[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(xué)科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：中南大學(xué)　　學(xué)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(gòu)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(yīng)用于路面工程存在的問題和解決途徑，研究制備高強(qiáng)、耐久、抗滑和降噪路用多孔混凝土的各項(xiàng)技術(shù)措施，并探討實(shí)際應(yīng)用中一系列相關(guān)問題。功能型路面技術(shù)的開發(fā)是新穎的熱點(diǎn)課題，面層多孔水泥混凝土制備技術(shù)及其路用性能的研究是高性能多孔路面技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)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(shí)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(jī)理，指出抗滑路面應(yīng)具備合理、協(xié)調(diào)的微紋理和構(gòu)造深度、迅速排水及抵抗車輪沖擊和磨蝕破壞的能力強(qiáng)。研究輪胎一路面噪音機(jī)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(gòu)共振消能、柔性阻尼材料減振與能量耗散、隨機(jī)凸凹表面對聲音的漫反射及表面構(gòu)造參數(shù)的優(yōu)化等。　　 2、材料的磨蝕是工作條件和時(shí)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(dǎo)致路面接觸表面處材料隨時(shí)間被逐漸移失的過程。闡述水泥混凝土路面磨蝕機(jī)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(guān)試驗(yàn)方法，成功實(shí)現(xiàn)不同路面形式磨蝕過程和抗滑構(gòu)造衰減規(guī)律的模擬試驗(yàn)研究，并建立數(shù)學(xué)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(gòu)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(gòu)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(gòu)模型、破壞方式與形成條件，設(shè)計(jì)面層多孔混凝土的主要技術(shù)參數(shù):孔隙率18~22%、抗壓強(qiáng)度等級不低于C35、抗折強(qiáng)度>4. 5~5.0MPa、抗滑構(gòu)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(jī)凸凹表面抗滑降噪能力、斷面輪廓線分?jǐn)?shù)維D與路表各構(gòu)造參數(shù)的相關(guān)性。依據(jù)路面表面功能性最大化原則，基于不同數(shù)學(xué)模型，將構(gòu)造參數(shù)的優(yōu)化組合成功統(tǒng)一為單參數(shù)指標(biāo)刀，并首次提出路面構(gòu)造參數(shù)的優(yōu)化問題實(shí)質(zhì)就是D值較大的路面構(gòu)造設(shè)計(jì)問題，為多孔混凝土的設(shè)計(jì)與制備奠定基礎(chǔ)?！　? 6、分析多孔混凝土原材料，尤其是粗骨料的技術(shù)指標(biāo)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(xì)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(qiáng)材料對多孔混凝土的改性機(jī)理與作用，提出無機(jī)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(guān)性，闡述其工作性試驗(yàn)、評價(jià)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(guān)系，首次提出成熟的路用多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法與步驟，推薦配合比參數(shù)合理范圍。實(shí)踐表明，該方法特點(diǎn)突出，效率高，切實(shí)可行。研究不同多孔混凝土的室內(nèi)制備工藝，推薦振動(dòng)壓實(shí)法以確保目標(biāo)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)尤其是力學(xué)性能和孔隙率的控制技術(shù)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)和領(lǐng)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(gòu)造衰減緩慢，理論使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于普通路面。其中，PPCC耐磨性最強(qiáng)、HPPC次之，普通多孔混凝土相對較差?！　? (3)抗折強(qiáng)度高，>5.0MPa，力學(xué)性能滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求;　　 (4)透水系數(shù)>4.0mm/s，容水和透水能力強(qiáng)，輪胎一路面間不易產(chǎn)生有害水膜，濕抗滑能力增強(qiáng);　　 (5)吸聲系數(shù)>>0. 30，吸聲能力強(qiáng);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(huì)嚴(yán)重干縮開裂;　　 (7)碳化速度快、深度大，但對力學(xué)性能無明顯不良影響;　　 (8)耐腐蝕性較強(qiáng)，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(diǎn)與優(yōu)勢，對鋪筑在不同交通等級、交通特點(diǎn)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(biāo)孔隙率的實(shí)現(xiàn)是其施工技術(shù)的關(guān)鍵，并簡要介紹了具體施工工藝和注意事項(xiàng)。同時(shí)，初步討論多孔混凝土路面抗滑、降噪功能的保持與恢復(fù)等有關(guān)問題。

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