多孔混凝土路用性能研究

孫艷紅

公路運輸是最為便利靈活的交通運輸形式,社會發展和經濟生活必不可少。然而由于水造成路面過早損壞的現象越來越突出,延緩和防止高速公路路面早期水損害已成為當前公路建設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。根據治理水損害宜排不宜堵的思想[1],認為解決水損害的根本是將進入路面內部的自由水盡快排出,而不是采用設置防水層或采用密級配混凝土。所以在路面的透水性設計上成了設計師們的一個難題,多孔混凝土由于其透水性能好和強度高的優點而被較好的運用于公路路面施工中[2]。本文從分析試驗出發研究多孔混凝土的主要路用性能。對多孔混凝土的力學性能、凍融性能和疲勞性能進行研究,并結合相關機理進行分析,為公路路面的設計提供了一定的參考。

1 力學性能

多孔混凝土作為一種水泥穩定類材料,同普通混凝土一樣,其抗壓強度和抗彎拉強度存在關聯。采用表1的級配比的試驗得出多孔混凝土的28 d抗彎拉強度 fr與抗壓強度fc關系見表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,只有當多孔混凝土材料孔隙率較大和摻入改性劑時得到的結果較為符合這一結論。

2 抗凍性能

關于混凝土受凍破壞機理各國學者進行了很多研究,并提出眾多學說如靜水壓理論、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,把試件內部封閉起來;2)由于結冰膨脹所造成的壓力迫使水分向內進入飽和度較小的區域;3)混凝土滲透性較大時,形成水壓梯度,對孔壁產生壓力;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)當水壓超過了混凝土抗拉極限強度時孔壁就會破裂,混凝土受到損害;6)如果在氣溫上升結冰融解之后又發生凍結,這種反復出現的凍融交替具有累積的作用,使混凝土的裂縫擴張,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(毛細孔與凝膠孔內溶液之間的濃度差會引起凝膠孔向毛細孔中的擴散,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:單對數疲勞方程和雙對數疲勞方程。單對數疲勞方程以擬合試驗結果為主,在試驗應力水平范圍內是適用的,但向外延伸就缺乏可信度。在實際應用中,如需了解低水平時的疲勞壽命,就要將疲勞曲線沿應力水平趨近零方向延伸,使用雙對數方程可以滿足這一要求。雙對數方程形式為:

其中,S為應力水平;a,b均為回歸系數;N為疲勞壽命。

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

對于水泥或二灰穩定粒料類及穩定土類等常用半剛性基層,有關研究者已由室內小梁和中梁彎拉疲勞試驗和劈裂疲勞試驗結果,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[4]的多孔混凝土疲勞方程(5),以及文獻[5]得到的貧混凝土疲勞方程(6)列入進行比較。

多孔混凝土、水泥混凝土、文獻[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,在相同的應力水平條件下對應的疲勞壽命以水泥混凝土最大。

由試驗結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度以及強度的變異水平最為相關。為保證多孔混凝土的抗疲勞性能,在多孔混凝土基層強度滿足設計要求的同時,室內試驗和現場施工時應盡可能的減少強度的變異,從而減少薄弱環節的出現。

4 結語

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

1)在力學性能方面,多孔混凝土的強度與孔隙率、級配粒徑和改性劑摻量相關,當孔隙率變小、級配粒徑減小、改性劑摻量增加時,其強度增加。多孔混凝土的不同強度之間有著良好的相關性。與常用水泥穩定類等基層材料相比,具有更高的力學強度。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,當孔隙率在一定范圍內增加、級配粒徑減小時,其抗凍融能力增強。與常用水泥穩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,引起凍融的介質水通常只存在于與底基層的層間結合部位,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,當孔隙率變小、級配粒徑減小、改性劑摻量增加時,其強度增加,抗疲勞能力增強。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度高的特點,在公路路面的運用上有其他材料無法比擬的優勢。本文通過對它的力學性能、抗凍性能和疲勞性能進行分析,為公路路面的設計和使用提供了參考。

[1]張鵬飛.路面內部排水系統的設計與研究[D].上海:同濟大學博士學位論文,1999:9.

[2]鄧學鈞,黃曉明.路面設計原理與方法[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:長安大學博士學位論文,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,2001.