宁波海螺水泥有限公司（以下简称“公司”）18855529712 15240056609 13586581468是安徽海螺水泥股份有限公司控股子公司，是国内带有万吨级自备码头的水泥粉磨站之一。座落于浙江省宁波经济技术开发区，与“东方大港”——宁波北仑港相邻，地理位置优越，具有得天独厚的水陆运输条件。
Table 2 Parameters for pavement structure
材料 弹性模量 /MPa 密度 /kg · m -3 泊松比 内摩擦角 / º 内聚力 /kPa
水泥混凝土 30000 2500 0.3 / /
石灰土 700 1750 0.35 32 90
黄土 100 1800 0.3 22 56
除弹性模量 和泊松比外，水泥混凝土面板的抗拉强度和断裂能均采用的 上一节中 确定出的表 1 中
的 数 值 3.33 MPa 和 124 N/m 。
图 6 路 面 结 构 示 意 图 （ 单 位 ： mm ）
Fig.6 Sketch of pavement structure (unit: mm)
冲 击 荷 载 作 用 在 以 道 路 中 心 为 圆 心 ， 半 径 为 0.15 m 的 圆 形 区 域 内 。 图 7 所 示 为 冲 击 荷 载 的 时 程
曲 线 ， 总 作 用 时 间 为 34 ms ， 峰 值 为 1.4 MPa ， 为 标 准 FWD 荷 载 曲 线 的 2 倍 。
图 7 FWD 荷 载 作 用 曲 线 Fig.7 Loading curve of FWD
本文着重探讨水泥混凝土面板在有 不同初始裂缝长度和位置的情况下，冲击荷载对裂缝扩展的影
响。主要分析了以下两种工况： ① 初始裂缝长度 对裂缝扩展的影响
初 始 裂 缝 设 置 在 荷 载 加 载 区 域 中 心 正 下 方 的 面 层 内 ， 具 体 位 置 如 图 8 所 示 ， 其 中 P 为 FWD 荷 载 作 用 区 域 ， 分 别 设 置 裂 缝 初 始 长 度 l 与 面 层 厚 度 h 的 比 为 1/18 ， 1/9 ， 1/6 和 2/9 这 四 种 不 同 情 况 。
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陈扬等 含初始裂缝的水泥路面对冲击荷载的响应研究 5
图 8 初始裂缝位置和长度示意图
Fig.8 Sketch of initial crack position and length
② 初始裂缝 位置对裂缝扩展特性的影响
保 持 初 始 裂 缝 长 度 l 与 面 层 厚 度 h 的 比 为 1/9 不 变 ， 分 别 设 置 初 始 裂 缝 与 荷 载 作 用 中 心 的 距 离 b
与 板 宽 B 的 比 为 0 ， 0.05 ， 0.10 和 0.15 这 四 种 不 同 情 况 ， 见 图 9 。
图 9 裂缝位置示意图
Fig.9 Sketch of initial crack position
3. 计 算 结果 与讨 论
3.1 初 始 裂 缝 长 度 对 裂 缝 扩 展 的 影 响
图 10 所 示 为 初 始 裂 缝 长 度 l 与 面 层 厚 度 h 的 比 l / h 分 别 为 1/18 ， 1/9 ， 1/6 和 2/9 时 ， 在 冲 击 荷 载 作 用 下 终 扩 散 的 裂 缝 长 度 。 由 图 10 可 见 ， 当 l / h 为 1/18 时 ， 初 始 裂 缝 扩 展 到 混 凝 土 面 层 中 部 即 停 止 ； 而 在 其 余 三 种 情 况 下 （ l / h 为 1/9 ， 1/6 和 2/9 ） ， 初 始 裂 缝 扩 展 到 了 水 泥 混 凝 土 板 的 顶 部 ， 整 个 水
泥混凝土面层产生 了贯穿裂缝。
图 11 （ a ） 和 （ b ） 分 别 给 出 了 水 泥 混 凝 土 面 板 冲 击 荷 载 作 用 中 心 点 的 沉 降 时 程 曲 线 以 及 前 0.16s 的 沉 降 时 程 曲 线 放 大 图 。 由 图 11 可 知 ， 在 冲 击 荷 载 作 用 下 ， 荷 载 作 用 中 心 点 的 沉 降 与 冲 击 荷 载 作 用
曲线类似，先迅速达到峰值，然后再回弹到一个稳定值，且达到大沉降的时间比冲击荷载峰值作用 时间有滞后。初始裂缝长度对沉降的影响与终裂缝扩散长度的影响类似。初始裂缝长度 l 与面层 厚 度 h 的 比 l / h 为 1/9 ， 1/6 和 2/9 时 ， 沉 降 时 程 曲 线 几 乎 一 致 ， 且 在 这 三 种 情 况 下 产 生 的 沉 降 均 大 于 l / h 为 1/18 。
l/h 裂缝初始位置 裂 缝扩 展完 成时
1/18
1/9
1/6
2/9
图 10 初 始 裂 缝 长 度 不 同 时 终 扩 展 的 裂 缝
Fig.10 Final crack produced with different crack length
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6 北京航空航天大学学报
（ a ）全时程曲线
（ b ）时程曲线前 0.16s 放大图
图 11 加 载 中 心 点 沉 降 随 时 间 变 化 曲 线
Fig.11 Settlement-time curve at loading center
图 12 所 示 为 冲 击 荷 载 作 用 中 心 点 达 到 大 峰 值 沉 降 时 路 面 弯 沉 盆 曲 线 。 由 图 12 可 见 ， 随 着 路 面
点与荷载作用中心点距离的增加，路面的沉降随之减小。初始裂缝长度的不同主要对荷载作用中心 1m 范 围 内 的 沉 降 有 较 大 影 响 。
峰 值 沉 降 时 刻 路 面 加 载 中 心 点 沉 降 随 深 度 的 变 化 曲 线 如 图 13 所 示 。 由 图 13 可 知 ， 沉 降 主 要 在 石 灰土和黄土中产生，随深度增加 沉降呈递减的趋势。初始裂缝长度的不同主要影响的是 面层以下约 5
倍水泥混凝土面层厚度 范围内（水平虚线以上范围 ）石灰土和黄土的压缩变形。且与荷载作用中心点 沉 降 时 程 规 律 类 似 ， 初 始 裂 缝 长 度 l 与 面 层 厚 度 h 的 比 l / h 为 1/9 ， 1/6 和 2/9 时 ， 沉 降 随 深 度 曲 线 几 乎 一 致 ， 且 在 这 三 种 情 况 下 的 沉 降 均 大 于 l / h 为 1/18 。
公司的前身是宁波星港水泥有限公司，当时是国家“八五”重点工程之一，与铜陵海螺水泥公司项目配套建设，年产规模70万吨；1997年8月25日，由安徽海螺水泥股份有限公司兼并控股，并更名为宁波海螺水泥有限公司；2000年技改扩建后，年产规模增加到150万吨；2003年再次扩建后，年产规模达到了280万吨，实际产能可达到360万吨。
公司总占地面积11.2万平方米，拥有四条带预粉磨工艺生产线，技术先进，拥有4台Ф4.2×11m球磨机，RPV120-80辊压机等先进设备。现有员工250人，其中大专以上学历占20％，专业技术骨干占10％。
公司产品主要有42.5级普通硅酸盐水泥和32.5级复合硅酸盐水泥，525、625、425R、525R、625R硅酸盐水泥，主要销往宁波及周边市场，产品被广泛用于宁波大桥、大榭公铁大桥、沿海高速公路、北仑电厂、白溪水库等国家重点工程。主要销售区域有舟山、绍兴、北仑、奉化、宁海、象山、慈溪、江东、江北、鄞州、高新区、台州、杭州湾
随着公司规模不断地扩大，在各级部门的大力支持下，凭借海螺集团雄厚的资本优势和先进的管理经验，公司运营有序，年产值近十亿元，取得了良好的经济效益和社会效益。2003年被评为“中国建材百强企业”，2005被评为“宁波市百强企业”、“宁波市纳税50强工业企业”等荣誉称号。
公司将继续以“至高品质、至诚服务”为经营宗旨，以“团结、创新、敬业、奉献”的企业精神，为“人类创造未来的生活空间”作贡献。白水泥,硅酸盐水泥,325R水泥,425水泥,525水泥,625水泥,PS矿渣硅酸盐水泥,PC复合硅酸盐水泥,白色硅酸盐水泥
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图 4 为随机分布碳纤维增强水泥砂浆与
定向碳纤维增强水泥砂浆的断裂面图像。其 中图 4(a) 为随机分布碳纤维增强水泥砂浆断
裂面的纤维排布情况，可以看到纤维取向杂 乱；图 4(b) 为定向碳纤维增强水泥砂浆断裂
面的纤维排布情况，可以看到纤维分散情况 良好；整体具有统一的排布方向。与图 4(a)
相比较，证明磁场诱导定向效果显著。
图 4 随机分布碳纤维增强水泥砂浆 (a) 和定向碳纤维
增强水泥砂浆的断面图像 (b)
Fig.4 Sectional surface images of random carbon fibers reinforced cement mortar (a) and aligned
carbon fibers reinforced cement mortar (b)
图 5 为 0.45 和 0.55 水灰比定向碳纤维
增强水泥砂浆的方向系数随掺量变化的情 况。可以明显的看出水灰比为 0.55 定向碳纤
维增强水泥砂浆的方向系数优于水灰比为 0.45 定向碳纤维增强水泥砂浆的方向系数；
且随着纤维掺量的增长，定向碳纤维增强水 泥砂浆的方向系数不断下降。如图 5 所示，
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复合材料学报
Acta Materiae Compositae Sinica ISSN 1000-3851 CN 11-1801/TB
碳纤维掺量未超过 0.50wt.% 前，方向系数下 降的并不多，碳纤维掺量超过 0.50wt.% 后，
方向系数下降幅度增大。原因在于水泥砂浆 拌合物的稠度是影响纤维方向系数的重要 因素；水灰比越低，水泥砂浆越稠，浆体绕 流阻力越高，纤维在磁场的作用下难以偏转 定向。纤维掺量增大不仅会影响水泥砂浆的 稠度，还会导致单位体积的拌合物中所含纤 维数增多，纤维的相对活动的区域缩小，很 大程度上影响了纤维的定向效果。
宁波PC复合硅酸盐水泥,宁波白色硅酸盐水泥,北仑白水泥
水 泥 砂 浆 抗 压 强 度 分 别 提 升 了 23.7% 、 12.6% 、 16.8% 、 7.5% 。在纤维掺量没有达到 0.50wt.% 前，定向碳纤维增强水泥砂浆的抗 压强度持续增长，当纤维掺量超过 0.50wt.%
后，抗压强度有略微的降低，可见抗压强度 并不是随着碳纤维掺量的提高而持续增长 的。原因在于随着碳纤维掺量的提高，水泥 砂浆中单位体积内的纤维数增加，这使得纤 维之间相互搭接的几率变大，更容易缠结形 成纤维团；在磁场的诱导下，纤维团严重影
1.0
0.9
0.8
0.7
0.45 Water-cement ratio 0.55 Water-cement ratio
响纤维的定向偏转，限制了定向纤维阻止基 体横向变形的能力；还会减少纤维与基材的 接触面积，降低纤维与基材的粘结力，造成 水 泥 砂浆 内部 薄 弱区 扩大 ， 微观 空隙 增 多， 材料的密实性下降，因此定向碳纤维增强水 泥砂浆的抗压能力在 碳纤维掺量提高后受 到影响。
0.6
80
(a) 0.45 Water-cement ratio
7d 28d 56d 90d
70.7
0.5
V t —— 无水分损失情况下水泥浆体在 t 时刻的体积， cm 3 ； V Pt —— 采用氦流法测得的水泥浆体在 t 时刻体积， cm 3 ； m 1 —— 采用氦流法测试前水泥浆体的质量， g ； m 2 —— 采用氦流法测试后水泥浆体的质量， g ；
N t —— 采用氦流法测试过程中在 t 时刻已完成的循环次数，次； N —— 采用氦流法测试前设定的循环总数，次；
ρ w —— 水的真密度， g · cm -3 。
根据 ASTM C 1608-12 [18] 对水泥浆体化学收缩 ( 即体积变化 ) 的定义，水泥浆体 t
时刻的体积变化可以通过式 (4) 计算得到。
(2)
(3)
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(4)
式中：
V 0 —— 水泥与水混合前的体积之和， cm 3 ；
μ —— 水灰比；
ρ c —— 水泥的真密度， g · cm -3 ；
m c —— 水泥的质量， g ；
S t —— 水泥浆体 t 时刻的体积变化， cm 3 · g -1 。
水泥水化热的测定按照国家标准《水化热测定方法》 (GB/T 12959-2008) 规定的直接法
( 代用法 ) 进行。
水 泥 浆 体 1 d 龄 期 抗 压 强 度 的 测 定 参 考 国 家 标 准 《 水 泥 胶 砂 强 度 检 验 方 法 》 (GB/T
17671-1999) 规定的方法进行。其中，水泥浆体的拌制按照国家标准《水泥标准稠度用水量、
凝结时间、安定性检验方法》 (GB/T 1346-2011) 中规定的拌制方法进行，试件成型所用模具
的尺寸为 20 mm × 20 mm × 20 mm ，测试时压力机的加载速率为 (2400 ± 200) N · s -1 。
此外，水泥浆体的 X 射线衍射分析 (XRD) 、热重分析 (TG-DTA) 和氮吸附测试分别采
用日本 D/MAX 2550VB3+/PC 型 X 射线衍射分析仪、德国 NETZSCH STA 449C 型综合热分
析仪以及贝士德仪器科技 ( 北京 ) 有限公司 3H-2000PS2 型静态容量法比表面及孔径分析仪
进行。
2. 结果与讨论
2.1 水泥水化过程的划分
图 1 为采用氦流法和水化热法对水泥水化过程的划分。从图中可以看出，两组曲线的特
征点具有很好的对应性，这主要得益于这两种方法均可以对水泥水化过程进行实时测试这一
优点。
根据水泥浆体体积变化曲线的特点，并参考水化放热速率曲线，可以将水泥水化过
程划分为以下 4 个阶段： 1) 极速收缩期：水泥浆体体积变化曲线出现陡降峰，呈垂直
下降趋势，水化放热速率曲线出现个放热峰，该阶段与水化热法的溶解期相对应； 2) 收
缩暂停期：水泥浆体的体积变化速率急剧降低，曲线变得非常平缓，水泥浆体的体
积以极小的速率呈线性规律缓慢减小，水化放热速率保持在一个极低的水平，该阶段与水化
热法的诱导期相对应； 3) 快速收缩期：水泥浆体的体积出现先微膨胀后急剧收缩的现
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象，且体积变化的幅度较大，其变化曲线的微膨胀段可与水化放热速率曲线的加速段相对应，
而其急剧收缩段则可与水化放热速率曲线的减速段相对应； 4) 收缩趋缓期：水泥浆体的绝
对体积出现反常的 “ 膨胀 ” 现象，而水化放热速率则降到基本为零，该阶段与水化热法的稳定
期相对应。
图 1 采用氦流法和水化热法对水泥水化过程的划分
Figure 1 Hydration process of Portland cement divided by pycnometry and heat flow
2.2 不同水化阶段的水化行为分析
0.25 0.50 0.75 1.00
Fiber content /wt.%
60
宁波PC复合硅酸盐水泥,宁波白色硅酸盐水泥,北仑白水泥
48
58.4 53.4
66.9
58.9
冀公网安备13010402002588