多孔水泥混凝土作为公路路面材料的性能研究

冯玮

摘要：多孔水泥混凝土作为一种公路路面材料，具有透水性强、交通噪声低、安全性高等路用性能特点。文章研究制备高性能多孔水泥混凝土的方法，寻求提高多孔水泥混凝土强度的途径。通过试验得知，添加细料、高效减水剂、聚合物和硅灰对提高多孔水泥混凝土抗压强度和降低连通孔隙率有显著作用。

关键词：多孔水泥混凝土;路用性能;细料;高效减水剂;聚合物;硅灰

0 引言

多孔水泥混凝土作为一种公路路面材料，因其具有较大的孔隙率，易透水，近年来被广泛应用于公路路面施工中。该材料能使已渗入路面层的积水快速被排出，有效提高了路面结构和路基结构的稳定性与安全性，特别是在暴雨等恶劣天气下其优越性尤为显著。

多孔水泥混凝土是一种由高强度的水泥砂浆体裹覆具有骨架结构的碎石混合料而形成的多孔结构水泥混凝土材料。材料受力时，会通过混合料之间的胶结点传递力的作用。由于混合料强度较高，粘结点数量少、面积小，对多孔水泥混凝土内部强度荷载的传递影响较大，进而对多孔水泥混凝土的整体强度影响较大，导致整体结构容易受损[1]。本文总结多孔水泥混凝土材料的路用性能特点，研究制备高性能多孔水泥混凝土的方法，寻求提高多孔水泥混凝土抗压强度的途径，为类似工程提供参考。

1 多孔水泥混凝土材料路用性能特点

1.1 透水性强

多孔水泥混凝土材料具有高比例的大孔，利用其内部开口的孔隙，可以使积水快速下渗，为积水的排除提供有效路径，既避免了暴雨、洪水的危害，同时也可以使地下淡水资源得到很好的补充。

1.2 噪声低

多孔水泥混凝土材料利用其孔隙特征可以吸收或改变交通噪声的传播途径，根据英国多孔水泥混凝土路面试验路段的数据显示，多孔水泥混凝土路面相比普通水泥混凝土路面可以减少交通噪声等级10dB以上。其降低噪声的机理，主要包括两个方面：（1）通过内部的开口孔隙吸收了轮胎与路面之间的噪声;（2）孔隙使得噪声直接到达人耳的时间与通过路面反射到达人耳的时间存在一定的时间差，从而引起交通噪声的削弱[2]。

1.3 安全性高

多孔水泥混凝土材料的孔隙率约为20%～25%，可以消除雨天路面打滑和雨水飞溅的安全隐患，即使在雨水天气下轮胎也可以和多孔水泥混凝土材料很好地接触，改善牵引力[3]。同时，减轻了潮湿路面对灯光的反射强度，使得行驶车辆的事故率大为减少。

2 试验原材料与试验方法

2.1 原材料

水泥采用普通硅酸盐42.5级水泥，骨料采用碎石，粒径为4.75～9.5mm。砂采用细砂，外掺剂采用硅灰、高效减水剂和聚合物乳液，聚合物乳液采用VAE乳液-707型号，为白色乳液。

2.2 试验方法

2.2.1 模具选定

模具采用边长100mm的立方体和100mm×100mm×400mm的长方体进行测试。用粗骨料填充测试模具，并摇动振动筛，以获得最大质量的紧密堆积的石料。可以利用这个方法来确定每单位体积的多孔水泥混凝土的粗骨料量，经过实验后得出石料量为1520～1680kg/m3。

2.2.2 用水量确定

在多孔混凝土混合搅拌时，过多或过少的水都难以形成合适的连通孔隙率以及所需强度。因此，需使用试验方法确定最佳耗水量。如果水消耗量太低，则水泥浆无法均匀与骨料粘合;如果水消耗量太高，则水泥浆就会下沉，降低孔隙率。只有明确最佳用水量，才能保证骨料被水泥浆完全粘合，不会掉落，并呈现明亮色泽。

2.2.3 制作方式

此测试过程使用振动台形成。将填充好材料的试件进行振动，并将试件的表面压缩并抹平。形成的试件用布覆盖以养生，并保持高于90%的湿度和20℃的温度下一天后拆除模具，拆除模具后继续养生6d。

2.2.4 连通孔隙率测定

水泥混凝土的连通孔隙率采用以下试验方法测定。首先测量试验品在清水中浸泡1d后的水中质量，然后测量试验品在空气中干燥1d后的质量。多孔水泥混凝土的连通孔隙率即为水中质量减去干燥后的质量后与实验中的混凝土体积的比。

2.2.5 抗压强度测试

多孔水泥混凝土的抗压强度和抗析强度的测试按照相关实验规范进行。实验对象的侧面为受压面。

3 试验结果分析

3.1 在混凝土中加入细料和高效减水剂

通过表1可以看到，比较第1、2组和5、6组，细砂有助于多孔水泥混凝土的抗压强度的提高，但会使连通孔隙率降低。可知，孔隙率和强度两个指标是相互矛盾的。细料的添加增加了集料和集料之间的粘结面积，使集料表面上的水泥浆膜变厚，从而提高了多孔水泥混凝土的抗压强度，但会引起连通孔隙率的降低。

比较第1、3组和4、6组，通过数据分析得出高效减水剂对连通孔隙率的提升有很大作用，而且高效减水剂的加入有效地提升了混凝土的抗压强度。高效减水剂能够提高试件表面活性，掺入高效减水剂不仅显著降低水灰比，还可以有效改善混合物的流动性。除此之外，高效减水剂还明显提升了多孔水泥混凝土的抗压强度。

3.2 在混凝土中加入聚合物和硅灰

通过表2可以看出，试验设置了11组不同配合比的多孔水泥混凝土。并通过稠度法进行测量水灰的最佳比例，因为硅灰具有较高的比表面积，这要远远高于水泥，因此在该混合物加入适量的硅灰之后，为了保证拌和物的和易性，可以向其中增加适量的水;同时聚合物乳液有提高拌和物和易性的作用[4]，也可以加入一定比例聚合物乳液，以达到降低水灰比的效果。

图1～3是掺入硅灰和掺入聚合物的对比试验情况，从掺入硅灰试验的结果可以看出，掺入硅灰的多孔水泥混凝土的抗压强度得到了很大的提高。当含量为8%时，抗压强度增加效果最佳，当含量达到10%或以上时，略有降低。连通孔隙率与硅灰的含量成反比，硅灰含量越大，连通孔隙率越小。

硅灰可填充水泥胶结材料中的微孔，从而增强骨料与水泥浆之间的界面粘合力，提高整体抗压强度。然而，硅灰填充物使得多孔水泥混凝土的一部分孔隙被堵，导致连通孔隙率和排水能力下降，进而使得多孔水泥混凝土的脆性增强，抗折强度降低。

从上面三个试验结果可以看出，聚合物不会影响多孔水泥混凝土的抗压强度。当聚合物含量<5%时，多孔水泥混凝土的抗压强度不会显著降低，并且抗折强度影响不大。但是当聚合物的掺量>5%时，对多孔水泥混凝土的抗压强度会显著降低。对比单掺硅灰和聚合物的试验结果，很清楚地发现，硅灰对提高多孔水泥混凝土的抗压强度更为有效，但会导致孔隙率变小;聚合物在提高多孔水泥混凝土的抗折强度方面更有效。与硅灰相比，聚合物对降低连通孔隙率的影响相对较小。

由表3数据所示，添加聚合物和硅粉不会显著提高多孔水泥混凝土的抗压强度，而抗折强度却提高了15%。抗压强度不如单一掺杂的有机硅粉末的抗压强度，并且抗弯强度的改善程度也不如单一掺杂的聚合物的程度高。

4 结语

通过试验可以看出，添加细料可提高多孔水泥混凝土的抗压强度并降低孔隙率;高效减水剂可以降低水灰比，提高多孔水泥混凝土的抗压强度;硅灰和聚合物的掺入均降低了连通孔隙率;硅灰和聚合物均能使多孔水泥混凝土的强度提升;硅灰和聚合物單独添加对强度的效果更好。

参考文献：

[1]陈 瑜，李蒙强，刘 洋.骨料类型与级配对多孔水泥混凝土性能的影响[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2017（3）：1-6.

[2]荆禄波，田 波，刘 英，等.多孔水泥商品混凝土路面降噪性能研究[J].公路，2010（7）：75-79.

[3]王亚升，王 玉，任芬莹.海绵城市透水水泥混凝土路面结构力学响应特征研究[J].四川水泥，2019（8）：8-9.

[4]刘 英，田 波，牛开民.聚合物多孔混凝土性能试验研究[J].公路交通科技，2008（9）：177-179.