淺析多孔混凝土路面在隧道工程中的應用

高 泳

(河北省東光縣公路管理站)

隧道相對公路一般路段沒有考慮隧道內部環境對路面的影響以及在結構和材料等方面的特殊要求,已建隧道水泥混凝土路面大多出現了不同程度的問題和病害,其中最突出的問題是槽型抗滑構造極易磨平、路面抗滑性能衰減快、交通安全隱患大,長大隧道噪音污染嚴重,極大影響了公路隧道的交通安全性和舒適性。隧道處在相對封閉的環境中,濕度較大,加之地下水的滲漏或車輪從隧道外帶入的雨水不易散失,路表面長期處于潮濕狀況下。普通水泥混凝土路面橫槽式抗滑構造不耐磨耗,逐漸磨光的路表面與輪胎之間容易產生水膜,導致產生車輛滑溜事故,嚴重影響行車安全。多孔混凝土作為一種新型的路面材料和路面結構形式,適于公路隧道抗滑、低噪音路面,減少路面病害,延長使用壽命,提高隧道路面車的安全性和舒適性。

1 多孔水泥混凝土的分類

多孔水泥混凝土按組成材料的不同可分為三類:一類是以水泥、特殊粒徑粗骨料和水制備的普通多孔混凝土;一類是摻加適量礦物活性超細粉和高效減水劑的高性能多孔水泥混凝土(HPCC);另一類是以水泥和有機高分子聚合物共同作為膠凝材料形成的多孔聚合物水泥混凝土(PPCC)。作為一種新型的路面材料,不同類型多孔混凝土的路用性能不同,各有其特點,須結合公路路面交通等級、交通特點、工程環境、原材料供應狀況、施工水平以及經濟成本等各方面綜合優選應用。本文主要探討不同多孔混凝土的路用性能及特點,并分析其在公路隧道路面工程的適用性。

根據組成材料的不同,將多孔水泥混凝土分為三類:以水泥、特殊粒徑粗骨料和水制備的普通多孔混凝土、摻加適量礦物活性超細粉和高效減水劑的高性能多孔混凝土(HPCC)和以水泥和有機高分子聚合物共同作為膠凝材料形成的多孔聚合物水泥混凝土(即CC)。

2 多孔混凝土路面分形特征

分形理論在極端有序和真正混沌之間提供了一種可能性,使本來看起來十分復雜的事物,可用僅含很少參數的簡單公式來描述;可以拋開復雜的表面現象,從中提取本質的、規律性的東西,大大拉近人們的認知能力和所研究問題的復雜性之間的距離,為某些長期困擾人們的復雜問題的進一步研究提供了一種全新的思路和方法。

多孔混凝土路面具有從微觀到宏觀尺度上連續的自相似構造特征,主要由于其表面孔隙結構形成的隨機性和路表具有分形特征粗骨料的裸露。微觀構造與具有分形特征的粗骨料形狀和表面紋理有關,宏觀構造則取決于骨料級配類型過程中的隨機分布,也具有明顯的分形特征。同時,多孔混凝土受往復車輪磨蝕的過程是一種隨機過程,其損傷表面在統計意義上同樣遵從分形的基本律。因此,路面隨機構造是分形,其表面輪廓具有分形特征。路面斷面輪廓分數是評價路面構造特征的有力工具。路面構造是分形,其某一斷面的不規則輪廓線也滿足分形特征,代表斷輪廓線不規則程度和層次性的分數維蘊涵了路面構造的豐富信息。以路面斷面廓線分數維作為聯系路面構造參數與其抗滑能力的橋梁,對二者相關性進行深入研究,為多孔混凝土路面表面構造參數的優化奠定理論基礎。

3 多孔混凝土的施工方法及阻塞措施

多孔混凝土通常用作鋪筑雙層式混凝土面層的上層,建議層厚為 5～8 cm,即路面下層采用普通砂石骨料制備的普通水泥混凝土,其各項技術性能滿足普通水泥混凝土路面要求,僅在表層部分(厚度約 5～8 cm)采用特殊粒徑、堅固和耐磨的碎石粗骨料制備的多孔混凝土。施工時,分上下兩層接連攤鋪,共同形成結合式雙層板面層結構,拉桿和傳力桿的設計位置不變,仍設置在全板厚中部、多孔混凝土面層下的普通水泥混凝土內,同時在受水作用顯著的公路隧道路面環境,應加強排水措施,及時排走多孔混凝土滲流出的水分。這樣,僅在一定厚度的路表面采用多孔材料,既滿足路用性能要求并充分發揮其表面功能性,在對原材料的限制和工程成本方面又是可行和合理的。多孔混凝土面層的施工過程為:鋪筑下層普通混凝土→鋪筑多孔混凝土→固結、整平→養生(拆模)→檢測、驗收。

多孔混凝土孔隙阻塞、孔隙率下降問題一直是多孔路面的主要缺陷,涉及交通管理、日常維護、交通流量特點以及路面材料自身品質等多個方面,幾乎是無法避免的,但可以采取措施盡量減少孔隙阻塞,延長多孔路面功能性的壽命,其具體措施如下。

(1)采用花崗巖、玄武巖等耐磨性非常強的堅硬碎石作為多孔層粗骨料,礦物活性超細粉或有機高分子聚合物對混凝土的改性作用均使混凝土的耐磨性大大提高,在車輪磨耗作用下磨耗量非常小,產生的粉塵和堆積顆粒很少,同時多孔混凝土粗骨料與膠結層緊密粘結,膠結層與粗骨料難以相互脫離而被車輪壓入粗大孔隙中,從而在很大程度上避免了因多孔混凝土材料表面自身脫落物阻塞孔隙。

(2)多孔路面一般應用在車輛高速通行路段,設計行車速度為 60 km/h,禁止車輛在該路段停留,減少產生路面堆積物填充路面孔隙和油污污染路面的幾率。公路隧道內禁止車輛停留并要求快速通行,車輛或外界環境帶入雜質堆積于隧道路面的幾率相對一般路段較低,適于鋪筑多孔路面。

(3)加強交通管理,要求貨車,尤其是運煤車、渣土車等封閉車廂,車身清潔,不散落細小顆粒物。對于以貨運(如運煤、運砂石)為主的交通要道,又難于達到封閉貨車要求,一般不考慮鋪筑多孔混凝土路面。

(4)加強多孔路面路段日常清潔工作,避免粗大堆積物在車輪反復碾壓過程中逐漸細化為微小顆粒物或粉塵,阻塞孔隙,特別對公路隧道等空氣流通不暢的路段尤其重要。

(5)定期檢查多孔路面狀態,若開始出現路面孔隙阻塞,應及時用高壓水清掃機沖刷路面,重新疏通孔隙,保持其孔隙率和路面宏觀抗滑構造。路面孔隙內阻塞物一旦固結過死,阻塞深度過大,恢復措施開展起來難度加大、沖刷力過大導致多孔材料損傷、維護成本高昂且效果也不理想,因此應遵循的原則是預防為主,一旦孔隙開始阻塞,應盡早維護。結合路面交通狀況,積累經驗,建立定期清潔與高壓水沖刷維護制度,保障和及時恢復多孔混凝土路面抗滑、透水與降噪功能。

4 結 語

多孔水泥混凝土是以水泥作為膠結材料、特殊級配骨料、水和外加劑按一定比例和特定工藝配制而成孔隙均勻分布的蜂窩狀結構,往往無細骨料,又稱“無砂混凝土”,因具有透氣、透水、質量較輕等特點,在綠色生態混凝土、透水性貧混凝土基層、水工建筑和排水系統反濾層等方面有重要用途,但路面雙結構層溫度應力和疲勞荷載應力驗算、隧道內外交接處或不同路面形式過渡段的設計與處理方法等問題還有待進一步研究。

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