（材料学专业论文）免振捣多孔混凝土性能及其配合比设计方法研究.pdf

摘要 随着公路建设的发展，水对公路的影响日益突出。多孔混凝土排水基层具有 优越的路面结构内部排水性能，越来越多引起人们的注视。本文对多孔混凝土基 层材料的成型方法进行了初步探讨，提出一种新型的室内成型方法免振捣成 型。通过分析现有主要级配理论，并参考国内外关于排水基层的集料级配成果， 对免振捣多孔混凝土分别提出了几种集料级配。通过对多孔混凝土的排水性能的 研究，提出表征其排水性能的指标空隙率和渗透系数，并采用量体积法测试空隙 率，得出免振捣多孔混凝土有效空隙率和全空隙率之间相关性良好的关系。对免 振捣多孔混凝土的强度特性和应力一应变特性等力学性质进行研究，得出其强度 随龄期的发展、不同强度间的关系以及模量与强度的关系，同时，通过试验和机 理分析表明免振捣多孔混凝土具有良好的温缩、干缩、抗冲刷和抗冻等物理性质。 根据不同成型方法的特点，提出富余浆量法来评价免振捣多孔混凝土的工作性， 并提出工作性评价指标一富余浆量比。最后，提出多孔混凝土配合比设计的指标 与标准，在此基础上采用体积法进行免振捣多孔混凝土的配合比设计方法研究。 关键词：多孔混凝土排水基层，免振捣成型，排水性能，路用性能，工作性，富 余浆量法，配合比设计，体积法 a b s t r a c t b yt h ed e v e l o p m e n to fr o a dc o n s t r u c t i o n ，t h er o a di s i n f l u e n c e db yw a t e r i n c r e a s i n g l y n o w , m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sa r ep a y i n ga t t e n t i o nt op o r o u sc o n c r e t e p e r m e a b l eb a s ef u ri t se x c e l l e n tf u n c t i o no fd r a i n a g ec a p a b i l i t y t h em o l d i n gm e t h o d s o fp o r o u sc o n c r e t ea r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r , a n dan e wi n d o o rm o l d i n gm e t h o d 一 n o n v i b r a t i o nm o l d i n gi sp u tf u r w a r d s o m ea g g r e g a t eg r a d a t i o n sf o rp o r o u sc o n c r e t e w i t hn o n v i b r a t i o nm o l d i n ga r ep u tf o r w a r db ya n a l y z i n ga n dc o n s u l t i n gt h ef r u i to f a g g r e g a t eg r a d a t i o ni na n da b r o a d a n dt h e nt h ed r a i n a g ep e r f o r m a n c eo fp o r o u s c o n c r e t ei ss t u d i e d ，p o r o s i t ya n dc o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t ya r et h o u g h tt ob eg o o d t a r g e t so fi t sd r a i n a g ep e r f o r m a n c e m e a s u r ev o l u m em e t h o di sa d o p t e dt ot e s t p o r o s i t y , a n dt h ed e p e n d e n c er e l a t i o no fc o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t ya n dp o r o s i t yi s d r a w nb yt e s t s t h em e c h 酬p r o p e r t i e so fs t r e n g t ha n ds t r e s s s t r a i no fp o r o u s c o n c r e t ea r er e s e a r c h e d ，a n dt h es t r e n g t h d e v e l o p m e n tw i t ht i m e ，r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nd i f f e r e n ts t r e n g t ha n dm o d u l u sa n ds t r e n g t he t c a r ed r a w n t h ep h y s i c a l p r o p e r t i e so ft e m p e r a t u r ec o n t r a c t i o n ，d r ys h r i n k a g e ，a n t i e r o s i o na n df r o s tr e s i s t a n c e a r ea l s op r o v e dt ob ef i n eb yt e s t sa n dm e c h a n i s ma n a l y s i s o nc h a r a c t e r i s t i co f d i f f e r e n tm o l d i n gm e t h o d s ，m a r g i nc e m e n tm o r t a r sm e t h o di sp u tf o r w a r dt oe v a l u a t e t h ew o r k a b i l i t yo fp o r o u sc o n c r e t ew i t hn o n - v i b r a t i o nm o l d i n g t h em i xd e s i g n t a r g e t sa n dc r i t e r i ao fp o r o u sc o n c r e t ea l ea d v a n c e d ，v o l u m em e t h o di sa d o p t e df o r p o r o u sc o n c r e t ew i t hn o n v i b r a t i o nm o l d i n g ，a n dt h em i xd e s i g nm e t h o do fp o r o u s c o n c r e t ew i t hn o n v i b r a t i o nm o l d i n gi sp u tf o r w a r d f i n a l l y k e yw o r d s ：p o r o u sc o n c r e t ep e r m e a b l eb a s e ，n o n v i b r a t i o nm o l d i n gm e t h o d ， d r a i n a g ec a p a b i l i t y ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，w o r k a b i l i t y ，m a r g i nc e m e n tm o r t a r s m e t h o d ，m i ) 【d e s i g n ，v o l u m em e t h o d 论文独创性声明 本人声稿：本人掰呈交的学位论文楚在导j ；霹i 髂指导下，獭立逶季亍 研究工俸辨取褥的成果。除论文中已经注盟弓| 耀始内容外，对论文的 研究做出运要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 黧。 本声竣静法律责任凌本人承攫。 论文作者签名： 壹酗 论文知识产权掇属声明 猫年占月日 本人在导爆指导下赝完成的论文及相关的职务 乍撼，知识产权归 桶学校。学校攀有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发寝或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或残果瞻，署名单位赞然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝储张宣逐李t 年舌月7 目 铷签名：阢承付易年白7 醚 沁 1 1 问题的提出 、绪论 公路运输是最为便利灵活的交通运输形式，是社会发展和经济生活必不可少 及发展程度的标志。我国在经济高速发展的同时，公路交通事业也得到前所未有 的发展。随着公路建设的发展，特别是高等级公路的建设，水对公路特别是路面 结构的影响日益突出。 研究表明“1 ，水是危害公路的主要自然因素，暴雨径流可以冲毁公路及其相 关设施；积水的渗透和毛细水的上升可导致路基湿软、强度降低重者会引起路基 冻涨、翻浆及边坡塌方，甚至整个路基沿倾斜基底滑动；进入路面结构层内的水 分可浸湿无机结核料的粒料层，导致基层强度下降，使沥青面层出现剥落、龟裂 和松散；水泥混凝土路面由于接缝、裂缝多，从接缝、缝隙中渗入的水分聚集在 路面结构中，在重载的反复作用下，产生很大的动水压力，导致缝隙扩展迅速， 接缝附近的细颗粒集料软化，形成唧泥、错台、断裂：桥梁支座浸水会产生构件 老化等病害；路面排水不畅形成积水或水膜，会引起滑溜、水雾，造成安全事故。 1 1 1 水对路面结构的影响 水通过裂缝、接缝、路面表面及路肩渗入路面结构内部，还可以通过高水位 的地下水、截断的含水层进入路面结构。对于渗透性低的密实基层，这部分水则 很长时间滞留在基层与面层之间，并对路面产生各种有害影响。例如使整体性基 层表层湿软，强度降低，对面层形成不均匀支承；使水泥混凝土接缝处在动水压 力下产生唧泥，久而久之板底脱空，水泥混凝土面板失去支承，最终断板破坏： 沥青混凝土面层松散出现坑洞、唧浆、使整个路面的使用性能迅速恶化，使用寿 命大大缩短；在冰冻深度大于路面厚度的北方地区，高地下水位的不均匀冻胀， 使路面结构破坏“。3 1 。 我国高等级公路以半刚性基层沥青路面和水泥混凝土路面为主。对于半刚性 基层沥青路面来说，由于基层的干缩、温缩和沥青面层本身的温度收缩，要求沥 青路面不裂十分困难。既然裂缝不能避免，那么表面雨水和雪水沿裂缝渗入到路 面结构也在所难免。沥青面层在动水压力的反复冲刷作用下出现松散，剥落。如 果不及时予以修补，时间一长，沥青面层将出现大面积的破坏。对于水泥混凝土 路面，由于接缝的存在多，使得路面水通过接缝渗入到面层下更为有机可乘。尤 为不利的是，我国目前使用的接缝填料使用期都很短，一般在2 3 年后都老化 失去弹性，水会在沿接缝处不同程度的出现渗水现象，水分集中在基层与面板之 间，在重载反复作用下，产生很大的动水压力，导致接缝处的细粒集料软化，形 成唧泥，产生错台、断裂等病害1 4 1 。 1 1 2 减小水损害的措施 目前道路设计中强调了路面排水的重要性，主要是从防止水进入路面结构和 提高基层的抗冲刷能力出发进行研究，主要有几种方式： 1 改善路面结构的质量和结构强度来减小水损破坏。改善路面结构的质量 主要是提高沥青与矿料的粘结力要求。一旦水进入沥青混合料中，在快速重载车 辆作用下容易产生沥青剥落现象。为减轻剥落现象，改善沥青混凝上的水稳定性 和耐久性，需要增加沥青与矿料的粘结力。改善路面结构主要是提高压实标准， 增加现场空气率指标。路面水损害与压实度不足有着密切的联系。配合比设计时 空气率为4 的同一种沥青混凝上，在不同压实度下的现场空气率有明显的差异。 在压实度9 8 和9 7 时，现场空气率约为6 和7 。在这种情况下，面层的透水 性就会大大减少”“1 。 2 采用防渗水能力较好的密级配面层。研究表明，沥青混合料的透水性随 着孔隙率的增加而增大，而且存在一个临界值8 。当混合料的孔隙率大于8 后， 其透水性将随孔隙率的增加急剧增大。这意味着较大孑l 隙率的沥青混合料面临着 更为严重的水损坏。一般认为，当沥青面层的孔隙率小于4 5 时，混合料的7 l 隙相互不联通，难以透水；而混合料的孔隙率大于1 5 时，混合料内的孔隙相互 联通，水可以自由地在沥青层内流动。t e r r e l r l 认为沥青面层的孔隙率介于 5 1 5 的范围内，最容易因剥落而导致水损害。 3 设置抗冲刷能力强的基层。随着交通量的日益繁重和交通荷载的逐年增 加，冲刷和唧泥变得非常严重。为解决这一难题，于是采用坚固密实抗冲刷能力 强的基层。例如，密级配二灰碎石基层，水泥或者石灰处治基层。但这些基层都 是密实的低透水性材料，阻碍了路面渗入水的迅速排除。水一旦进入路面结构， 反而更容易受水侵蚀而发生冲刷和唧泥现象。 综上所述，从防止水进入路面结构和增强基层的抗冲刷能力等方面难以明显 改善道路的水损害，因而从排除路面渗入水的角度进行研究提供了一个新的思 路。排除进入道路结构内部的水，最有效的措施是设置路面排水设施，主要包括 路面表面排水，路面内部排水，或者设置排水沥青面层。 ( 1 ) 表面排水 表面排水一直以来都是路面必需的排水方式，虽然能迅速将水排走，但当降 水历时较长时，路表面不可避免地长时间处于积水状态，水总会沿路面接缝或裂 缝以及面层空隙等渗入路面结构内，尤其是在车辆荷载作用下会渗入的更快。 ( 2 ) 排水沥青面层 排水沥青面层在国外应用较多8 9 1 ，这种面层是用大空隙率的多孑l 性沥青 混合料铺筑而成，能迅速排走路表雨水且具有防滑、抗车辙和消音等功效。目前 这种结构形式在我国的适用性尚需进行研究论证。 ( 3 ) 路面内部系统， 无论是从防止水进入路面结构或是提高基层的抗冲刷能力，采取防封的措施 在一定程度上可以减缓水损坏的出现，但伴随使用过程，水泥混凝土路面会出现 翘曲和挠曲及填缝料损失现象，沥青路面会产生反射裂缝等。这些现象本身对路 面不会造成大的危害，但由于水的浸入，加之车辆荷载的反复作用，将会加剧其 发展，大大缩短路面的使用寿命。实践表明，在路面的使用期限内，将水彻底排 除在路面结构外几乎是不可能的，有效防治或减轻路面水损坏应从路面内部排水 入手，即设置路面结构内部排水系统1 1 2 1 0 路面结构内部排水系统包括路面边 缘排水系统和排水基层的内部排水设施。其中排水基层是路面内部排水系统的主 要形式。依据国外经验，排水性基层可以由多孔隙水泥稳定碎石材料、沥青稳定 碎石材料和级配碎石材料组成1 1 3 1 0 采用多孔隙稳定类碎石材料铺筑道路排水基层，可使渗入路面结构内的水分 能够通过竖向渗流进入排水层，然后经横向渗流进入各种排水设施而被引出至路 面结构之外，这种路面内部排水系统有利于改善路面的使用性能并提高道路的使 用寿命 1 1 1 。我国对路面排水系统的设计及研究尚处于初步阶段，特别是路面结 构内部的排水。我国1 9 9 7 年颁布的公路排水设计规范开始强调路面内部排水 设施的作用，提议采用排水基层。排水基层一般可分为两类：一类是未经处治的 开级配碎石集料排水基层，另一类是水泥或沥青处治碎石集料排水基层。未处治 的开级配透水材料由于没有结合料，为保证其长期使用性能，需要较多的细料， 因而它的渗透系数较小，其值在0 0 7 l c m s 之间。未经处治的碎石集料在旋工 过程中容易出现较大的变异性，在施工摊铺时易出现离析，并且碾压时不易压实 稳定，在施工机械行驶下易出现推移变形。在路面施工完成后由于荷载的长时间 作业，容易产生变形，使得面层形成不均匀支撑，从而使路面结构破坏。因而一 般情况下是不采用级配碎石作为排水基层。沥青处治碎石材料在国外已经得到较 为广泛的使用。考虑到我国目前国产沥青依旧供不应求，沥青材料价格仍然非常 昂贵，和水泥稳定碎石相比需要更高的工程造价。并且我国是水泥生产大国，水 泥年产量居世界首位，价格便宜，资源丰富，因此多孑l 混凝土排水基层有着广阔 的应用前景。而在多孔混凝土排水基层的研究上，国内的相关资料较少，成果也 不明显，因而对多孔混凝土排水基层进行研究是很有必要的。 1 2 国内外研究现状 自2 0 世纪4 0 年代开始，由于大量修建高速公路和机场，路面排水问题己经越 来越受重视。肋j 二1 9 4 2 年首先对美国4 8 个州的路面排水状况进行了调查，结果 表明 1 4 j 几乎所有严重破坏的路面都与水的进入有直接或间接的关系。之后公 路发达国家就逐渐认识到内部排水的重要性，重视路面结构的排水问题。许多学 者开始致力于路面结构排水系统的试验与研究工作。 排水基层是路面结构内部排水系统的重要组成部分，其结构与材料组成，直 接影响到路面结构的排水效果，从而关系到路面的长期性能。排水基层必须满足 三个方面的要求：首先，必须具有足够的渗透性，在规定的设计时间内能够排除 渗进路面结构中的水：其次，必须具有足够的稳定性以支撑路面的施工操作：最 后，必须具有足够的强度以满足路面结构的要求。 目前，国内外主要有三种方法：其一，从密级配粒料中去除一些细料，达到 所要求的渗透性，形成开级配粒料排水基层；其二，采用水泥或沥青稳定开级配 粒料，形成结合料稳定类排水基层；其三，加大空隙率和水泥用量，以达到更高 的渗透性、强度和稳定性，形成多孔混凝土排水基层1 15 1 。 开级配粒料由于施工时的离析现象严重，碾压过程不易压实稳定，且渗透系 数相对较小，国内目前应用较少。结合料稳定粒料是目前国内已建试验工程所用 的主要排水基层材料，普遍的观点是将水泥稳定开级配碎石视为半刚性材料，用 于水泥混凝土路面或沥青路面的基层，沥青稳定开级配碎石视为沥青混合料，用 于沥青路面的基层或下面层。水泥稳定开级配碎石由于没有细料的填充，传统半 刚性基层材料的成型方法对其不完全适用，且其强度相对较低，难以适应日益增 大的交通荷载的需求。 从目前的研究来看，多孔混凝土是一种性能较为优越的排水基层材料，它是 介于水泥稳定碎石和普通混凝土之间的一种贫混凝土。具有更大的空隙率，并较 之水泥稳定碎石的水泥用量有所增大，多孔混凝土的排水性能和强度都比水泥稳 定碎石有较大提高11 6 1 。 多孔混凝土排水基层的应用目前尚不多见，法国曾经在1 9 7 4 年和1 9 7 6 年修 建了多孔贫混凝土路面试验路。1 9 7 9 1 9 8 1 年在戴高乐机场水泥混凝土路面结 构中将1 0 c m 厚的多孔贫混凝土铺设于面板与水泥处治基层之间，以增加基层的 排水功能。 1 9 9 7 年8 月我国颁布公路排水设计规范( j t j 0 1 8 9 7 ) 91 1 7 1 路面内部排水系 统越来越受到重视。此后，广西交通科研所于1 9 9 9 年修筑了广西宾阳南宁多 孔贫混凝土排水基层试验路1 1 8 1 对多孔混凝土进行过一些初步研究。 长安大学在1 9 9 9 年做过路面内部排水系统的相关研究，提出了水泥稳定和 沥青稳定碎石排水基层材料的建议级配，并在路面结构内部排水系统的结构设计 和水力计算方面取得一定的突破，但在排水基层材料组成设计方面上研究不多。 此后，先后于2 0 0 1 年修筑了河南省豫3 1 线改线工程试验路1 1 9 12 0 0 3 年底修筑 了广珠西线等一系列排水系统试验路1 1 8 1 在理论研究上，长安大学郑木莲博士 采用正交试验法和均匀设计法分别对振动成型和插捣成型多孔混凝土进行研究， 并提出振动成型和插捣成型多孔混凝土的配合比设计方法1 15 1 多孔混凝土成型方法的不同，不仅对其强度和空隙率会产生较大的影响，对 材料组成设计和材料性能也会产生很大的影响。长安大学郑木莲博士对多孔混凝 土分别采用振动法和插捣法成型进行了相关研究，在此基础上，鉴于多孔混凝土 材料的特殊性，本文又提出一种新型的室内成型工艺免振捣成型，其特点是 免振动免插捣，依靠摊铺机及材料自身的自密性达到密实。 免碾压施工工艺的概念目前多用于高流态高性能混凝土。但在路面基层施工 中还未见报道。本文所提出的免碾压施工工艺却是应用于基层，这种免振捣成型 多孔混凝土基层国内外尚无研究。与传统的振动成型多孔混凝土基层相比，免碾 压旅工工艺可以取得以下主要的技术经济效果： ( 1 ) 可以提高多孔混凝土基层的质量 采用传统的振动压实施工工艺，易产生漏振或过振，使得基层的稳定性和平 整度难以保证。 ( 2 ) 可以提高劳动生产率并降低工程费用 采用传统的振动压实施工工艺，在旖工时需要有一定数量的振动压路机及其 维修费，也还需配备一定数量技术熟练的工人。而采用免碾压施工工艺，不仅可 以减少施工机械，还可以减少施工工序和周期，从而提高劳动生产率。 ( 3 ) 可以改善施工环境，减少噪音对环境的污染 目前世界各国十分重视环境保护，在防止环境污染的内容中也包括了减少噪 音的污染。采用免碾压旅工工艺可以降低噪音对环境的污染。 免振捣成型多孔混凝土是一种全新的概念，和振动成型多孔混凝土在材料 组成设计和材料性能上既有相关又有区别，对两种不同成型方法的多孑l 混凝土进 行对比研究十分必要，尤其是对免振捣成型多孔混凝土，有必要对其包括排水性 能、力学性能、工作性及配合比设计进行一系列的研究。 1 3 主要研究内容 针对目前研究现状，本课题的研究包括以下几个方面。 1 多孔混凝土成型方法与集料级配设计 多孔混凝土成型方法的不同，对强度和空隙率会产生较大的影响，从而决定 了其材料组成及设计方法的不同，本文采用振动成型和免振捣成型两种不同的方 法对多孔混凝土进行对比研究。同时，集料级配是决定多孔混凝土强度和排水能 力的重要因素。在级配理论基础上，提出多孔混凝土级配设计方法，并对免振捣 6 成型多孔混凝土分别提出了几种集料级配。 2 免振捣多孔混凝土排水性能研究 表征多孔混凝土排水性能的主要指标是空隙率和渗透系数，其中空隙率分为 有效空隙率和全空隙率。进行空隙率的测试，得出免振捣多孔混凝土有效空隙率 和全空隙率之间的关系。从渗透系数的概念入手，根据已有研究结果提出渗透系 数和空隙率的相关关系式。 3 免振捣多孔混凝土路用性能研究 对免振捣多孑l 混凝土的强度特性和变形特性进行研究，得出各强度随龄期的 发展规律及其相互之间的关系，模量与强度之间的关系等；研究免振捣多孔混凝 土的收缩、抗冲刷及抗冻等物理性质，并对试验结果进行分析。 4 免振捣多孔混凝土工作性研究 根据不同成型方法的特点，对振动成型多孔混凝土提出目测法来评价工作 性，对免振捣成型多孔混凝土提出富余浆量法来评价工作性，并提出工作性评价 指标一富余浆量比。 5 免振捣多孔混凝土配合比组成设计研究 研究多孔混凝土配合比设计的指标，即空隙率、渗透系数和强度，提出设计 指标标准。对于免振捣成型多孔混凝土，采用体积法进行配合比设计，提出其配 合比组成设计方法。 _ _ - 一、多孔混凝土成型方法及集料级配设计 2 1 试验用原材料技术性质 2 1 1 水泥 多孔混凝土作为一种基层材料，道路工程中常用的五大品种水泥均可应用， 对于高铝水泥、膨胀水泥、快硬水泥等一般不宜采用，应优先选用终凝时间较长 的水泥，宜选用3 2 5 级水泥，当强度不能满足设计要求时，考虑采用4 2 5 级水 泥。 本文所用水泥为陕西耀县水泥厂生产的秦岭牌水泥，强度等级为3 2 5 r 。水 泥实测技术指标见表2 1 。 表2 - 1 水泥实测技术指标 水泥胶砂强度 抗折强度抗压强度 凝结时间 细度 标准稠 项目度需水安定性 ( m p 小( m p a ) ( ) 量( ) 3 d 2 8 d 3 d2 8 d 初凝终凝 实测值3 8 78 51 84 4 74 h 1 2 m i n5 1 1 2 2 m i n3 8 82 7 7合格 结论合格合格合格合格合格合格合格合格合格 2 。1 2 粗集料 多孔混凝土水泥用量有限，水泥石与集料的粘结强度是多孔混凝土中最薄弱 的环节，集料应不含有机质、风化物或其他有害杂质。集料与集料之间点接触， 拌合物在施工或使用过程中，集料都要保持良好的完整性，不能破碎。粗集料实 测技术指标见表2 ，2 。 表2 - 2 粗集料实测技术指标 试验项目 松堆密度 吸水率( )含泥量( ) 针、片状含量 压碎值( ) ( g e m 3 ) ( ) 实测值 1 4 5 2 0 8 7 7 0 4 5 8 26 5 0 此外，测试粗集料的级配，其筛分结果见表2 3 。 表2 - 3 租集料筛分结果 筛孔尺寸 、( m m )3 1 52 51 91 61 3 29 54 7 52 3 6 石料 2 0 4 0 m m1 0 09 7 4 83 0 6 81 0 1 04 6 51 9 60 5 4o 1 0 2 0 m m 1 0 0 1 0 09 7 7 6 7 4 4 22 7 6 0 8 5o 0 6 0 5 1 0 m m 1 0 01 0 01 0 0l o ol o o9 1 21 0 1 2 2 1 3 细集料 采用免振捣成型方法，需加入适当含量的砂，以求提高混合料的和易性。细 度模数是表征砂粗细程度的重要指标，细度模数对应的有一个比表面积，在水泥 剂量一定的情况下，水泥净浆裹覆于砂的表面，砂越细，比表面积越大，需要的 水泥浆越多，因而胶结层会较薄，不利于强度的形成，同时也会增加混合料的干 缩量。对应的水泥剂量应有一个最优的砂率和砂的细度模数。同时砂越粗，越容 易对粗集料形成干涉，不利于形成骨架嵌挤：砂太细，则容易产生收缩，而且不 利于材料的渗透性能。推荐应使用细度模数在2 3 3 o 的中砂。细集料实测技术 指标和筛分结果分别见表2 - 4 和表2 5 。 表2 - 4 细集科实测技术指标 试验项目细度模数 含泥量( )表观密度( g m 3 )吸水率( ) 实测值 2 9 22 12 9 5 l1 2 2 6 表2 - 5 细集料筛分结果 方孔筛尺寸( m m ) 砂 0 1 5 0 3 00 6 01 182 - 3 64 7 5 以质量计的累计筛余( ) 级配 9 4 19 06 0 4 43 5 8 61 7 5 82 6 中砂范围9 0 1 0 07 0 9 24 l 7 01 0 5 00 2 50 1 0 2 2 多孔混凝土成型方法 多孔混凝土基层材料设计的最终目标是既要满足一定的强度要求，又要保证 有较大的空隙率，使其具有良好的排水性能。从结构上看，多孔混凝土和常规的 9 半刚性基层材料有很大差别。常规的稳定类基层均要求达到最大的密实度，以追 求空隙率最小为目标，集料中含有大量的细集料，在混合时逐级填充，形成密实 结构。不论是悬浮密实结构，还是骨架密实结构，在用击实法确定其最大干密度 和最佳含水量时，由于混合料中细集料较多，对冲击荷载有一定的缓冲作用，不 会使粗集料破碎，即使破碎，其程度也很小。但对于骨架空隙的多孔混凝土基层 材料，细集料含量很少甚至没有，集料大多为粗集料，集料之间为石一石接触， 在冲击荷载作用下难以产生缓冲作用，而且破碎严重，成型后其级配和目标级配 有很大差别。现行规范中基层材料的成型方式主要是针对密实结构的材料，而对 骨架空隙型结构考虑较少，因此有必要寻求该类材料的最佳成型方法。 多孔混凝土是介于水泥稳定开级配碎石和普通混凝土之间的一种材料，可以 采取不同的成型方法。但成型方法的不同，对其强度和空隙率会产生较大影响。 多孔混凝土很多性质与普通混凝土相似，可视为普通混凝土的一种特殊类型。振 动法是混凝土目前常用的成型方式，前期大量试验表明，这种方法对于多孔混凝 土同样适用。 鉴于多孔混凝土材料的特殊性，本文提出一种新型的室内成型方法一免振 捣成型。与传统的振动压实施工工艺相比，免碾压施工工艺运用于基层施工可以 提高其平整度和减少噪音对环境的污染，其更大意义在于可以大大提高劳动生产 率并降低工程费用。 现行公路工程无机结合料稳定材料试验规程中推荐了两种成型方式：击 实成型和静压成型。公路工程中常用的压实机械是压路机，压路机又分为振动压 路机和静力压路机。为了模拟施工，提供准确的参考数据，首先分析各种成型方 法的原理和特点。 1 静压成型 静压成型是利用静荷载对材料产生剪应力，使材料产生塑性变形，迫使材料 相互靠近，移动到更为稳定的位置。随着静荷载的增加，颗粒间的摩阻力也增加， 从而阻止了颗粒的大范围运动。静压力的影响深度，随着深度的增加很快减弱， 当静压力达到一定程度时，反而会破坏材料的结构。静压成型不利于颗粒间重新 排列组合形成稳定的骨架结构。但静压成型对塑性较大的悬浮密实型结构材料具 有较好的压实效果。 1 0 2 击实成型 击实成型是利用物体由一定高度自由下落与材料的表面接触，产生一定的冲 击力。冲击力产生的冲击波传入到材料中，使材料颗粒运动。冲击荷载的影响深 度较大，密实效果比静力压实的效果好。但对于大孔隙水泥稳定碎石基层来说很 少用到这种成型方式。主要由于冲击作用，极易使大颗粒材料破碎，从而改变了 原来的级配特征1 2 0 1 。 3 振动成型 振动成型是通过荷载的往复作用，使被压材料在振动冲击的作用下，由初始 的静止状态过渡到运动状态，被压材料颗粒间的摩擦力也由初始的静摩擦力转变 为动摩擦力，从而大大减小了材料颗粒间的摩阻力，有利于颗粒的运动和颗粒间 的重排。被压材料颗粒间存在许多大小不等的空隙，在振动冲击作用下，颗粒问 的位置发生变化，产生相互填充现象。即较大颗粒产生的空隙由较小颗粒填充， 形成逐级填充嵌挤结构，使材料的密实度提高。振动作用下产生剪应力，使大颗 粒不易被压碎，不会改变设计级配的特征。振动成型的特点是表面应力不大，过 程短，影响深度大，广泛适用于粘性较小的颗粒材料。 振动又分为上振法和下振法。最能代表下振法的是振动台，振动台依靠集料 本身的重力和振动台的振动使颗粒运动，在重力作用下达到密实。 4 免振捣成型 免振捣成型，顾名思义，即不振动也不插捣，将一定质量的混合料直接放入 试模内，用泥抹插入试模四周稍稍松动，然后直接抹平即可。该成型方法主要依 靠混凝土自身的自密实性成型，对混凝土的工作性要求很高，这就对多孔混凝土 的材料组成提出了新要求，需要有较多的水泥胶浆裹覆在粗集料表面，增加胶结 层的厚度，使混凝土具有一定的流动性，粗集料之间由原来的点接触变成很小的 面接触，形成很好的胶结作用，有利于强度的提高，而对混合料的渗透性能影响 较小。 从成型机理上看，多孔混凝土采用振动成型和免振捣成型方法，比较有利于 骨架嵌挤结构和强度的形成，使空隙形成均匀，也可以更好地模拟实际施工。 2 3 集料级配组成设计 集料级配是决定多孔混凝土强度和排水能力的重要因素。多孔混凝土的强度 来源主要是水泥浆的胶结力和集料之间的嵌挤作用。与水泥混凝土相比，多孔混 凝土水泥用量较少，集料级配的嵌挤作用相对较大。成型方法不同，其相对应的 集料级配组成设计也有所不同。 2 3 1 现有主要级配理论 关于级配理论的研究，实质上发源于我国的垛积理论1 2 1 1 。但这一理论在级 配应用上并没有得到发展。目前常用的级配理论，主要有最大干密度曲线理论和 粒子干涉理论1 2 2 1 ，前一理论主要描述了连续级配的粒径分布，可以用于计算连 续级配。后一理论不仅可以计算连续级配，而且还可以计算间断级配。所谓连续 级配是指某一矿质混合料在标准配成的套筛中进行筛分时，所得的级配曲线平滑 圆顺，具有连续的性质。粒径由大到下，逐级都有，并成一定的比例关系。间断 级配则指在矿料组成中，大小颗粒不是连续存在，而在某一或某几个粒径范围内 没有或含很少矿料颗粒所组成的一种混合料。如图2 1 所示。 此外，随着分形理论的发展，分形级配理论也越来越受到人们重视1 2 3 1 。 i i 十一琏墟经配曲线 向断掘陀曲线 啦f 卉而缶而了旨鼍f 辟孔尺寸( r a m ) 图2 - 1 连续级配和间断级配曲线 1 最大密度曲线理论 最大密度曲线是通过试验提出的一种理想曲线。w b 富勒( f u l l e r ) 认为t 2 4 1 ： 固体颗粒按粒度大小有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大、空隙率 最小的混合料。初期研究的理想曲线是：细集料的颗粒级配为椭圆形曲线，粗集 料为与椭圆曲线相切的直线，由这两部分组成的级配曲线，可以达到最大的密度。 s伯5 由于此种曲线计算比较复杂，经研究改进简化为“抛物线最大密度理想曲线”。 该理论认为：“矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线，则其密度愈大”。其计 算公式为： n = l 0 0 ( 分5 ( 2 - - 1 ) 式中：d ，要计算的某级集料粒径( m m ) ： d 矿质混合料的最大粒径( m m ) ： p ，一要计算的某级集料的通过量( ) 。 后来d n t a l b o l 把富勒公式发展成n 幂公式。在实际应用时，矿质混合料的 级配曲线应该允许在一定范围内波动，所以目前多采用n 次幂的通式表达1 2 5 1 ， 其计算公式为： 胪白”( 2 - - 2 ， 式中：p ，、d ，和d 意义同前 i 卜试验指数。 当式中的f l 取0 5 时即为富勒曲线。理论分析认为n = 0 3 o 7 之间时：矿 质集料具有较高的密实度，级配曲线如图2 - 2 所示。 瑚 70 毫 姜 譬柏 啊 击击告告告寺罟 号“d 垃径l g 武r a m ) 图2 - 2t a l b o l 级配曲线范围图 2 粒子干涉理论 根据c a gw e y m o u t h 研究认为1 2 6 1 ：为达到最大密度，前一级颗粒之间的空 隙，应由次一级颗粒所填充；其余空隙又由再次小颗粒所填充，但填隙的颗粒粒 径不得大于其间隙的距离，否则大小颗粒粒子之间会发生干涉现象。为避免干涉， 大小粒子之间应按一定数量分配，从临界干涉情况下导出前一级颗粒间距离应 为： ，悯叫1 3 。 沪s ， 当处于临界干涉状态时t = d ，则式( 2 - 4 ) 可写为： 肾肃 。4 式中：r - 一前粒级的间隙距离，即等于次粒级的粒径d ： 旺前粒的粒径； 次粒级的理论实积率，实积率即为堆积密度与表观密度之比； 次粒级的实用实积率。 式( 2 - - 3 ) 即为粒子干涉理论，如已知集料的堆积密度和表观密度，即可求 得集料理论实积率。连续级配d d = 1 2 时，可按式( 2 - - 4 ) 求得实用实积 率。，由实用实积率可计算出各级集料的分计筛余。 3 分形级配理论 分形( f r a c t a l ) 由美国i b m ( i n t e r n a t i o n a lb u s i n e s sm a c h i n e ) 公司研究中心 物理部研究员暨哈佛大学数学系教授曼德勃罗特( b e n o r b m a n d e l b r o t ) 于1 9 7 5 年首次提出 2 7 - 3 2 1 其原意为“不规则的、分数的、支离破碎的”物体。1 9 7 7 年他 出版了第一本著作“分形：形态，偶然性和维数”( f r a c t a l ：f o r m , c h a n c e ，a n d d i m e n s i o n ) ，标志分形理论的正式诞生。分形理论一经产生，便深入到自然科学、 社会科学的各个领域，人们把分形几何与耗散结构及混沌理论共称为2 0 世纪7 0 年代中期科学史上的重大发现。 粗略地说，分形几何就是不规则形状的几何，但是这种不规则性( 粗糙性) 具有层次性，即在不同层次( 尺度) 下均能观察到。事实上，不规则几何的抽象 化经常比在经典几何中光滑曲线和光滑平面更能精确地啮合自然世界。正如 m a n d e l b r o t ( 1 9 8 2 年) 所说：“云彩不是球面，山峰不是圆锥，海岸线不是圆圈， 闪电不按直线前进”，它们都可能是分形。分形几何的最大特点是提出维数可以 4 是分数的概念，即分维，它是定量描述分形集合特征和复杂程度的参数，其定义 和性质是分形几何形成、发展以及分形几何内涵的核心： 水泥混凝土作为具有多级多层次的复合材料体系，可以成为分形几何的研究 对象。文献3 ”利用分形理论，得出集料的分形级配公式为： v 3 - d 一3 一d j p g ) = 三可止而 ( 2 5 ) x m a x x m 式中：卜一集料粒径，一般用筛孔表示； 尸( x ) 粒径为x 的质量通过率： x 一集料最大粒径； 矗i 集料最小粒径； 卜集料粒径分布的分维值。 给出不同的分维值，就可以根据式( 2 5 ) 得到不同的级配曲线。 上述几种级配理论，从不同角度对集料级配组成进行设计。其中粒子干涉理 论计算相对复杂，应用较少。最为广泛应用的是最大密度曲线理论，对应这种理 论的级配设计方法有t a l b o l 的”法( 式2 2 ) ，前苏联提出并经林绣贤改造的k 法日4 1 等。文献b 3 1 将k 法和”法分别与分形级配理论比较，得到完全相同的结 果，揭示了分形是集料级配本质这样一条规律。鉴于级配的分形理论尚处于研究 阶段，且设计过程中级配分维值的确定尚待研究，本文部分级配选用t a l b o l 的n 法进行设计。 2 3 2 多孔混凝土集料级配设计 1 粗集料级配设计 多孔混凝土和普通混凝土的级配设计，在工程中的出发点不同5 1 ( 表2 6 ) 。 前者要求具有一定的空隙率以便能充分排水，同时必须具有一定的力学强度；而 后者则完全偏重力学强度，空隙率应尽可能小，追求密实结构。不含细集料或细 集料含量很少的多孔混凝土排水基层来讲，是一种骨架空隙结构。依靠颗粒之间 的嵌挤作用提高强度。 表2 - 6 级配设计的出发点 种类普通水泥混凝土多孔混凝土 1 空隙率最小，混合料最密实； 1 混合料空隙率满足一定要求； 出发点2 集料间有最大摩阻力，混合料有一定 2 集料间具有一定的摩阻力： 的力学强度； ( 1 ) 振动成型多孔混凝土级配设计 文献“5 1 对振动成型多孔混凝土提出了4 种级配，如表2 7 所示。 表2 7 振动成型多孔混凝土集料级配要求 筛径质量通过百分数( ) ( m m ) 级配l级配2级配3级配4 3 1 5 1 0 01 0 0 2 51 0 01 0 0 2 0 7 6 8 77 6 8 7 9 0 1 0 0 1 62 5 6 0 1 0o 55 0 7 12 0 5 5 5o 5o 1 0o 1 0 2 50 50 5 装 v 甜 求 l 皿 捌 赠 表2 7 中所示4 种级配的级配中值曲线对应如图2 3 所示。 | 彳 彳 | 卢 从左到右 | f | ff | ? fj 彳 f 。| 妙| 一， | 02551 01 62 02 53 154 0 筛孔尺寸( m ) 图2 - 3 振动成型多孔混凝土4 种集科的级配曲线 1 6 级配2 级配3 级配i 级配4 舯 阳 如 柏 如 加 m ( 2 ) 免振捣成型多孔混凝土级配设计 免振捣成型与振动成型的多孔混凝土集料组成均属于开级配。免振捣成型多 孔混凝土级配1 和级配2 采用了表2 7 中振动成型多孔混凝土两种较好的级配( 级 配2 和级配3 ) ，此外，参考美国肯塔基州排水基层级配( 级配3 ) 和沥青处治排 水基层级配( 级配4 ) b 卯。本文提出免振捣成型多孔混凝土的4 种级配列于表2 8 。 表2 - 8 免振捣成型多孔混凝土集料级配要求 筛径质量通过百分数( ) ( m m ) 级配l级配2级配3级配4 3 1 51 0 09 0 1 0 01 0 0 2 6 51 0 0 1 99 0 1 0 0 7 6 8 79 0 1 0 0 1 62 5 6 03 5 6 5 9 52 0 5 55 0 7 12 0 4 5 4 7 50 1 0o 50 1 0o 1 0 2 3 60 5o 5o 5 装 v 褂 求 l 捌 赠 表2 8 中所示4 种级配的级配中值曲线对应如图2 4 所示。 i 【 彳 厶f 彳f 0f 从左到右l f ff f j f fj j 妙 尸 筛孔尺寸( m ) 图2 4 免振捣成型多孔混凝土4 种集料的级配曲线 级配2 级配1 级配4 纽配3 量； 帅 如 如 m 2 细集料级配设计 细集料主要用于免振捣成型多孔混凝土排水基层，其用量不多，主要使混凝 土具有一定的流动性。其用量的多少主要影响空隙率，用量越多，空隙率越小， 渗透系数越小，基层的排水功能降低，而且细料越多，其干缩也越大。如果不掺 细集料，采用免振捣成型方法，不容易自密实，工作性会较差，而且单由水泥净 浆充当胶结料，在基层水泥剂量较小的情况下，无疑会减小胶结层的厚度，从而 也会降低强度，是不经济的。多孔混凝土含细集料，如采用振动成型方法，很容 易形成混和料底部集浆，不利于材料结构的均匀性和强度稳定性，但免振捣成型 不存在这样的问题。 2 3 3 集料级配的表征 集料的级配是一种分布，进行多孑l 混凝土组成设计时，需寻求有效的指标表 征其级配组成。文献5 1 表明，有效粒径、均匀系数常和集料的骨架间隙率可作 为描述集料级配的有效指标。 1 有效粒径 筛分曲线中小于某一粒径者占材料总质量x 的那种颗粒直径称为有效粒 径取。当x = 1 0 时，也可称为h a z e n 有效粒经。 有效粒经d 1 0 是材料渗透性的表征，大于有效粒经d o 的颗粒越多，材料的 粒经越大，渗透性则越强。 2 均匀系数 均匀系数g 是颗粒通过率占6 0 的粒径与占1 0 的粒径之比，即 c 。= d 6 0 d l o ( 2 6 ) 颗粒的均匀系数是一个颗粒尺寸扩展程度的表征，它说明了材料级配的密实 情况，同时也是颗粒材料渗透性的间接表示。开级配材料具有较低程度的均匀系 数，它的范围一般是2 6 ，密级配的均匀系数范围在2 0 5 0