海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面耐久性分析

摘 要：本文對海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面耐久性分析方法進行研究，為海綿城市建設(shè)提供有效指導(dǎo)。通過選擇原材料和設(shè)計配合比，制備海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件，并在不同試驗環(huán)境下，對制備的試件進行驗證。試驗結(jié)果表明：在受侵蝕和凍融環(huán)境下，添加高強陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的抗壓強度和抗折強度數(shù)值較高，動彈性模量折減率數(shù)值最低，耐久性更佳。在添加相同骨料的情況下，水灰比數(shù)值大的試件耐久性更好。在磨損測試下，水灰比較大的試件磨損數(shù)值略小，其耐久性更好。

關(guān)鍵詞：海綿城市道路；透水混凝土；鋪裝路面；耐久性分析；凍融性；力學(xué)性能

中圖分類號：TU 528" " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

城市硬化路面透水性差，因此大范圍降雨時增加了城市發(fā)生內(nèi)澇的風(fēng)險，影響人們?nèi)粘３鲂衃1]。海綿城市是利用城市道路和建筑等緩釋雨水，減輕地表水對城市的危害，科學(xué)合理地實施城市規(guī)劃[2-3]。透水混凝土技術(shù)是海綿城市建設(shè)中的核心技術(shù)，它將透水混凝土應(yīng)用在海綿城市道路路面鋪裝建設(shè)中，提高海綿城市道路路面耐久性和排水防澇功能。因此，對混凝土鋪裝路面耐久性進行分析具有積極意義。

目前，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開始對該課題進行深入研究，在對試件實施凍融試驗后，用超聲波技術(shù)采集孔隙率曲線，分析透水性混凝土路面耐久性。但該方法需要投入設(shè)備成本較高，經(jīng)濟適應(yīng)性差。通過研究低砂取代率對透水性混凝土路面的耐久性影響，確定在透水性混凝土加入8%低砂可提高透水性混凝土路面的耐久性。但該方法僅從材料添加量出發(fā)，未對透水性混凝土路面的力學(xué)性能進行研究，研究方法比較單一。因此，需要研究海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面耐久性，并從多角度分析透水混凝土鋪裝路面耐久性，提高海綿城市道路的質(zhì)量。

1 材料方法

1.1 原材料選取

普通硅酸鹽水泥，型號為PI42.5，該水泥技術(shù)性能見表1。

外加劑為聚羥酸粉體，羥丙基甲基纖維素，淀粉醚。將上述材料與水復(fù)合形成外加劑，其含固量為42%。

骨料為碎石、輕質(zhì)陶粒、高強陶粒，均來自本地。

1.2 配合比設(shè)計

設(shè)計每立方米透水混凝土配合比，見表2。

1.3 路面特點分析

在海綿城市中，道路透水混凝土鋪裝路面具有以下特點。1）透水性：道路透水混凝土鋪裝路面采用了特殊的設(shè)計和材料，使水分能夠通過路面滲透到地下水系統(tǒng)中。這樣可以減少雨水徑流量，提高雨水透水和排水能力，降低城市的洪澇風(fēng)險。2）水持久性：透水混凝土路面能夠?qū)⒂晁杆佟⒕鶆虻貪B透到地下，不會出現(xiàn)積水問題，保持道路表面干燥。這可以提高道路的交通安全性和行車舒適度。3）生態(tài)環(huán)境友好：透水混凝土路面為植物生長提供了空間和養(yǎng)分。采用在路面中設(shè)置樹坑或草坪帶綠化設(shè)施等方式，可以增加綠色覆蓋面積，改善城市熱環(huán)境，促進生物多樣性，并起到凈化空氣和水質(zhì)的作用。4）減少噪聲污染：與傳統(tǒng)的非透水路面相比，透水混凝土路面能夠有效降低車輛行駛時產(chǎn)生的噪聲，透水路面能夠減少輪胎與路面摩擦，改善周圍居民的生活環(huán)境。5）抗滑性能：透水混凝土路面采用特殊的表面處理方法，因此具有良好的抗滑性能[4]。即使在雨天或濕滑條件下，道路表面仍能起到較好的抗滑作用，降低交通事故的發(fā)生風(fēng)險。

1.4 試件制備

根據(jù)表2的透水混凝土配合比，使用分層插搗方式澆筑成型，試件詳細制備過程如下。1）將普通硅酸鹽水泥和外加劑添加到臥式攪拌機內(nèi)，攪拌3min。2）添加水，再次攪拌3min。3）添加不同類型骨料繼續(xù)攪拌8min。4）使用插搗方式分三層澆筑海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件，保證每層厚度大致相同，然后從邊緣到中心以螺旋方式垂直插搗30次～40次。5）將插搗后的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件放在常溫環(huán)境中養(yǎng)護24h后拆除模具，再將其放入溫度為85℃的熱水內(nèi)浸泡2天，替代28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。

根據(jù)上述步驟，制備不同水灰比的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件，按照水灰比和添加不同的骨料，分別命名，試件名稱見表3。

1.5 耐久性測試方法

雖然海綿城市中的透水混凝土路面具有良好的特性，但是從可持續(xù)性考慮和降低管網(wǎng)負荷兩個方面考慮，需要進一步分析海綿城市中的透水混凝土路面耐久性。

海綿城市的核心目標(biāo)之一是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，其中，將道路透水混凝土鋪裝路面作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施要素，需要滿足經(jīng)濟、環(huán)境和社會可持續(xù)性的要求[5]。分析耐久性可以幫助評估路面的壽命周期成本、環(huán)境影響以及與其他城市功能的協(xié)調(diào)程度，從而更好地實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

透水混凝土鋪裝路面具有雨水的透水和排水功能，能夠減輕城市雨洪的壓力，降低管網(wǎng)系統(tǒng)的負荷。然而，如果透水混凝土路面的耐久性不足，就可能會出現(xiàn)滲漏、裂縫等問題，影響其透水和排水性能。

因此，分析耐久性有助于保證透水混凝土路面的功能穩(wěn)定，降低管網(wǎng)負荷，保護城市雨洪管理系統(tǒng)的可持續(xù)運行。由于海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面的耐久性衡量指標(biāo)較多，因此利用實驗室自制透水儀測量試件的透水系數(shù)kT，計算過程如公式（1）所示。

式中：Z為時間為t時試件滲出的水量；L為試件厚度；A為試件上表面積；H為水位差；t為時間。

根據(jù)國家對普通混凝土水泥力學(xué)性能檢驗方法中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，測試海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的抗壓和抗折強度，將3個相同試件的測試結(jié)果作為一組，計算試件的抗壓強度和抗折強度平均值，計算過程如公式（2）、公式（3）所示。

式中：fc、ff分別為試件的抗壓強度和抗折強度平均值；F為破壞荷載；A'為試件承壓面積；b、g分別為試件截面高度和寬度；Q為支座間跨度。

參考國際對普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中的快速凍融方法，對海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面凍融耐久性進行測試。將最大凍融次數(shù)設(shè)置為100次，測試海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的動彈性模量，當(dāng)損失值超過60%時，認為該試件已經(jīng)失效。利用超聲波檢測儀向經(jīng)過凍融試驗的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件發(fā)射超聲波，每個試件取3個測試點，計算3個測試點動彈性模量的平均值Ed，計算過程如公式（4）所示。

式中：ρ為試件的密度；v為超聲波速度；μ為試件泊松比。

考慮海綿城市道路透水性，其會遭受環(huán)境內(nèi)多種復(fù)雜因素的影響，因此選擇侵蝕溶液對海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件進行侵蝕測試，侵蝕溶液內(nèi)含有的侵蝕溶質(zhì)和其質(zhì)量分數(shù)見表4。

根據(jù)普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法對試件的耐磨性進行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

將透水系數(shù)作為衡量指標(biāo)，測試制備的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的透水性。將28天作為試驗時間段，對不同骨料類型和水灰比的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件進行透水性測試，分析其透水系數(shù)變化情況，結(jié)果見表5。

由表5可知，不同骨料類型和水灰比的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的透水系數(shù)數(shù)值，會隨著測試時間增加而降低，當(dāng)骨料類型相同時，水灰比較大的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的透水系數(shù)要低于水灰比較小的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件，說明水灰比越大，制作的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件結(jié)構(gòu)越密實，其堅固性越好，透水性能略差。而當(dāng)骨料類型不同時，骨料類型為輕質(zhì)陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件在相同配合比情況下的透水系數(shù)數(shù)值最高，其次是添加碎石和高強陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件。輕質(zhì)陶粒是高溫?zé)婆蚧傻?，吸水率較大[6]，因此利用其制作的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有效空隙較多，因此其滲透性較強。而高強陶粒硬度較高且顆粒小于碎石，使用高強陶粒制作的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的透水性要低于使用碎石制作的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件。綜合上述結(jié)果，當(dāng)海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件水灰比越高時，其透水性能略差，但試件自身的強度略高，使用輕質(zhì)陶粒骨料的試件透水性高于碎石的試件和高強陶粒制作的試件。

將抗折強度和抗壓強度作為衡量海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的耐久性指標(biāo)，使用侵蝕溶液對試件進行侵蝕，測試制作的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件在侵蝕時間不同的情況下，其抗折強度和抗壓強度變化情況，結(jié)果如圖1所示。

分析圖1（a）可知，當(dāng)海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件受到侵蝕溶液侵蝕時，其抗折強度隨著侵蝕時間呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢。當(dāng)試件受到侵蝕溶液侵蝕時，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙被侵蝕溶液填滿，在骨料不定向混雜分布狀態(tài)下，在試件內(nèi)部形成了具有一定拉結(jié)力作用的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，此時試件抗折強度呈現(xiàn)上升趨勢。但隨著侵蝕時間增加，添加不同骨料的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的抗折強度呈現(xiàn)下降趨勢，其中抗折強度由大到小分別為高強陶粒、碎石和輕質(zhì)陶粒。但在骨料相同的情況下，水灰比較高的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件抗折強度數(shù)值較高，其耐久性越好。分析圖1（b）可知，不同骨料的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件抗壓強度數(shù)值會隨著侵蝕時間增加而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，但其起伏幅度要低于試件的抗折強度，且其抗折強度也是配合比越大，添加相同骨料的試件抗壓強度越高，當(dāng)添加骨料不同時，則高強陶粒＞碎石＞輕質(zhì)陶粒。綜合上述結(jié)果，添加高強陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件在受到侵蝕情況下，其耐久性更佳，在添加相同骨料的情況下，水灰比數(shù)值大的試件耐久性更好。

我國氣候四季分明，海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面在應(yīng)用中會受到多次凍融，測試添加不同骨料和水灰比的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件在不同凍融次數(shù)情況下，其抗壓強度損失率變化情況，結(jié)果見表6。

分析表6可知，添加不同骨料和水灰比不同的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件的抗壓強度損失率隨著凍融次數(shù)增加而增加。其中，在添加相同骨料的情況下，相同凍融次數(shù)時，水灰比較大的海綿城市道路透水混凝土 鋪裝路面試件的抗壓強度損失率數(shù)值較小，說明其具備較好的抗凍融性能，耐久性較好。而添加的骨料不同時，在相同凍融次數(shù)情況下，添加高強陶粒的城市道路透水混凝土鋪裝路面試件抗壓損失率數(shù)值最小，其次是分別添加碎石和輕質(zhì)陶粒的試件。綜合上述結(jié)果：在相同凍融次數(shù)情況下，添加高強陶粒的城市道路透水混凝土鋪裝路面試件耐久性最好，而水灰比較大、添加骨料相同的城市道路透水混凝土鋪裝路面試件耐久性最好。

將動彈性模量折減率作為衡量其耐久性指標(biāo)，測試在不同凍融次數(shù)下，不同骨料和水灰比的試件動彈性模量折減率變化情況，結(jié)果如圖2所示。

分析圖2可知，不同骨料和水灰比的試件彈性模量折減率均隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低。其中，在相同凍融循環(huán)次數(shù)情況下，添加高強陶粒的試件動彈性模量折減率數(shù)值最小。而添加骨料相同，水灰比數(shù)值較大的試件動彈性模量折減率數(shù)值越小。綜上所述，在多次凍融條件下，添加高強陶粒的試件動彈性模量折減率數(shù)值最低，耐久性最強。

在耐磨試驗持續(xù)30天后，驗證添加不同骨料和水灰比不同的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件表面的磨坑長度和其耐磨程度，結(jié)果如圖3所示。

分析圖3（a）可知，在對添加不同骨料和水灰比不同的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件進行30天耐磨測試后，添加輕質(zhì)陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件B-1和B-2的磨損長度分別為0.97mm和0.965mm左右，其次是添加碎石的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件A-1和A-2磨坑長度分別為0.96mm和0.957mm左右，而添加高強陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件C-1和C-2磨坑長度為0.94mm和0.938mm左右。試件A-1和A-2、B-1和B-2間的磨坑長度差值略大，而添加高強陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件C-1和C-2之間的磨坑長度區(qū)別不大。以上結(jié)果說明，當(dāng)試件受到磨損時，添加高強陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件耐磨性能較好，水灰比不同對其耐磨性影響略小。分析圖3（b）可知，添加高強陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件耐磨程度最高，其次是分別添加碎石和輕質(zhì)陶粒的試件。綜合上述結(jié)果可知，添加高強陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件在受到磨損時的耐久性最好。

3 結(jié)論

本文提出海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面耐久性分析方法，采用該方法制作添加骨料不同和水灰比不同的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件，并在不同試驗條件下對所制備的試件耐久性進行驗證，試驗結(jié)果表明：在骨料添加相同情況下，水灰比數(shù)值較大的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件耐久性更好，添加高強陶粒的海綿城市道路透水混凝土鋪裝路面試件在不同試驗條件下的耐久性最好。

參考文獻

[1]朱潤田，劉珊，張小明，等.海綿城市透水混凝土路面堵塞及滲透性能研究[J].中外公路，2022，42（3）：30-35.

[2]冉茂清，馮文博，王崇禎，等.透水混凝土在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2022，49（16）：143-145.

[3]解超，王思思，呂彬.基于LCA的北京市透水水泥混凝土路面的環(huán)境影響分析[J].環(huán)境工程，2022，40（9）：118-125.

[4]陳旺，鄭木蓮，高騫，等.海綿城市透水路面滲透性能衰減規(guī)律[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，41（3）：12-21.

[5]陳紅梅，劉玉濤，關(guān)紀(jì)文. BFRP筋增強珊瑚混凝土耐久性研究進展[J]. 硅酸鹽通報，2021，40（11）：3544-3555.

[6]代峻峰，李合清，崔永偉，等.海綿城市理論下透水再生骨料混凝土研究進展[J].建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（增刊2）：988-994.