道路水泥混凝土组成设计研究报告简本Word文档下载推荐.docx
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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年的系统性研究，建立了道路混凝土组成设计方法体系，达到了预期目的。
研究成果对于完善我国现行水泥路面设计和施工规范将起到重大支撑作用，其工程推广应用将产生巨大的社会和经济效益。
4主要创新点
1．首次将系统论方法及理念引入道路混凝土组成设计研究中，建立了从路用性能设计角度出发，基于不同的耐久性气候分区和交通荷载等级使用条件，采用多指标和多参数体系控制，分层次、分阶段设计的道路混凝土组成设计方法。
2．深入系统的研究了工作环境对道路混凝土使用性能的影响和道路混凝土对环境作用的抵抗能力，推荐了不同使用条件下道路混凝土应具备的路用性能指标和材料组成参数的合理取值，建立了综合自然环境、使用环境和施工环境的道路混凝土设计分区体系的基本框架，填补了该研究领域的空白。
3．提出了砂浆体积分量
的概念，并推荐了相应取值范围，引入体积法设计理念，结合道路混凝土全寿命使用过程的分阶段性能设计思路，首次提出了道路混凝土分层次体积设计方法。
4．提出了新的综合多尺度、多影响因素的道路混凝土抗弯拉强度设计评价指标及方法，建立了具有理论基础的强度指标关系模型。
5．首次阐述了道路混凝土的耐久性环境分类方法及分类指标，并提出了抗侵入性、抗冻性和耐磨性的测评方法和相应的材料组成建议。
6．推荐了基于骨架密实结构的道路混凝土粗细集料级配，首次提出了级配控制关键筛孔的概念并规定了相应的通过量。
7．提出了道路混凝土不同使用条件下粗集料压碎值、
、针片状含量和细集料含泥量等指标的控制范围，并首次对针状和片状集料分别进行了规定。
8．借助激光粒度分析技术，研究了水泥颗粒群参数对混凝土路用性能的影响，并首次推荐了基于路用性能的道路混凝土用水泥颗粒组成的合理分布范围。
9．机制砂道路混凝土的研究成果补充完善了目前水泥路面施工规范相关内容的欠缺，对西部及其他缺砂地区水泥路面的设计与施工具有重要的指导意义。
10．首次提出了模制劈裂强度指标，依据全国代表性地区试验数据，重新回归了抗弯拉强度、模制劈裂抗拉强度和水灰比的相关关系式，完善了道路混凝土强度设计指标体系。
11．推荐了不同使用条件下，基于耐久性设计的道路混凝土材料组成参数的合理取值范围，建立了耐久性预测模型，补充完善了已有的耐久性设计体系。
12．系统研究了道路混凝土的早期收缩，推荐了不同使用条件下基于抗裂性的道路混凝土的材料设计与施工准则，并建立了道路混凝土早期收缩开裂的预测模型。
13．通过多种自创方法模拟水泥路面施工状况，研究了道路混凝土的流变学指标与施工性能、材料组成的相互关系，并首次对施工变异性进行了初步的试验研究。
14．自行开发了基于图像分析技术的SEM--IPP方法，填补了道路混凝土细观结构研究方法的空白，系统研究了道路混凝土的微观气孔结构、孔结构及其影响因素，具有从微观层面指导道路混凝土宏观组成设计的前瞻性意义。
15．编制了国内首个基于交互功能的道路混凝土配合比设计应用程序，对道路混凝土设计与施工及本研究成果的推广具有重大意义。
16．研发了三种实用新型专利设备，弥补了现有道路混凝土的路用性能测试方法和现场环境模拟手段的不足。
5项目的社会经济效益及推广应用前景
5.1社会、经济、环境效益
1．经济效益
推广和应用项目成果，可以降低水泥路面的初期建设费用，并延长其使用寿命和提高使用质量，经估算得知，可节约水泥路面的全寿命周期成本达12%。
考虑我国在“十一五”期间将要铺筑近30万Km各种类型的水泥路面，并对已有的84.88万公里水泥路面进行维修和重建工作，项目成果应用具有巨大的经济效益，即使从保守角度估算，在未来5年中也将为国家节约建设资金高达73亿元。
2．社会效益
应用项目研究成果可以提高道路混凝土的使用寿命与使用质量，降低因维修和改建路面而导致的车辆营运费用的增加，提高乘客的舒适感和降低车辆的损伤速度和耗油量，从而对应用地区的社会进步、生活稳定和经济发展起到不可估量的推动作用，因而具有显著的社会效益。
3．环境效益
项目研究成果将大大提高水泥路面的使用性能和使用寿命，减缓路面改建、重建的速度，相应减少了原材料消耗和施工机械燃料损耗，同时避免了未来可能的建筑废气、废水和废渣排放，并充分利用当地可用原材料和工业副产品，因而减轻了对环境资源可能的破坏强度。
4．资源安全效益
项目成果的应用和推广可提高水泥路面在我国公路中的建设比率，从而减少因大量修建沥青路面而产生的对国外进口沥青的依赖，并节约外汇，不仅经济效益显著，而且对提高我国国家资源的安全性和独立性具有重大意义。
据估算，如能将高速公路中水泥路面的比率从目前的不足5%提高至20%，在未来的公路干线网建设过程中，将为国家节省外汇16亿美元，并减少建设资金106亿元。
5.2推广应用前景
随着西部大开发战略和交通部“村村通公路”工程的全面实施，在未来相当长的时间内，我国仍要建设大量的水泥路面，这需要强有力的技术保障与支撑。
项目的提出正是紧密的结合了相关研究需要，形成了一系列具有工程价值的应用技术成果，解决了目前工程中存在的诸多关键问题，从而对原有道路混凝土应用技术进行了拓展、深化和完善，为水泥路面建设提供了丰富的技术储备，对我国交通事业的可持续性发展具有重要的指导意义，因此具有广泛的应用前景。
6存在问题和相关建议
（1）对已铺筑的试验路工程进行长期观测，并在更多的实体工程中推广和应用室内研究成果。
（2）收集更多的基础试验和观测数据，对已建立的道路混凝土组成设计方法进行修正和完善。
（3）加强理论分析和试验研究，综合考虑工作环境对道路混凝土性能的影响和道路混凝土的响应效应，为更加定量和精确的进行组成设计提供依据。
（4）对基于图像分析手段的混凝土气孔结构测试技术进一步升级和发展，完善相应的道路混凝土微观结构评价和控制指标体系。
7结语
通过三年的研究，课题组完成了合同规定任务，建立了道路混凝土组成设计方法体系，编写了适合我国应用实际的《道路混凝土配合比设计方法及应用指南》，相关成果将为我国道路混凝土的组成设计工作提供技术支持，从而有力地促进水泥路面在我国的推广和应用。
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