[博士]公路隧道高性能多孔水泥混凝土路面研究

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　　[博士]公路隧道高性能多孔水泥混凝土路面研究　　學科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：中南大學　　學位年度：2007　　圍繞公路隧道路面工作環(huán)境，針對普通水泥混凝土路面抗滑構造衰減快和行車噪音過大的主要問題，本文提出高性能路面概念，闡述多孔水泥混凝土作為一種抗滑、低噪音新路面形式和材料的優(yōu)勢與可行性。挖掘多孔混凝土優(yōu)勢，分析目前應用于路面工程存在的問題和解決途徑，研究制備高強、耐久、抗滑和降噪路用多孔混凝土的各項技術措施，并探討實際應用中一系列相關問題。功能型路面技術的開發(fā)是新穎的熱點課題，面層多孔水泥混凝土制備技術及其路用性能的研究是高性能多孔路面技術的基礎和關鍵，對減少隧道路面病害、提高路面質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。本文提出下述研究結(jié)論和建議:　　 1、研究輪胎一路面摩擦機理，指出抗滑路面應具備合理、協(xié)調(diào)的微紋理和構造深度、迅速排水及抵抗車輪沖擊和磨蝕破壞的能力強。研究輪胎一路面噪音機理，將多孔混凝土路面的降噪能力歸因于多孔材料吸收噪音、孔隙結(jié)構共振消能、柔性阻尼材料減振與能量耗散、隨機凸凹表面對聲音的漫反射及表面構造參數(shù)的優(yōu)化等?！　? 2、材料的磨蝕是工作條件和時間的函數(shù)，提出水泥混凝土路面的磨蝕過程為:路面一車輪系統(tǒng)下，受外界環(huán)境(磨粒、溫濕循環(huán)和水的作用等)影響，導致路面接觸表面處材料隨時間被逐漸移失的過程。闡述水泥混凝土路面磨蝕機理、磨蝕程度級別和劃分依據(jù)?！　? 3、自行研制和開發(fā)水泥混凝土路面加速磨耗儀和相關試驗方法，成功實現(xiàn)不同路面形式磨蝕過程和抗滑構造衰減規(guī)律的模擬試驗研究，并建立數(shù)學模型，得出結(jié)論:槽型路面和露石路面的磨蝕過程隨路面抗滑構造形式和承磨主體而變化，體現(xiàn)明顯的階段性，二者抗滑構造理論使用壽命分別為4~5年和7~8年左右;而多孔路面磨蝕程度小，磨蝕過程平穩(wěn)，無明顯的分階段現(xiàn)象?！　? 4、提出多孔水泥混凝土的理想結(jié)構模型、破壞方式與形成條件，設計面層多孔混凝土的主要技術參數(shù):孔隙率18~22%、抗壓強度等級不低于C35、抗折強度>4. 5~5.0MPa、抗滑構造深度>1.10mm,透水系數(shù)>4.0mm/s、吸聲系數(shù)>0.30和降噪效果>6dB (A) .　　 5、線性分形插值法擬合多孔混凝土斷面輪廓線，研究隨機凸凹表面抗滑降噪能力、斷面輪廓線分數(shù)維D與路表各構造參數(shù)的相關性。依據(jù)路面表面功能性最大化原則，基于不同數(shù)學模型，將構造參數(shù)的優(yōu)化組合成功統(tǒng)一為單參數(shù)指標刀，并首次提出路面構造參數(shù)的優(yōu)化問題實質(zhì)就是D值較大的路面構造設計問題，為多孔混凝土的設計與制備奠定基礎?！　? 6、分析多孔混凝土原材料，尤其是粗骨料的技術指標和性能要求，推薦硬質(zhì)碎石粒徑5~10mm為宜。提倡摻加粉煤灰、硅粉等礦物活性超細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)，研究增強材料對多孔混凝土的改性機理與作用，提出無機膠凝材料最佳搭配水泥((90%)一硅粉(10%)和水泥( 80%)-UFA (12%)一硅粉(8%) , PPCC最佳聚灰比0. 10~0. 15.　　 7、介紹多孔混凝土不同孔隙率的概念及相關性，闡述其工作性試驗、評價與調(diào)整方法。分析孔隙率對多孔混凝土路用性能的影響以及各配合比參數(shù)與路用性能的關系，首次提出成熟的路用多孔混凝土配合比設計方法與步驟，推薦配合比參數(shù)合理范圍。實踐表明，該方法特點突出，效率高，切實可行。研究不同多孔混凝土的室內(nèi)制備工藝，推薦振動壓實法以確保目標孔隙率與正常的孔隙狀態(tài)。　　 8、系統(tǒng)、深入研究不同多孔混凝土的路用性能，各項技術指標尤其是力學性能和孔隙率的控制技術達到國內(nèi)先進和領先水平。具體研究結(jié)論如下:　　 (1) HPPC和PPCC工作性優(yōu)，粘度較大，粘聚性好，易滿足路面薄表層施工要求?！　? (2)抗滑構造衰減緩慢，理論使用壽命遠遠長于普通路面。其中，PPCC耐磨性最強、HPPC次之，普通多孔混凝土相對較差?！　? (3)抗折強度高，>5.0MPa，力學性能滿足相關技術規(guī)范要求;　　 (4)透水系數(shù)>4.0mm/s，容水和透水能力強，輪胎一路面間不易產(chǎn)生有害水膜，濕抗滑能力增強;　　 (5)吸聲系數(shù)>>0. 30，吸聲能力強;降噪效果多孔混凝土最優(yōu)，露石混凝土其次，而槽型混凝土最差?！　? (6)低干縮材料,隧道環(huán)境下一般不會嚴重干縮開裂;　　 (7)碳化速度快、深度大，但對力學性能無明顯不良影響;　　 (8)耐腐蝕性較強，抗凍性極差。　　 9、多孔混凝土用作結(jié)合式雙層混凝土面層的上層，建議層厚5~8cm。根據(jù)不同多孔混凝土路用性能的特點與優(yōu)勢，對鋪筑在不同交通等級、交通特點和工作環(huán)境的公路路面提出一系列合理化建議?！　? 10、初步探討多孔混凝土面層的施工過程，指出多孔層厚度的保證與目標孔隙率的實現(xiàn)是其施工技術的關鍵，并簡要介紹了具體施工工藝和注意事項。同時，初步討論多孔混凝土路面抗滑、降噪功能的保持與恢復等有關問題。

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