多孔混凝土路用性能研究

孫艷紅

公路運(yùn)輸是最為便利靈活的交通運(yùn)輸形式,社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)生活必不可少。然而由于水造成路面過早損壞的現(xiàn)象越來越突出,延緩和防止高速公路路面早期水損害已成為當(dāng)前公路建設(shè)迫切需要解決的問題之一,也是道路工程界面臨的重大課題之一。根據(jù)治理水損害宜排不宜堵的思想[1],認(rèn)為解決水損害的根本是將進(jìn)入路面內(nèi)部的自由水盡快排出,而不是采用設(shè)置防水層或采用密級配混凝土。所以在路面的透水性設(shè)計(jì)上成了設(shè)計(jì)師們的一個難題,多孔混凝土由于其透水性能好和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)而被較好的運(yùn)用于公路路面施工中[2]。本文從分析試驗(yàn)出發(fā)研究多孔混凝土的主要路用性能。對多孔混凝土的力學(xué)性能、凍融性能和疲勞性能進(jìn)行研究,并結(jié)合相關(guān)機(jī)理進(jìn)行分析,為公路路面的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

1 力學(xué)性能

多孔混凝土作為一種水泥穩(wěn)定類材料,同普通混凝土一樣,其抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度存在關(guān)聯(lián)。采用表1的級配比的試驗(yàn)得出多孔混凝土的28 d抗彎拉強(qiáng)度 fr與抗壓強(qiáng)度fc關(guān)系見表2。

表1 集料的級配表

表2 多孔混凝土的 fr/fc值(折壓比)

從表2可以看出,多孔混凝土的 fr/fc與級配、水灰比、孔隙率和改性劑摻量有關(guān),只有當(dāng)多孔混凝土材料孔隙率較大和摻入改性劑時得到的結(jié)果較為符合這一結(jié)論。

2 抗凍性能

關(guān)于混凝土受凍破壞機(jī)理各國學(xué)者進(jìn)行了很多研究,并提出眾多學(xué)說如靜水壓理論、滲透壓理論、Fagerlund的臨界飽水程度理論、Cady的雙機(jī)制理論以及Setzer的微冰晶透鏡模型理論。其中以美國的T.C.Powers提出的靜水壓理論和Helmuth的滲透壓理論較受重視。

靜水壓理論[3]:1)冰首先在混凝土的凍表面上形成,把試件內(nèi)部封閉起來;2)由于結(jié)冰膨脹所造成的壓力迫使水分向內(nèi)進(jìn)入飽和度較小的區(qū)域;3)混凝土滲透性較大時,形成水壓梯度,對孔壁產(chǎn)生壓力;4)隨著冷卻速度的加快,水飽和度的提高和氣孔間隔的增大以及滲透性和氣孔尺寸的減小,水壓將會增高;5)當(dāng)水壓超過了混凝土抗拉極限強(qiáng)度時孔壁就會破裂,混凝土受到損害;6)如果在氣溫上升結(jié)冰融解之后又發(fā)生凍結(jié),這種反復(fù)出現(xiàn)的凍融交替具有累積的作用,使混凝土的裂縫擴(kuò)張,表面剝落直至完全瓦解。

滲透壓理論:含有未凍水的孔與含冰和離子溶液的大孔之間的滲透壓(毛細(xì)孔與凝膠孔內(nèi)溶液之間的濃度差會引起凝膠孔向毛細(xì)孔中的擴(kuò)散,從而形成了滲透壓),趨于平衡使孔壁的壓力增加。即使水中沒有離子溶解時,水分子從小孔到含冰孔擴(kuò)散時也有類似滲透壓作用。

3 疲勞性能

水泥混凝土的疲勞方程有兩種形式:單對數(shù)疲勞方程和雙對數(shù)疲勞方程。單對數(shù)疲勞方程以擬合試驗(yàn)結(jié)果為主,在試驗(yàn)應(yīng)力水平范圍內(nèi)是適用的,但向外延伸就缺乏可信度。在實(shí)際應(yīng)用中,如需了解低水平時的疲勞壽命,就要將疲勞曲線沿應(yīng)力水平趨近零方向延伸,使用雙對數(shù)方程可以滿足這一要求。雙對數(shù)方程形式為:

其中,S為應(yīng)力水平;a,b均為回歸系數(shù);N為疲勞壽命。

多孔混凝土的疲勞方程應(yīng)與普通水泥混凝土有相似的形式。試驗(yàn)[1]對多孔混凝土施加的荷載循環(huán)特征系數(shù)R只取了0.08一個值,不討論荷載循環(huán)特征系數(shù)對多孔混凝土疲勞壽命的影響。

對于水泥或二灰穩(wěn)定粒料類及穩(wěn)定土類等常用半剛性基層,有關(guān)研究者已由室內(nèi)小梁和中梁彎拉疲勞試驗(yàn)和劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果,整理得到失效概率為50%疲勞方程,如式(2),式(3)。為了方便比較,將普通混凝土的疲勞方程(4)、文獻(xiàn)[4]的多孔混凝土疲勞方程(5),以及文獻(xiàn)[5]得到的貧混凝土疲勞方程(6)列入進(jìn)行比較。

多孔混凝土、水泥混凝土、文獻(xiàn)[4]多孔混凝土、貧混凝土四種材料疲勞方程斜率相差不大。但是仍可以得出,在相同的應(yīng)力水平條件下對應(yīng)的疲勞壽命以水泥混凝土最大。

由試驗(yàn)結(jié)果變異性的分析和疲勞性能對比,基層材料的疲勞壽命的長短與強(qiáng)度以及強(qiáng)度的變異水平最為相關(guān)。為保證多孔混凝土的抗疲勞性能,在多孔混凝土基層強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的同時,室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場施工時應(yīng)盡可能的減少強(qiáng)度的變異,從而減少薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。

4 結(jié)語

多孔混凝土基層材料作為一種新型道路基層材料,與通常水泥穩(wěn)定類等基層材料相比,在路用性能方面表現(xiàn)出特殊性:

1)在力學(xué)性能方面,多孔混凝土的強(qiáng)度與孔隙率、級配粒徑和改性劑摻量相關(guān),當(dāng)孔隙率變小、級配粒徑減小、改性劑摻量增加時,其強(qiáng)度增加。多孔混凝土的不同強(qiáng)度之間有著良好的相關(guān)性。與常用水泥穩(wěn)定類等基層材料相比,具有更高的力學(xué)強(qiáng)度。2)在抗凍性能方面,多孔混凝土的抗凍性能與孔隙率和級配粒徑相關(guān),當(dāng)孔隙率在一定范圍內(nèi)增加、級配粒徑減小時,其抗凍融能力增強(qiáng)。與常用水泥穩(wěn)定類等基層材料相比,由于多孔混凝土具有良好的排水性能,引起凍融的介質(zhì)水通常只存在于與底基層的層間結(jié)合部位,因此具有更好的抗凍性能。3)在疲勞性能方面,多孔混凝土的疲勞性能與孔隙率、級配粒徑和改性劑摻量相關(guān),當(dāng)孔隙率變小、級配粒徑減小、改性劑摻量增加時,其強(qiáng)度增加,抗疲勞能力增強(qiáng)。與其他常用道路基層材料相比,多孔混凝土具有更好的抗疲勞性能。

多孔混凝土由于它的排水性能好和強(qiáng)度高的特點(diǎn),在公路路面的運(yùn)用上有其他材料無法比擬的優(yōu)勢。本文通過對它的力學(xué)性能、抗凍性能和疲勞性能進(jìn)行分析,為公路路面的設(shè)計(jì)和使用提供了參考。

[1]張鵬飛.路面內(nèi)部排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,1999:9.

[2]鄧學(xué)鈞,黃曉明.路面設(shè)計(jì)原理與方法[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]ASTM C666-97,Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing[S].

[4]鄭木蓮.多孔混凝土排水基層研究[D].西安:長安大學(xué)博士學(xué)位論文,2004.

[5]孫家偉.貧混凝土基層混凝土路面研究[D].西安:長安大學(xué),2001.