瀝青路面多孔混凝土基層排水性能研究

劉寶旭

（河北省寬城滿族自治縣交通運輸局）

1 空隙率

1.1 空隙率的測試方法

由于試件在成型拆模過程中容易缺角或碰掉角,體積不容易通過游標卡尺測得,并且很多情況下又缺少切割設(shè)備,所以空隙率最常用的測定方法是采用膠帶密貼蠟封法。它可以測定試件的全空隙率或有效空隙率。膠帶密貼蠟封法的主要操作步驟如下：

（1）將試件從養(yǎng)生室取出,分三次浸入水中,即每1 h使試件浸水1/3,全部浸入水中后靜放2h,稱取其水中質(zhì)量為m1/g；（2）將試件放入60℃的烘箱中烘12h至恒重,然后稱重m2/g；（3）用膠帶紙將試件表面完全包裹,注意不留縫隙且膠帶用量盡可能少,稱取其質(zhì)量為m3/g；

（4）將貼滿膠帶的試件浸入熔化的蠟油中,迅速滾動,直至試件完全被蠟封住,稱取其質(zhì)量為m4/g；

（5）將試件冷卻后浸入水中,至無氣泡冒出時,稱取其水中質(zhì)量為m5/g；

v=（m4-m5）/ρw-（m4-m3）/ρ蠟-（m3-m2）/ρ膠（1）式中：ρw為水的密度,1g/cm3；ρ蠟為蠟的密度,0.86 g/cm3；ρ膠為膠帶的密度,0.82g/cm3。

然后根據(jù)量體積法的計算原理即可求得試件的全空隙率 n0及有效空隙率ne。

1.2 有效空隙率與全空隙率的關(guān)系

多孔混凝土是介于水泥穩(wěn)定開級配碎石和普通混凝土之間的一種材料,可以采取不同的成型方法。但成型方法的不同,對于其強度和空隙率會產(chǎn)生較大的影響。振動法和插搗法是目前混凝土常用的成型方式,前期大量試驗表明這兩種方法對于多孔混凝土同樣適用,所以研究中先分別采用了這兩種成型方法對多孔混凝土的空隙率進行了測試。試驗結(jié)果如圖1～圖2所示。

圈1 振動成型試件有效空隙率和全空隙率的關(guān)系

圈2 插搗成型試件有效空隙率和全空隙率的關(guān)系

從圖1和圖2可以看出,不管是振動成型還是插搗成型,隨著 n0的增大,ne和ne/n0都明顯增大。所以,隨著多孔混凝土空隙率的增大,其有效空隙率和有效空隙率所占的比例也會增大,排水性能就越好。

表1 多孔混凝土有效空隙率和全空隙率的關(guān)系

根據(jù)實驗結(jié)果,對振動成型法和插搗成型法兩種成型方法分別回歸出有效空隙率和全空隙率之間的相關(guān)關(guān)系,如表1所示。由相關(guān)系數(shù)可知,多孔混凝土兩種空隙率之間存在良好的二次多項式關(guān)系,且振動法成型的相關(guān)性比插搗法成型要高,實際使用中建議根據(jù)實際情況分別采用各自的回歸關(guān)系式。

2 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是表征多孔混凝土排水性能最直接和有效的指標,目前排水材料滲透系數(shù)的測定大多基于Darcy試驗定律,多孔混凝土也是如此。

Darcy公式產(chǎn)生以后,對于滲透系數(shù)K的物理意義是通過Seelheim等人的工作逐漸確認到的。對于K的物理意義,目前較常見的表達式為：

式中：c為顆粒形狀結(jié)構(gòu)系數(shù)；d為顆粒平均直徑；g為重力加速度；ρ為流體密度；μ為流體動力粘滯系數(shù)。

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從式（2）可以看出,K的物理基礎(chǔ)取決于固體顆粒骨架的幾何形狀結(jié)構(gòu)（cd2）和流體的性質(zhì)（gρ/μ）兩部分。可見,K不是常數(shù),它是流體粘滯度、密度和顆粒結(jié)構(gòu)的函數(shù)。因此需要說明,只有粘滯度、密度和其他因素是常數(shù)時,滲透系數(shù)在Darcy定律中才能作為常數(shù)。

采用文獻提出的滲透儀測定滲透系數(shù)。在已知臨界水力梯度,且測試過程保證層流次態(tài)的前提下,按Darcy定律的修正式（3）計算滲透系數(shù)。

式中：KT為T℃時的滲透系數(shù),cm/s；Q為時間t內(nèi)的滲出水量,cm3；L為測壓孔距,cm；Δh為平均水頭差,cm；t為滲透時間,s；A為試件的橫截面積,cm2。

未知臨界水力梯度時,按式（4）求得水透過試件的流速,然后回歸水力梯度與滲流速度的關(guān)系,取其一次項的倒數(shù)近似為滲透系數(shù)。當然,這種方法需要保證回歸公式有足夠大的相關(guān)系數(shù)（一般0.99以上）,且測試過程中的水力梯度應(yīng)盡可能小,根據(jù)大量試驗結(jié)果,最小水力梯度需接近0.01。

3 滲透系數(shù)與空隙率的關(guān)系

滲透系數(shù)與空隙率均可作為表征多孔混凝土排水性能的指標,雖然滲透系數(shù)更為直觀,但滲透系數(shù)的測定需要專門的滲透儀,測試過程相對麻煩。本文選取4種級配的多孔混凝土,利用文獻研制的滲透儀,測試其滲透系數(shù)與空隙率,結(jié)果如表2所示。

表2 多孔混凝土滲透系數(shù)與空隙率測試結(jié)果

對表2中的結(jié)果進行線性回歸和冪指數(shù)回歸,可找出滲透系數(shù)與有效空隙率的相關(guān)關(guān)系,如圖3所示。

圖3 多孔混凝土滲透系數(shù)與有效空隙率的相關(guān)關(guān)系

從式（5）和式（6）可以看出,K和ne有較好的冪指數(shù)相關(guān)關(guān)系。在使用過程中,通過測量有效空隙率就可間接得到其滲透系數(shù),從而大大簡化試驗過程。

4 結(jié)論

本文通過研究多孔混凝土排水基層的排水特性,得到以下結(jié)論：

（1）表征多孔混凝土基層排水性能的主要指標是空隙率和滲透系數(shù),空隙率分為全空隙率和有效空隙率,對采用膠帶密貼蠟封法進行空隙率測試的過程進行了探討。

（2）大量試驗結(jié)果表明,有效空隙率隨全空隙率的增大而增大,有效空隙率與空隙率之比也隨之增大,且二者之間存在較好的二次項關(guān)系。對應(yīng)于不同的成型方法,關(guān)系式發(fā)生改變,針對兩種情況分別回歸出相應(yīng)的關(guān)系式。

（3）從Darcy定律推導(dǎo)出滲透系數(shù)的概念,討論了滲透系數(shù)的物理含義,根據(jù)滲透儀試驗結(jié)果回歸出多孔混凝土滲透系數(shù)與空隙率之間的冪指數(shù)關(guān)系,為指導(dǎo)多孔混凝土材料的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

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