多孔混凝土材料路用性能研究

姚新、范琳琳、于文洋、陳浮

（1.聊城市公路工程總公司，山東聊城 252000；2.聊城市交通發(fā)展有限公司，山東聊城 252000）

1 多孔混凝土作為道路基層材料的性能特征

1.1 高強(qiáng)度要求

常規(guī)混凝土骨料種類(lèi)決定了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高混凝土強(qiáng)度，需要增加水泥原材料和外加劑強(qiáng)度，實(shí)踐難度較大。多孔混凝土在原材料選擇中優(yōu)先選擇壓碎指標(biāo)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(qiáng)度。多孔混凝土配合不需要砂子等細(xì)骨料，通過(guò)水泥、水、外加劑等原材料黏合粗骨料，形成具有強(qiáng)度和連通空隙的混凝土材料，為強(qiáng)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(dá)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(qiáng)，能夠?qū)⒌缆返挠晁头e水及時(shí)排出，抵御暴雨、洪水等自然災(zāi)害侵襲，降低洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率，充分保護(hù)地下淡水資源。多孔混凝土緩解了城市排水系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，配合地下排水設(shè)施共同應(yīng)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(yīng)用，能夠膠結(jié)粗骨料，不同類(lèi)型、不同強(qiáng)度等級(jí)水泥的化學(xué)成分及應(yīng)用性能有所差別，會(huì)對(duì)多孔混凝土性能產(chǎn)生不同影響，需要結(jié)合實(shí)際需求選擇和配合。

水泥性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有密度、細(xì)度、比表面積、初凝時(shí)間等，下面以P·O42.5 級(jí)水泥為例，分析水泥性能。P·O42.5 級(jí)水泥性能見(jiàn)表1。

表1 P·O42.5 級(jí)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(shè)所需強(qiáng)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(guò)大，需要控制在25mm 之內(nèi)，可以適當(dāng)摻加細(xì)骨料，不宜過(guò)多。

粗骨料粒級(jí)分布分為間斷級(jí)配、連續(xù)級(jí)配、單一級(jí)配3 種，不同粒級(jí)分布的粗骨料空隙堆積形態(tài)不同。間斷級(jí)配、單一級(jí)配粗骨料能夠提高多孔混凝土的透水性。從力學(xué)角度來(lái)講，連續(xù)級(jí)配粗骨料能夠確保多孔混凝土的強(qiáng)度，需要結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行選擇。為確保多孔混凝土的透水性，選擇間斷級(jí)配、單一級(jí)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(píng)價(jià)指標(biāo)有粒徑范圍、堆積密度、表觀密度、碎石壓碎率、空隙率、含泥量等。

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(guò)收塵裝置收集。粉煤灰在多孔混凝土配合中應(yīng)用，能夠發(fā)揮活性效應(yīng)，改善多孔混凝土的性能，緩解粉煤灰導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題。可以在多孔混凝土配合現(xiàn)場(chǎng)就近進(jìn)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140～160μm 之間。

粉煤灰性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有細(xì)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(yīng)；粉煤灰中的二氧化硅能夠推動(dòng)水泥在水化反應(yīng)中生成硅酸鹽凝膠，提高粉煤灰的化學(xué)活性。

2.4 綠泥石粉

綠泥石屬于礦山開(kāi)采之后的固體廢棄物，以塊狀、粉狀、粒狀等形式存在。綠泥石粉被填充到間斷級(jí)配粗骨料中，確保顆粒級(jí)配及化學(xué)成分的合理程度，改善多孔混凝土的應(yīng)用性能。技術(shù)團(tuán)隊(duì)將各種形式的綠泥石碾碎成粉末狀，形成一定細(xì)度的綠泥石粉，將其填充到粗骨料中，提高多孔混凝土的強(qiáng)度，降低道路基層的施工成本。

綠泥石粉的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有細(xì)度和化學(xué)成分，選擇不同尺寸篩孔進(jìn)行篩分，通過(guò)篩分結(jié)果確定細(xì)度。

2.5 膠結(jié)劑

膠結(jié)劑在多孔混凝土配合中的應(yīng)用，能夠黏合粗骨料等其他原材料，提高多孔混凝土的強(qiáng)度，需要結(jié)合實(shí)際需求選擇。多孔混凝土性能試驗(yàn)中應(yīng)用的膠結(jié)劑為試驗(yàn)室自制，為聚合物，主要成分為SiO，由特殊工藝制作而成，可緩解水泥水化反應(yīng)，增強(qiáng)水泥水化后漿體的黏結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，提高多孔混凝土的耐久性。

膠結(jié)劑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有活性SiO含量、延伸率等。

3 性能試驗(yàn)及分析

3.1 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

進(jìn)行多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)，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(qiáng)度、結(jié)構(gòu)較為密實(shí)的整體。應(yīng)用體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，即通過(guò)計(jì)算孔隙體積與各個(gè)原材料體積的比例來(lái)進(jìn)行配合比。

確定多孔混凝土性能試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 多孔混凝土性能試驗(yàn)配合比

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及步驟

多孔混凝土性能試驗(yàn)設(shè)備包括電子天平、砂漿攪拌器、模具、振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)、上置式振動(dòng)器、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、抗彎拉試驗(yàn)裝置、凍融試驗(yàn)機(jī)、透水系數(shù)試驗(yàn)裝置。需要結(jié)合實(shí)際需求選擇相應(yīng)型號(hào)的試驗(yàn)設(shè)備。

多孔混凝土性能試驗(yàn)應(yīng)用砂漿裹石配合工藝，即在粗骨料表面增加水泥漿體，增加黏結(jié)強(qiáng)度，確保多孔混凝土空隙分布的均勻程度，如圖1 所示。

圖1 砂漿裹石配合工藝實(shí)施流程圖

多孔混凝土性能試驗(yàn)步驟如下：

其一，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3～10mm之間，加入綠泥石粉作為填充。

其二，將粉煤灰、外加劑、水泥加入砂漿攪拌器中，進(jìn)行60s 的混合攪拌，攪拌時(shí)間不能少于30s。

其三，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。

其四，將所得材料倒入模具中，通過(guò)上置式振動(dòng)器、振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)實(shí)現(xiàn)插搗振動(dòng)成型。

其五，成型多孔混凝土需要在24～48h 內(nèi)脫模，在室溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)。為了檢測(cè)不同養(yǎng)護(hù)因素對(duì)多孔混凝土性能的影響，選擇不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不能少于24h。

其六，對(duì)成型多孔混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、抗凍性能、透水系數(shù)測(cè)試，分析其作為道路基層材料的性能，對(duì)試驗(yàn)多孔混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整，獲得最佳配合比方案。

3.3 性能指標(biāo)

3.3.1 抗壓強(qiáng)度

將試驗(yàn)多孔混凝土制成100mm×100mm×100mm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(duì)立方體試塊進(jìn)行為期7d、28d 的養(yǎng)護(hù)，測(cè)量不同養(yǎng)護(hù)周期下的多孔混凝土抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)方法符合規(guī)程《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）規(guī)定。

3.3.2 抗彎拉強(qiáng)度

將多孔混凝土立方體試塊制成100mm×100mm×400mm 立方體試塊，抗彎拉強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.85。試驗(yàn)方法符合《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）規(guī)定。

3.3.3 抗凍性能

將多孔混凝土立方體試塊制成100mm×100mm×100mm 立方體試塊，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.95?？箖鲂阅茉囼?yàn)方法符合《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）要求。具體步驟為：制備100mm×100mm×400mm 多孔混凝土小梁試件并養(yǎng)護(hù)28d。試驗(yàn)4d，將試件浸泡在溫度為15～20C 的水中，測(cè)試飽水重量。當(dāng)凍融機(jī)內(nèi)凍融液達(dá)到-2C 時(shí)，將試塊放入，進(jìn)行凍融循環(huán)，溫度降至-15C 時(shí)開(kāi)始計(jì)算凍結(jié)時(shí)間。每次循環(huán)時(shí)間為4h，試驗(yàn)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(yàn)：

（1）已達(dá)到規(guī)定循環(huán)次數(shù)；

（2）相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%以下；

（3）重量損失率達(dá)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(píng)價(jià)材料疲勞特性的重要指標(biāo)，在瀝青混合料和普通混凝土研究中已有諸多應(yīng)用，在透水混凝土領(lǐng)域應(yīng)用較少。測(cè)試材料的沖擊韌性的試驗(yàn)方法有落錘法與小梁沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)采用落錘法評(píng)價(jià)透水混凝土的沖擊韌性。制備直徑100mm、高64mm 圓柱體水泥混凝土試件。沖擊錘質(zhì)量2kg，下落高度為900mm，沖擊錘中線與試件中心線對(duì)齊。測(cè)試時(shí)，沖擊錘連續(xù)自由落下，當(dāng)試件出現(xiàn)裂縫時(shí)，記錄沖擊次數(shù)。其沖擊能量按下式計(jì)算：

式（1）中：為試件破壞前吸收的沖擊能量(N·m)；為試件破壞式的沖擊次數(shù)；為落錘質(zhì)量(kg)；為落錘下落高度(m)。

3.3.5 透水系數(shù)

將多孔混凝土立方體試塊制成φ100mm×50mm圓柱體試塊。透水系數(shù)試驗(yàn)裝置是檢測(cè)試驗(yàn)多孔混凝土透水系數(shù)的主要設(shè)備。透水系數(shù)測(cè)試方法符合《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 135—2009）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(guān)性。

3.3.6 耐磨性

肯塔堡飛散試驗(yàn)一般用于評(píng)價(jià)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(yàn)機(jī)中旋轉(zhuǎn)撞擊規(guī)定次數(shù)、試件的質(zhì)量損失表示。也有學(xué)者將這種試驗(yàn)方法用于評(píng)價(jià)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)程中的耐磨性要求不做檢測(cè)。

3.3.7 檢驗(yàn)結(jié)果分析

上述性能指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 多孔混凝土性能指標(biāo)及要求一覽表

由表3 可知：多孔混凝土的性能指標(biāo)符合規(guī)范的要求，其強(qiáng)度超過(guò)C30 道路面層要求，應(yīng)用于道路基層具備足夠承載力。透水系數(shù)超過(guò)1mm/s，說(shuō)明透水性良好。

4 工程應(yīng)用

采用試驗(yàn)配比的多孔混凝土用于山東聊城某透水性道路建設(shè)項(xiàng)目中，通過(guò)對(duì)公路現(xiàn)場(chǎng)多孔混凝土道路基層進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 多孔混凝土檢驗(yàn)結(jié)果

表4 （續(xù)）

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多孔混凝土性能檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)性能與試驗(yàn)性能基本一致，均滿足規(guī)范要求，充分證明了多孔混凝土材料具有強(qiáng)度較高、透水性能強(qiáng)等性能特征，適合作為道路基層材料使用。

5 結(jié)語(yǔ)

多孔混凝土作為道路基層材料具有強(qiáng)度較高、透水性強(qiáng)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(guò)上述性能指標(biāo)檢驗(yàn)，得到了多孔混凝土抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)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(yīng)用，能夠應(yīng)用于透水性道路基層，有效緩解熱島效應(yīng)，對(duì)改善城市環(huán)境有積極作用。