_ctxc'，同时，参见图3，路面铺筑28d后，在路面板3钻芯取样，水泥混凝土芯样2的直径为100mm，高度为200mm，测定水泥混凝土芯样劈裂抗拉强度f_ct。

对现场路面板的强度进行评定时应结合小梁抗弯拉强度、模制圆柱试件劈裂抗拉强度和芯样劈裂抗拉强度三者的测试结果共同决定路面板的强度是否满足要求，对于低等级公路，可仅需验证圆柱试样模制劈裂抗拉强度是否满足标准，即若f_ct1'＞f_ct'，则路面强度满足要求；而对于高等级公路，通过以下步骤进行判断：

(1)通过芯样劈裂抗拉强度与模制试件劈裂抗拉强度的关系式，将水泥混凝土芯样劈裂抗拉强度f_ct换算为水泥混凝土圆柱试样模制劈裂抗拉强度f_ct1'

f_ct1′＝0.7369f_ct+1.4075

(2)比较：

其中，f_fxc为现场试件28d抗弯拉强度；

f_f为抗弯拉强度设计标准值；

f_fxc为现场试件28d抗弯拉强度；

f_ctxc'为现场试件28d模制劈裂抗拉强度；

f_ct'为水泥混凝土模制圆柱劈裂抗拉强度；

f_ct1'为由f_ct按换算的模制劈裂抗拉强度；

(3)若步骤(2)中三个关系式同时成立，则路面板的强度满足要求，否则路面板的强度不满足要求。

为了使道路质量检验时用的钻芯法取得的芯样试件和设计时采用的指标相一致，在室内制作小梁试件时，额外用如图2所示的模具制作与将来钻芯时相同规格(Φ100×200)的试样，称之为模制试件，并测其强度为模制试件劈裂强度f_ctxc'(即水泥混凝土现场模制圆柱劈裂抗拉强度)，其中，图2所示的模具1可以由塑料或钢材支撑，内径为100mm，外径为120mm，即模具1的壁厚为10mm，并且用塑料制得的模具价格低廉，搬运方便。

与小梁抗弯拉强度对比，芯样试件劈裂强度破坏模式与模制试件更具共性，根据试验结果知，模制劈裂强度与抗弯拉强度相关性比芯样劈裂强度与之更好，可以将模制劈裂强度可直接作为低等级道路混凝土的设计指标。而且，模制试件易成型制作，可以减少在设计和现场检测的工作量。因此，通过回归模制劈裂强度、抗弯拉强度和芯样劈裂强度三者之间的关系，建立更加精确的抗弯拉强度和钻芯劈裂强度换算关系，并在验收时用芯样劈裂强度换算的模制劈裂强度作为补充指标，与设计时现有的抗弯拉强度构成综合强度评价体系，用来评价道路水泥混凝土路面的强度和质量。

本发明首次提出模制圆柱体试件和模制劈裂抗拉强度，在室内成型小梁试件同时，制作模制圆柱体试件，测其模制劈裂强度与相应设计指标对比，抗弯拉强度和模制劈裂强度同时大于等于设计指标要求时，此时的混凝土配合比设计才满足要求。增加模制劈裂抗拉强度作为设计指标、检验指标，与现有采用单一抗弯拉强度共同构成水泥混凝土路面强度指标评价体系；用现场竣工验收时钻芯得到芯样劈裂强度换算的模制劈裂强度与相应设计指标比较(大于等于设计指标才满足要求)，可以直接作为低等级公路的设计指标，作为高等级公路抗弯拉强度的补充指标，模制劈裂抗拉强度作为中间指标，回归建立其与芯样劈裂强度和抗弯拉强度之间的相互关系式，更新规范中现有弯拉强度和芯样劈裂强度之间的换算关系式。道路混凝土模制试件和芯样试件劈裂强度回归方程的相关性R高达0.84。本发明提出用芯样劈裂强度换算的模制劈裂强度作为验收时补充指标，建立综合强度指标评价体系，用于工程质量验收的评定依据。

以上所述实施示例，仅是本发明的较佳实施方式，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明工作原理对以上实施例道路水泥混凝土路面强度评价体系的方法所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明的保护范围内。