多孔混凝土作為道路基層材料的性能研究

徐韻淳

摘要 闡述多孔混凝土作為道路基層材料的性能特征，分析實驗原料及其性能，進行性能實驗，包括抗壓強度、抗彎拉強度、抗凍性能、沖擊韌性、透水系數(shù)、耐磨性，得到項指標均符合標準要求的結(jié)論。以期為多孔混凝土在道路基層中的應用提供參考，使道路基層能夠滿足荷載要求，強化路面結(jié)構(gòu)排水能力。

關鍵詞 多孔混凝土;道路基層材料;性能特征;抗壓強度

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0169-03

0 引言

在現(xiàn)代化城市中，透水性道路是六字建設方針“滲”的重要技術途徑，目前透水性道路研究多集中于表面層，這種單層排水性路面的雨水容納空間小，水分無法往下滲透。該文研究的多孔混凝土，作為透水性道路基層，強度高、透水性好，為現(xiàn)代化城市建設提供了推動力。

1 多孔混凝土作為道路基層材料的性能特征

1.1 高強度要求

常規(guī)混凝土骨料種類決定了結(jié)構(gòu)強度，提高混凝土強度，需要增加水泥原材料和外加劑強度，實踐難度較大[1]。多孔混凝土在原材料選擇中優(yōu)先選擇壓碎指標值較低的骨料，按照合理配合比混合水泥、外加劑等其他原材料，獲得高于常規(guī)混凝土的強度。多孔混凝土配合不需要砂子等細骨料，通過水泥、水、外加劑等原材料粘合粗骨料，形成具有強度和連通空隙的混凝土材料，為強度理想的道路基層材料。

1.2 透水性要求

多孔混凝土內(nèi)部空隙較多，空隙率達到15%以上，空隙之間屬于相互連通狀態(tài)，空隙能夠提高道路雨水和積水滲透率，為雨水和積水排出提供便利條件，多孔混凝土透水性較強。道路雨水和積水及時排出，抵御暴雨、洪水等自然災害侵襲，降低洪澇災害發(fā)生頻率，充分保護地下淡水資源。多孔混凝土緩解了城市排水系統(tǒng)運行壓力，配合地下排水設施共同應用，形成良好的地下排水結(jié)構(gòu)。

2 原材料及性能

2.1 水泥

水泥在多孔混凝土配合中應用，能夠膠結(jié)粗骨料，不同類型、不同強度等級水泥的化學成分及應用性能有所差別，會對多孔混凝土性能產(chǎn)生不同影響，需要結(jié)合實際需求選擇和配合[2]。

水泥性能評價指標有密度、細度、比表面積、初凝時間等，下面以P·O 42.5級水泥為例，分析水泥性能。

2.2 粗骨料

粗骨料選擇需要結(jié)合多孔混凝土道路基層鋪設所需強度和薄厚程度，通常選擇偏圓形碎石，偏圓形碎石空隙率較大，表面粗糙適合掛漿。粗骨料粒徑不宜過大，需要控制在25 mm之內(nèi)，可以適當摻加細骨料，不宜過多。

粗骨料粒級分布分為間斷級配、連續(xù)級配、單一級配3種，不同粒級分布粗骨料空隙堆積形態(tài)不同。間斷級配、單一級配粗骨料能夠提高多孔混凝土透水性。從力學角度來講，連續(xù)級配粗骨料能夠確保多孔混凝土強度，需要結(jié)合實際需求進行選擇，為確保多孔混凝土的透水性，普遍選擇間斷級配、單一級配粗骨料，將粗骨料堆積的空隙率控制在35%～47%之間。

粗骨料性能評價指標有粒徑范圍、堆積密度、表觀密度、碎石壓碎率、孔隙率、含泥量等[3]。

2.3 粉煤灰

粉煤灰為活性混合材料，為煤炭燃燒的副產(chǎn)物，通過收塵裝置收集。粉煤灰在多孔混凝土配合中應用，能夠發(fā)揮活性效應，改善多孔混凝土性能，緩解粉煤灰導致的環(huán)境污染問題。可以在多孔混凝土配合現(xiàn)場就近進行粉煤灰取材，不同工廠獲得的粉煤灰粒徑有所差別，基本在140～160 μm之間。

粉煤灰性能評價指標有細度、燒失量等。堿性環(huán)境有利于激發(fā)粉煤灰發(fā)揮活性效應;粉煤灰中的二氧化硅能夠推動水泥在水化反應中生成硅酸鹽凝膠相，提高粉煤灰化學活性。

2.4 綠泥石粉

綠泥石屬于礦山開采之后的固體廢棄物，以塊狀、粉狀、粒狀等形式存在[4]。綠泥石粉被填充到間斷級配粗骨料中，確保顆粒級配及化學成分合理程度，改善多孔混凝土應用性能。技術團隊將各種形式的綠泥石碾碎成粉末狀，形成一定細度的綠泥石粉，將其填充到粗骨料中，提高多孔混凝土強度，降低道路基層施工成本。

綠泥石粉性能評價指標有細度和化學成分，選擇不同尺寸篩孔進行篩分析，通過分析結(jié)果確定細度。

2.5 膠結(jié)劑

膠結(jié)劑在多孔混凝土配合中的應用，能夠粘合粗骨料等其他原材料，提高多孔混凝土強度，需要結(jié)合實際需求選擇。多孔混凝土性能實驗中應用的膠結(jié)劑為實驗室自制，為聚合物，主要成分為SiO2，由特殊工藝制作而成，可緩解水泥水化反應，增強水泥水化后漿體的粘結(jié)強度和抗壓強度，提高多孔混凝土耐久性。

膠結(jié)劑性能評價指標有活性SiO2含量、延伸率等。

3 性能實驗及分析

3.1 配合比設計結(jié)果

進行多孔混凝土配合比設計，需要考慮孔隙率需求，確保多孔混凝土能夠形成具備一定強度、結(jié)構(gòu)較為密實的整體[5]。應用體積法進行配合比設計，即通過計算孔隙體積與各個原材料體積的比例來進行配合比。

確定多孔混凝土性能實驗配合比設計結(jié)果如下：322.60 kg/m水泥，1 653.26 kg/m粗骨料，165.30 kg/m

綠泥石粉，35.84 kg/m粉煤灰，11.37 kg/m膠結(jié)劑，106.11 kg/m水。

3.2 實驗設備及步驟

多孔混凝土性能實驗設備包括電子天平、砂漿攪拌器、模具、振動壓實成型機、上置式振動器、萬能試驗機、抗彎拉試驗裝置、凍融試驗機、透水系數(shù)試驗裝置。需要結(jié)合實際需求選擇相應型號的實驗設備[6]。

多孔混凝土性能實驗應用砂漿裹石配合工藝，即在粗骨料表面增加水泥漿體，增加粘結(jié)強度，確保多孔混凝土空隙分布均勻程度。

多孔混凝土性能實驗步驟如下：

（1）按照既往道路基層施工多孔混凝土配合比添加粗骨料，將配合粗骨料的粒徑控制在3～10 mm之間，加入綠泥石粉作為填充。

（2）將粉煤灰、外加劑、水泥加入砂漿攪拌器中，進行60 s的混合攪拌，攪拌時間不能少于30 s。

（3）混合攪拌結(jié)束后，在所得材料中添加適量的水，令材料形成干硬性混凝土。

（4）將所得材料倒入模具中，通過上置式振動器、振動壓實成型機實現(xiàn)插搗振動成型。

（5）成型多孔混凝土需要在24～48 h內(nèi)脫模，進行室溫環(huán)境下養(yǎng)護，為了檢測不同養(yǎng)護因素對多孔混凝土性能的影響，選擇不同養(yǎng)護時間，所選養(yǎng)護時間不能少于24 h。

（6）對成型多孔混凝土進行抗壓強度、抗彎拉強度、抗凍性能、透水系數(shù)測試，分析其作為道路基層材料的性能，對實驗多孔混凝土配合比進行調(diào)整，獲得最佳配合比方案。

3.3 性能指標

3.3.1 抗壓強度

將實驗多孔混凝土制成（100×100×100）mm立方體試塊，轉(zhuǎn)換系數(shù)按尺寸使用0.95。在室溫環(huán)境下，對立方體試塊進行為期7 d、28 d的養(yǎng)護，測量不同養(yǎng)護周期下的多孔混凝土抗壓強度。試驗方法符合規(guī)程[7]規(guī)定。

3.3.2 抗彎拉強度

將多孔混凝土立方體試塊制成（100×100×400）mm立方體試塊，抗彎拉強度轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.85。試驗方法符合規(guī)程[7]規(guī)定。

3.3.3 抗凍性能

將多孔混凝土立方體試塊制成（100×100×100）mm立方體試塊，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.95?？箖鲂阅茉囼灧椒ǚ弦?guī)范[9]要求。具體步驟為：制備（100×100×400）mm多孔混凝土小梁試件并養(yǎng)護28 d。試驗4 d將試件浸泡在溫度為15～20℃的水中，測試飽水重量。當凍融機內(nèi)凍融液達到?2 ℃時，將試塊放入，進行凍融循環(huán)，以溫度降至?15 ℃時開始計算凍結(jié)時間。每次循環(huán)時間為4 h，試驗循環(huán)次數(shù)為25次。遇到以下幾種情況之一即可停止試驗：

（1）已達到規(guī)定循環(huán)次數(shù)。

（2）相對動彈性模量下降到60%以下。

（3）重量損失率達5%。

3.3.4 沖擊韌性

沖擊韌性指在沖擊載荷作用下材料吸收塑性變形功和斷裂功的能力，是評價材料疲勞特性的重要指標，在瀝青混合料和普通混凝土研究中已有諸多應用，在透水混凝土領域應用較少。測試材料沖擊韌性的試驗方法有落錘法與小梁沖擊試驗。試驗采用落錘法評價透水混凝土沖擊韌性。制備直徑100 mm、高64 mm圓柱體水泥混凝土試件。沖擊錘質(zhì)量2 kg，下落高度為900 mm，沖擊錘中線與試件中心線對齊。測試時，沖擊錘連續(xù)自由落下，當試件出現(xiàn)裂縫時，記錄沖擊次數(shù)。其沖擊能量按下式計算：

W=N×mgh （1）

式中，W——試件破壞前吸收的沖擊能量（N·m）;N——試件破壞式的沖擊次數(shù);m——落錘質(zhì)量（kg）;h——落錘下落高度（m）。

3.3.5 透水系數(shù)

將多孔混凝土立方體試塊制成φ100 mm×50 mm圓柱體試塊。透水系數(shù)試驗裝置是檢測實驗多孔混凝土透水系數(shù)的主要設備。透水系數(shù)測試方法符合規(guī)程[8]要求。

透水系數(shù)與多孔混凝土空隙率及連通空隙率具有明顯相關性。

3.3.6 耐磨性

肯塔堡飛散試驗一般用于評價瀝青混合料集料脫落散失的程度，以馬歇爾試件在洛杉磯試驗機中旋轉(zhuǎn)撞擊規(guī)定次數(shù)、試件的質(zhì)量損失表示。有學者將這種試驗方法用于評價透水混凝土的耐磨性，該文研究的多孔混凝土作為道路基層材料使用，規(guī)程[8]中的耐磨性要求不做檢測。

3.3.7 檢驗結(jié)果分析

上述性能指標檢驗結(jié)果見表2。

由表2可知：多孔混凝土其性能指標符合規(guī)范[9]的要求，其強度超過C30道路面層要求，應用于道路基層具備足夠承載力。透水系數(shù)超過1 mm/s說明透水性良好。

4 結(jié)束語

多孔混凝土作為道路基層材料具有強度較高、透水性強等性能特征，原材料主要包括水泥、粗骨料、粉煤灰、綠泥石粉、膠結(jié)劑，通過上述性能指標檢驗，得到了多孔混凝土抗壓強度、抗彎拉強度、抗凍性能、沖擊韌性、透水系數(shù)、耐磨性符合規(guī)范要求的結(jié)論。多孔混凝土作為道路基層材料應用，能夠應用于透水性道路基層，有效緩解熱島效應，對改善城市環(huán)境有積極作用。

參考文獻

[1]楊東來， 羅發(fā)生， 李彬， 等. 高速公路隧道排水層專用透水混凝土的制備及其鋪裝工藝研究[J]. 廣東建材， 2020（9）： 18-24.

[2]吳海華. 隧道多孔混凝土排水基層路用性能及施工技術分析[J]. 工程技術研究， 2020（20）： 23-24.

[3]王俊嶺， 王雪明， 馮萃敏， 等. 改性透水混凝土鋪裝對雨水徑流凈化研究進展[J]. 混凝土， 2016（2）： 145-148+152.

[4]李偉. 再生集料透水混凝土的試驗研究與應用[J]. 市政技術， 2016（4）： 189-191.

[5]余萌， 廖鑫. 建筑垃圾回填道路基層材料關鍵技術研究[J]. 城市道橋與防洪， 2021（4）： 30-33+38+11.

[6]吳夢柯， 趙金輝， 林晨彤， 等. 透水混凝土路面凈化雨水徑流研究進展[J]. 現(xiàn)代化工， 2017（10）： 25-28+30.

[7]公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程： JTG E51—2009[S]. 北京：人民交通出版社， 2009.

[8]透水水泥混凝土路面技術規(guī)程： CJJ/T 135—2009[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2009.

[9]普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準： GB/T 50082—2009[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2009.