多孔混凝土路用性能研究

孙艳红

公路运输是最为便利灵活的交通运输形式,社会发展和经济生活必不可少。然而由于水造成路面过早损坏的现象越来越突出,延缓和防止高速公路路面早期水损害已成为当前公路建设迫切需要解决的问题之一,也是道路工程界面临的重大课题之一。根据治理水损害宜排不宜堵的思想[1],认为解决水损害的根本是将进入路面内部的自由水尽快排出,而不是采用设置防水层或采用密级配混凝土。所以在路面的透水性设计上成了设计师们的一个难题,多孔混凝土由于其透水性能好和强度高的优点而被较好的运用于公路路面施工中[2]。本文从分析试验出发研究多孔混凝土的主要路用性能。对多孔混凝土的力学性能、冻融性能和疲劳性能进行研究,并结合相关机理进行分析,为公路路面的设计提供了一定的参考。

1 力学性能

多孔混凝土作为一种水泥稳定类材料,同普通混凝土一样,其抗压强度和抗弯拉强度存在关联。采用表1的级配比的试验得出多孔混凝土的28 d抗弯拉强度 fr与抗压强度fc关系见表2。

表1 集料的级配表

表2 多孔混凝土的 fr/fc值(折压比)

从表2可以看出,多孔混凝土的 fr/fc与级配、水灰比、孔隙率和改性剂掺量有关,只有当多孔混凝土材料孔隙率较大和掺入改性剂时得到的结果较为符合这一结论。

2 抗冻性能

关于混凝土受冻破坏机理各国学者进行了很多研究,并提出众多学说如静水压理论、渗透压理论、Fagerlund的临界饱水程度理论、Cady的双机制理论以及Setzer的微冰晶透镜模型理论。其中以美国的T.C.Powers提出的静水压理论和Helmuth的渗透压理论较受重视。

静水压理论[3]:1)冰首先在混凝土的冻表面上形成,把试件内部封闭起来;2)由于结冰膨胀所造成的压力迫使水分向内进入饱和度较小的区域;3)混凝土渗透性较大时,形成水压梯度,对孔壁产生压力;4)随着冷却速度的加快,水饱和度的提高和气孔间隔的增大以及渗透性和气孔尺寸的减小,水压将会增高;5)当水压超过了混凝土抗拉极限强度时孔壁就会破裂,混凝土受到损害;6)如果在气温上升结冰融解之后又发生冻结,这种反复出现的冻融交替具有累积的作用,使混凝土的裂缝扩张,表面剥落直至完全瓦解。

渗透压理论:含有未冻水的孔与含冰和离子溶液的大孔之间的渗透压(毛细孔与凝胶孔内溶液之间的浓度差会引起凝胶孔向毛细孔中的扩散,从而形成了渗透压),趋于平衡使孔壁的压力增加。即使水中没有离子溶解时,水分子从小孔到含冰孔扩散时也有类似渗透压作用。

3 疲劳性能

水泥混凝土的疲劳方程有两种形式:单对数疲劳方程和双对数疲劳方程。单对数疲劳方程以拟合试验结果为主,在试验应力水平范围内是适用的,但向外延伸就缺乏可信度。在实际应用中,如需了解低水平时的疲劳寿命,就要将疲劳曲线沿应力水平趋近零方向延伸,使用双对数方程可以满足这一要求。双对数方程形式为:

其中,S为应力水平;a,b均为回归系数;N为疲劳寿命。

多孔混凝土的疲劳方程应与普通水泥混凝土有相似的形式。试验[1]对多孔混凝土施加的荷载循环特征系数R只取了0.08一个值,不讨论荷载循环特征系数对多孔混凝土疲劳寿命的影响。

对于水泥或二灰稳定粒料类及稳定土类等常用半刚性基层,有关研究者已由室内小梁和中梁弯拉疲劳试验和劈裂疲劳试验结果,整理得到失效概率为50%疲劳方程,如式(2),式(3)。为了方便比较,将普通混凝土的疲劳方程(4)、文献[4]的多孔混凝土疲劳方程(5),以及文献[5]得到的贫混凝土疲劳方程(6)列入进行比较。

多孔混凝土、水泥混凝土、文献[4]多孔混凝土、贫混凝土四种材料疲劳方程斜率相差不大。但是仍可以得出,在相同的应力水平条件下对应的疲劳寿命以水泥混凝土最大。

由试验结果变异性的分析和疲劳性能对比,基层材料的疲劳寿命的长短与强度以及强度的变异水平最为相关。为保证多孔混凝土的抗疲劳性能,在多孔混凝土基层强度满足设计要求的同时,室内试验和现场施工时应尽可能的减少强度的变异,从而减少薄弱环节的出现。

4 结语

多孔混凝土基层材料作为一种新型道路基层材料,与通常水泥稳定类等基层材料相比,在路用性能方面表现出特殊性:

1)在力学性能方面,多孔混凝土的强度与孔隙率、级配粒径和改性剂掺量相关,当孔隙率变小、级配粒径减小、改性剂掺量增加时,其强度增加。多孔混凝土的不同强度之间有着良好的相关性。与常用水泥稳定类等基层材料相比,具有更高的力学强度。2)在抗冻性能方面,多孔混凝土的抗冻性能与孔隙率和级配粒径相关,当孔隙率在一定范围内增加、级配粒径减小时,其抗冻融能力增强。与常用水泥稳定类等基层材料相比,由于多孔混凝土具有良好的排水性能,引起冻融的介质水通常只存在于与底基层的层间结合部位,因此具有更好的抗冻性能。3)在疲劳性能方面,多孔混凝土的疲劳性能与孔隙率、级配粒径和改性剂掺量相关,当孔隙率变小、级配粒径减小、改性剂掺量增加时,其强度增加,抗疲劳能力增强。与其他常用道路基层材料相比,多孔混凝土具有更好的抗疲劳性能。

多孔混凝土由于它的排水性能好和强度高的特点,在公路路面的运用上有其他材料无法比拟的优势。本文通过对它的力学性能、抗冻性能和疲劳性能进行分析,为公路路面的设计和使用提供了参考。

[1]张鹏飞.路面内部排水系统的设计与研究[D].上海:同济大学博士学位论文,1999:9.

[2]邓学钧,黄晓明.路面设计原理与方法[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]郑木莲.多孔混凝土排水基层研究[D].西安:长安大学博士学位论文,2004.

[5]孙家伟.贫混凝土基层混凝土路面研究[D].西安:长安大学,2001.