粉煤灰改性透水混凝土路面性能的模型試驗研究

劉肖凡，白曉輝，李繼祥

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430023)

?

粉煤灰改性透水混凝土路面性能的模型試驗研究

劉肖凡，白曉輝，李繼祥

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430023)

為研究粉煤灰改性透水混凝土材料作為道路面層的路用性能以及降雨條件下透水混凝土面層滲水對土基層穩(wěn)定性的影響，實驗室中制作了兩組粉煤灰改性透水混凝土模擬路面，通過對路面在干燥及水飽和狀態(tài)下的加載試驗，得到粉煤灰改性透水混凝土作為面層的承載力分別為3.65 MPa和2.82 MPa，可以滿足輕型荷載道路鋪裝的要求；土基層在水飽和狀態(tài)下承載會導(dǎo)致整體路面的下沉和局部不均勻沉降；對于超出結(jié)構(gòu)層容水能力的透水混凝土路面宜設(shè)置有效排水設(shè)施，避免土基層在應(yīng)力-滲流條件下變形進而影響整體路段穩(wěn)定性。

透水混凝土；粉煤灰改性；模型試驗；承載力；穩(wěn)定性

1　引言

透水混凝土是由特定級配的骨料和粘結(jié)劑形成的連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)材料[1]，用其鋪設(shè)的混凝土路面具有良好的透水、透氣性，將其應(yīng)用于廣場、小區(qū)路面、公園道路及停車場等，對提高行人和行車舒適度、緩解城市熱島效應(yīng)、保持生態(tài)平衡具有良好的效果[2]。然而多孔的結(jié)構(gòu)使得傳統(tǒng)透水混凝土材料的強度較低，只能用于輕型荷載道路。王婷[3]、Baoshan Huang[4]、Weiguo Shen[5]、Miguel Angel Pindado[6]等人采用摻加聚合纖維增強透水混凝土的強度和抗裂韌性，P.Chindaprasirt[7]、Tawatchai Tho-in[8]、Alwattin Kilic[9]等人研究了摻加粘結(jié)劑和礦物添加劑對透水混凝土強度和滲透性能的影響。這些研究都在不同程度上提高了透水混凝土的強度和滲透性能，但主要集中在透水混凝土材料本身的性能，缺少將研究成果應(yīng)用于路段的驗證。透水混凝土鋪筑于路面后，與下部碎石墊層、土基層形成整體共同受力，受到環(huán)境溫度、降雨、車輛荷載等外部因素的影響，其使用性能與體積較小的試件有較大不同。為此，該項研究結(jié)合課題組前期成果選取透水混凝土最佳配合比制作了兩組粉煤灰改性透水混凝土模擬路面，通過對比路面在干燥及水飽和狀態(tài)下的加載試驗，研究粉煤灰改性透水混凝土鋪筑道路面層的性能以及降雨條件下透水混凝土面層滲水對土基層穩(wěn)定性的影響。

2　模型路段制作及試驗方法

選取課題前期研究所得透水混凝土最佳配合比作為模擬路面的面層，即水灰比為0.3，骨灰比為3.5，骨料粒徑為5—10 mm，粉煤灰等量替代水泥摻量為20%，對應(yīng)透水混凝土立方體抗壓強度為20.67 MPa[10]，滿足基層為全透水結(jié)構(gòu)的面層強度要求[11]。根據(jù)文獻[12]的研究綜合考慮尺寸對模型路段的影響，選取模型長×寬×厚為1.6 m×1.2 m×0.3 m，利用建筑模板制作了同等尺寸的頂面未封閉盒子作為試模。首先裝入粘土并壓實形成100 mm厚的土基層；再將不同粒徑的瓜米石按照細沙：碎石(粒徑2.5-10 mm)：碎石(粒徑510-15 mm)：碎石(粒徑15-20 mm)為4：8：2：1的比例混合[13]，均勻鋪攤在土基層上，形成120 mm厚的碎石墊層；最后將攪拌好的透水混凝土在碎石層上從一側(cè)向另一側(cè)逐步鋪攤，同時用振搗棒振搗，面層整體平整之后用小型振動機壓實，形成80 mm厚的面層和結(jié)構(gòu)層，如圖1所示。路段模型成型后在95%濕度條件下養(yǎng)護28d后進行性能測試。

3　試驗過程及結(jié)果分析

3.1透水混凝土結(jié)構(gòu)層孔隙率及滲透性能測定

用鉆芯機在透水混凝土面層鉆取直徑4.5 cm高為7 cm的圓柱體試塊進行孔隙率測定，如圖2所示。測得其孔隙率為19%，滿足規(guī)范要求[13]。

選用降水頭法測定透水混凝土面層的滲透系數(shù)。在透水混凝土面層表面放置帶刻度的容器，底部和面層之間用橡皮泥密封，如圖3所示，從容器頂部加水并記錄水下滲的高度和所用時間，最后根據(jù)達西定律計算其滲透系數(shù)為2.95 cm/s，滿足規(guī)范要求[13]。

圖1　透水混凝土模型路段

圖2　透水混凝土面層鉆芯取樣

圖3　面層滲透系數(shù)測定

3.2透水混凝土結(jié)構(gòu)層承載力測定

3.2.1試驗裝置

參照文獻[14]中車載加載方式，在模型路面中心放置邊長為100 mm的正方形鐵片作為接觸面，模擬對應(yīng)車輪與地面的接觸，鐵片上放置一型鋼支座作，其上放置千斤頂和壓力傳感器。在模型每一邊中點處放置一個百分表測定壓力作用下的位移變化，試驗裝置及模型如圖4、圖5所示。

圖4　加載裝置正面圖

圖5　加載裝置俯視圖

3.2.2試驗過程分析

對于土基層干燥狀態(tài)下的路面加載，以5.3 kN/min的速度逐級加載到36.5 kN，透水混凝土面層開始出現(xiàn)細微裂縫，面層整體有下降但是相對較小。此后荷載不能繼續(xù)增加，裂縫逐漸擴展；當(dāng)荷載回落到33.4 kN時，整個面層沿著中心線的裂縫突然斷裂，形成了一條連接兩端穿過中心點的貫穿裂縫，最大寬度為4 cm，面層各個測量點已經(jīng)有明顯的翹起，失去了承載能力，如圖6所示。面層加載最后破壞如圖7所示。土基層干燥狀態(tài)下的透水混凝土路面的承載能力折算強度為3.65 MPa，滿足規(guī)范對應(yīng)彎拉強度不低于2.5 MPa的要求[11]。

對于土基層水飽和狀態(tài)下路面加載，由于土層塑性大，所施加的荷載不易被保持。當(dāng)荷載增加到10.5 kN時，路面沿著中心加載點出現(xiàn)了一條裂縫，中心加壓點沉降，四邊角點均開始向上拱起；加載到28.2 kN時荷載不能繼續(xù)增加，觀察到面層混凝土產(chǎn)生的裂縫迅速擴展，并貫通至施加荷載中心，并出現(xiàn)其他兩條裂縫，均延伸到加壓中心點位置，最終導(dǎo)致透水混凝土面層的整體破壞，如圖8所示。土基層水飽和狀態(tài)下的透水混凝土路面的承載能力折算強度為2.82 MPa，滿足規(guī)范對應(yīng)彎拉強度不低于2.5 MPa的要求[11]。

圖6　透水混凝土模型加載破壞形態(tài)

圖7　干燥土基層透水混凝土面層裂縫形態(tài)

圖8　水飽和土基層透水混凝土面層裂縫形態(tài)

按照圖5所示加載裝置和百分表的布置方式，選取其中的第2點作為分析點，記錄該點在荷載作用下的位移量，繪制荷載-位移曲線如圖9、圖10所示。兩組圖均表現(xiàn)為隨著荷載的增大，位移先下降后增長。軟土基層第2點位移最大為4.5 cm，堅實土基層第2點最大位移為4.6 cm，說明堅實土基層具有穩(wěn)定的應(yīng)力傳遞作用，為面層提供了良好的支撐，使得透水混凝土面層能夠充分發(fā)揮材料的性能。透水混凝土本身具有的滲透性對土基層的含水量有較大影響，而土基層的穩(wěn)定性影響了透水混凝土面層的承載能力，因此透水混凝土路面的設(shè)計在使其具有較高的透水性和容水能力的同時，應(yīng)設(shè)置有效排水設(shè)施，以免土基層濕陷對透水混凝土面層的承載力造成影響。

圖9　軟土基透水混凝土2測點荷載位移

圖10　堅實土基透水混凝土2測點荷載位移

4　結(jié)論

(1)粉煤灰透水混凝土作為路面面層，實測孔隙率達到19%，滲透系數(shù)達到2.95 cm/s，具備良好的滲透性能。

(2)粉煤灰透水混凝土面層的最大承載力為3.65 MPa，土基層水飽和狀態(tài)下承載力為2.82 MPa，均滿足規(guī)范中的要求，驗證了粉煤灰改性透水

混凝土路面應(yīng)用于輕交通路面的可行性。

(3)粉煤灰透水混凝土良好的滲透性對土基層的含水量有較大影響，進而降低了透水混凝土面層的承載能力，應(yīng)設(shè)置有效排水設(shè)施，以免土基層因雨水入滲沉降影響整體路段穩(wěn)定性。

[1]張賢超，尹健，池漪. 透水混凝土性能研究綜述[J]. 混凝土，2010(12)：47-50.

[2]楊善順.環(huán)境友好型混凝土-透水混凝土[J].廣東建材，2004(10)：36-39.

[3]王婷，劉肖凡，李繼祥剛性聚合纖維對透水混凝土改性的試驗研究[J].混凝土，2012(12)：117-119.

[4]Baoshan Huang, Hao Wu, Xiang Shu, et al. Laboratory evaluation of permeability and strength of polymer-modified pervious concrete[J]. Concrete and Building Materials, 2010(24):818-823.

[5]Weiguo Shen, Lai Shan, Tao Zhang, et al. Investigation on polymer-rubber aggregate modified porous concrete[J]. Construction and Building Materials, 2014(38):667-674.

[6]Miguel Angel Pindado, Antonio Aguado, Alejandro Josa. Fatigue behavior of polymer-modified porous concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1999(29):1077-1083.

[7]Chindaprasirt P, Hatanaka S, Mishima N, et al. Effects of binder strength and aggregate size on the compressive strength and void ratio of porous concrete[J]. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2009(6):714-719.

[8]Tawatchai Tho-in, Vanchai Sata, Prinya Chindaprasirt, et al. Pervious high-calcium fly ash geopolymer concrete[J]. Construction and Building Materials, 2012(30):366-371.

[9]Alaettin Kilic, Cengiz Duran Atis, et al. High-strength lightweight concrete made with scoria aggregate containing mineral admixtures[J]. Cement and Concrete Research, 2003(33):1595-1599.

[10]劉肖凡，白曉輝，王展展.粉煤灰改性透水混凝土試驗研究[J].粉煤灰與水泥制品，2014(1)：20-24.

[11]胡倫堅.CJJ/T135—2009，透水水泥混凝路面技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[12]段正君.水泥混凝土路面板合理平面尺寸研究[D].西安：長安大學(xué)，2007.

[13]袁峻，邵敏華，黃曉明.級配碎石的級配選擇[J].公路，2005(12)：140-145.

[14]馬晉.土工格室加固碎石基層承載能力試驗研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

Experimentalresearch on pavement model of permeable concrete with fly ash

LIUXiao-fan,BAIXiao-hui,LIJi-xiang

( School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023 China)

In order to study the pavement performance of permeable concrete with fly ash, and the effect to the stability of soil subgrade while raining, two pavement models, one is dry and the other is saturated of water, are tested. Experiments show that the carrying capacity of dry and saturated permeable concrete with fly ash reachs to 3.65MPa and 2.82MPa, which could meet the demands of the light load Road. The saturated soil subgrade bared load will result in uneven sink of the road. When the rainfall exceed the water holding capacity of the road structural layer, drainage facilities should be placed to the permeable concrete to avoid affect the stability of the road.

permeable concrete；fly ash；model test；bearing capacity；stability

2016-08-10.

劉肖凡(1981-)，男，博士，副教授，E-mail:hnsfine@163.com.

湖北省教育廳科技計劃項目(Q20131702).

2095-7386(2016)03-0056-04

10.3969/j.issn.2095-7386.2016.03.010

TU 528.572

A