（材料学专业论文）多孔混凝土透水基层材料设计研究.pdf

武汉理1 ：大学硕士学位论文 摘要 进入路面结构内的自由水会导致道路严重的水损害，多孔混凝土透水基层 能迅速的将滞留在路面结构内部的水排出。多孔混凝土透水基层在我国得到了 大量的研究，研究工作大多集中在多孔混凝土的工程应用和排水设计方面，对 多孔混凝土透水基层的材料设计仍没有形成一定的理论体系。本文利用材料科 学的基本原理对多孔混凝土透水基层的材料组成、结构和性能进行了研究并提 出了一种适宜于多孔混凝土路面基层的基于体积分析的配合比设计方法。 根据多孔混凝土透水基层材料的结构特点提出了多孔混凝土的接触点结构 模型，相互嵌锁的粗集料构成了材料的强度骨架，浆体在集料的接触点处胶结 而形成整体，因此多孔混凝土的强度与接触点数量、接触点面积以及接触点的 强度有关。并在此结构模型的指导下进行材料组成设计：通过最大粒径、粗集 料组成和细集料用量的优化并参照w e y m o u t h 原理的计算结果，提出了多孔混 凝土的最优级配范围；通过水泥品种的选择，矿物掺合料的加入和引入增稠剂 达到增强浆体强度、增加接触点面积、诱导浆体在接触点处的富集以增强集料 浆体界面的作用，对浆体组成和结构进行最优设计。 本文研究了多孔混凝土的透水性能，利用自制的渗透仪测试渗透系数，并 回归了渗透系数、全空隙率和有效空隙率之间的相关关系。并与传统的半刚性 和刚性基层作为对比，对多孔混凝土的强度和应力一应变、干燥收缩等性质进 行了研究。研究表明本文研制的多孔混凝土每方减少水泥用量3 0 、一5 0 k g ，总胶 凝材料用量仅为1 5 0 k g m 3 ，在保湿养护的条件下7 d 强度可达7 8 m p a ，2 8 d 强度接近1 0m p a ，透水性能良好，渗透系数在1 8 - - 3 2 c m s 之间，且干缩系数 大幅度降低。 参考国内外相关研究，并结合多孔混凝土的有关特性，提出了多孔混凝土 的设计指标和标准，并提出了一种适应于多孔混凝土透水基层材料的配合比设 计方法，包括级配设计、水泥用量计算方法和用水量的经验公式。 关键词：多孔混凝土透水基层，接触点模型，多孔混凝土材料设计，透水性能， 物理力学性质，配合比设计方法 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t s e r i o u sw a t e rd a m a g ei sb r o u g h ta b o u tb yt h ef r e es e e p i n gw a t e r , t h ep o r o u s c o n c r e t ed r a i n a g er o a d b a s ec a ni n d u c es e e p i n gw a t e ra w a yf r o mt h ep a v e m e n t s t r u c t u r ee f f i c i e n t l y m a n yw o r k so nt h ep o r o u sc o n c r e t ed r a i n a g er o a db a s eh a v e b e e nc a r d e di no u rc o u n t r y , b u tm o s to ft h e mf o c u so nt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o no fi t a n dt h ed r a i n a g es t r u c t u r ed e s i g n , t h em i xd e s i g no ft h ep o r o u sc o n c r e t ed r a i n a g e r o a db a s em a t e r i a lh a sn o tf o r m e dat h e o r e t i c a ls y s t e m t h em a t e r i a l sc o m p o s i t i o n ， s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo ft h ep o r o u sc o n c r e t ed r a i n a g er o a db a s ea r es t u d i e dw i t h m a t e r i a la p p r o a c h ，a n dak i n do fm i xd e s i g nm e t h o df i t t i n gf o rt h ep o r o u sc o n c r e t e d r a i n a g er o a db a s ei sp u tf o r w a r d ，b a s e do nv o l u m e t r i ca n a l y s i s an e wk i n do fc o n t a c t i n gp o i n tm o d e li ss e tu pa c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o r o u sc o n c r e t ed r a i n a g er o a db a s em a t e r i a l ：af r a m e w o r ki s f o r m e db yt h ei n t e r l o c k i n go ft h ec o a r s ea g g r e g a t e s ，s oab u l ki sf o r m e d ，a n dt h e s t r e n g t ho fp o r o u sc o n c r e t ei s r e l a t e dt ot h ec o n t a c t i n gp o i n ts t r e n g t h ，a r e aa n d n u m b e r t h em i xd e s i g ni sc a r r i e da c c o r d i n gt o t h ec o n t a c t i n gp o i n tm o d e l ：a n o p t i m u ml i m i to ft h ea g g r e g a t eg r a d a t i o nf o rt h ep o r o u sc o n c r e t ed r a i n a g er o a db a s e m a t e r i a li sr e c o m m e n d e d ，a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o no fm a x i m u ms i z eo fc o a r s e a g g r e g a t e ，t h ep r o p o r t i o no f f i n ea g g r e g a t e ，t h eg r a d a t i o no fa g g r e g a t ea n dc a l c u l a t i o n o fw e y m o u t ht h e o r y ；t h eo p t i m i z ed e s i g no fc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fp a s t ei s p r o c e s s e d ，b yc h o o s i n gc e m e n tv a r i e t y , a d d i n gm i n e r a la d m i x t u r e sa n dt h i c k e n i n g a g e n t t oi m p r o v ep a s t es t r e n g t h ，c o n t a c t i n ga r e aa n dp r o m o t ep a s t ee n r i c h m e n ta tt h e c o n t a c t i n gp o s i t i o nf o re n h a n c i n gi t z i nt h i sp a p e r ，t h ep e r m e a b i l i t yo fp o r o u sc o n c r e t ei ss t u d i e d ，p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n ti st e s t e dw i t ht h ea p p a r a t u sd e v e l o p e db yt h ea u t h o r , a n dc o r r e l a t i v i t y a m o n gp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，w h o l ep o r o s i t ya n de f f e c t i v ep o r o s i t ya r es t u d i e d t h es t r e n g t h ，s t r e s s s t r a i na n dd r ys h r i n k a g eo fp o r o u sc o n c r e t ea r ei n v e s t i g a t e d r e s u l ti n d i c a t e dt h a t ：t h ep o r o u sc o n c r e t ed r a i n a g er o a db a s er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r d e c r e a s e st h ec e m e n tc o n t e n tb y3 0 - 5 0 k g m ，t h ew h o l ec o n t e n to fc e m e n t i n g h 武汉理+ 【大学硕士学位论文 m a t e r i a li so n l y15 0k g o ，7 dc o m p r e s s i v es t r e n g t hc a nr e a c h7 8 m p aa n d2 8 d s a p p r o a c ht o io m p aw h i l et h ep o r o u sc o n c r e t ec u r e di nt h ec o n d i t i o no f10 0 h u m i d i t y i t sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti sb e t w e e n1 8 3 2 c r n s ，s ot h er o a db a s em a d e w i t hp o r o u sc o n c r e t eg a i n sag o o dd r a i n a g ep r o p e r t y ，a n dt h ed r ys h r i n k a g er a t i oi s d e c l i n e dm a r k e d l y a c c o r d i n gt ot h e r e l a t i v er e s e a r c ho nt h el i t e r a t u r e sa n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c hi nt h ep a p e r ，t h ed e s i g ni n d e xa n ds t a n d a r do ft h ep o r o u sc o n c r e t ea r ep u t f o r w a r d i nt h i sp a p e r ，t h em i xd e s i g nm e t h o df o rt h ep o r o u sc o n c r e t ed r a i n a g er o a d b a s ei sb r o u g h tf o r w a r d ，t h eg r a d a t i o nd e s i g n ，t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do fc e m e n t c o n t e n ta n dt h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l ao fw a t e rc o n t e n ta r ea l l i n c l u d e d k e y w o r d s ：p o r o u sc o n c r e t ed r a i n a g er o a db a s e ，c o n t a c t i n gp o i n tm o d e l ，m a t e r i a l d e s i g n ，p e r m e a b i l i t y ，p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m i xd e s i g n m e t h o d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 从19 8 8 年我国大陆第一条高速公路正式通车到现在，我国的高速公路建 设取得了举世瞩目的成就，截至到2 0 0 7 年底，全国高速公路通车里程达到5 3 万公里【1 1 。随着道路建设里程的激增，各种形式的路面病害也迅速增加，其中 路面的水损害是所有病害中最为严峻的病害之一【2 羽。 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 蚕 鐾4 0 0 0 0 酬 篷 匈 翟3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 l o o o o o 8 78 8 8 9 9 0 9 19 2 9 39 49 59 6 9 7 9 89 90 0o l 0 20 3 0 40 50 6 0 7 年份 图1 1 我国高速公路通车里程 1 1 1 路面结构的水损害 调查发现，对于使用一年以上的高速公路，不管是采用柔性路面、半刚性 路面、刚性组合式路面还是刚性路面形式，都产生了程度不同的水损害嘲。大 量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明，进入路面结构内的自由水是造成 或加速路面损坏的最重要原因之- - 7 - 9 1 。 路面结构内部水的来源【1 伽主要分成以下几种：( 1 ) 路面渗透；( 2 ) 路测渗 武汉理t 大学硕士学位论文 流；( 3 ) 地下水上升；( 4 ) 毛细管作用。通过渗漏进入路面结构内的水是引起 路面结构水损害的主要水量来源，现行路面排水规范主要设计排除这部分水。 东屡 图1 2 路面内水的来源 进入路面结构内部的水，如果不能及时排除，会降低路面结构的强度和刚 度。如果路面被水饱和，长期下去还会引发各种其它病害l ，不同路面形式有 所不同： 1 ) 水泥混凝土路面 水泥混凝土路面由于接缝、裂缝多，从接缝和裂缝渗入的水分滞留在路面 结构中。在重载的反复作用下，形成压力水的冲刷作用，对于含细料较多的基 层，冲刷作用尤为严重。同时，冲刷下来的细料会沉积在路面板下，细料越积 越多，当有轴载通过时，自由水和细料喷射出来，形成唧泥现象陋1 4 】( 图3 ) 。 唧泥作用是个渐进过程，随之会造成板底脱空、接缝间的错台，唧泥现象 严重时最终会导致水泥混凝土路面板断裂、破碎。 挠曲 细料由于抽吸而堆积 图1 3 唧泥示意图 2 断裂 武汉理t 大学硕士学位论文 2 ) 沥青路面 对于沥青路面，半刚性基层已经成为主要的基层形式。但是常用的半刚性 基层材料如水泥稳定粒料、二灰稳定粒料等，在铺筑面层前和使用过程中常产 生较多的裂缝，存在类似于水泥混凝土路面基层的水损害作用。所以，水对沥 青路面的损坏作用可从沥青面层和半刚性基层两个方面分析1 1 5 】。 自由水侵入并滞留在沥青路面内部，使得沥青和碎石的粘结力减弱，在大 量行车作用下，都会产生沥青剥落现象，最终会导致裂缝、啃边、坑洞、辙槽 等。 水透过沥青面层滞留在半刚性基层顶面，在大量高速行车作用下，自由水 产生很大的压力并冲刷基层混合料表层细料形成浆体，浆体通过裂缝被行车压 唧到路面，如此反复作用，沥青路面将产生网裂、变形和坑洞现象。 1 1 2 水损害的防治措施 对于路面水损害的防治，可以从两个方面入手：( 1 ) 优化路面材料组成与 结构设计，尽量减小水进入路面的可能，并提高路面抵抗水损害的能力；( 2 ) 合理设置路面排水设施，将进入路面结构范围内的水尽快排出。 ( 1 ) 路面材料组成与结构 对于水泥混凝土路面，应选择优良的接缝板和填充料，既要保证接缝在温 度变化时的自由收缩，也要防止雨水渗入路面结构中。 对于沥青路面，一是采用透水性小的密级配沥青混凝土，封闭路面各种接 缝和裂缝等防止水进入路面；二是提高沥青混合料的水稳定性，加强沥青与矿 料的粘结力；三是修筑具有足够强度储备的路面结构，以便抵抗荷载和水的综 合作用；四是提高路面施工工艺水平，减少混合料离析现象，控制沥青面层的 空隙率。 不管是水泥混凝土路面还是沥青路面，均应提高基层的抗冲刷能力，还应 提高基层抗裂性能，减小路面产生反射裂缝的几率，从而降低水渗入路面结构 中的可能性。 ( 2 ) 排水设施 1 ) 路面表面排水 路面表面排水是通过行车道和路肩的横向坡度，将路面表面的水排走。流 向路肩边缘的表面水，可通过漫流形式沿路基坡面排到两侧路基范围以外。 武汉理工大学硕七学位论文 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，水总是会沿着路面 接缝或裂缝以及面层空隙等渗入路面结构中。 2 ) 路面内部排水系统 实践表明，在路面的使用期限内，将水彻底排除在路面结构以外几乎是不 可能的，因此有效防治或减轻路面水损坏应以路面内部排水为出发点，即设置 路面结构内部排水系统i l 9 1 。 设置路面结构内部排水系统包括边缘排水系统、透水基层排水系统和排水 垫层排水系统【l o 】。透水基层排水系统是应用最为广泛，效果最好的方式。设置 透水基层将滞留在路面结构内部的水分迅速排出路面和路基结构以外，可以改 善路面的使用性能、提高其使用寿命。根据普度大学的m a t h i s 的测算，设置透 水基层的路面，其使用寿命比未设透水基层的路面提高3 0 ( 沥青路面) 和5 0 ( 混凝土路面) 【2 0 。 透水基层根据所用材料的种类可以分为两种类型：非稳定类基层和稳定类 基层。非稳定类基层由具有一定级配的颗粒材料，并包含一定量的细颗粒所组 成，这类基层的稳定性通过压实后形成优良的颗粒之间的力学嵌锁来实现。稳 定类基层具有更开的级配，因而具有更高的渗透能力，其稳定性是由稳定材料 在颗粒的接触点上形成的胶凝作用提供的。 目前，研究和应用比较典型的几种稳定开级配粒料类透水基层材料有：沥 青稳定碎石、水泥稳定碎石和多孔混凝土。 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。 多孔混凝土亦称为大孔混凝土或无砂贫混凝土等，是介于水泥稳定碎石和 普通混凝土之间的一种贫混凝土，水泥用量较之水泥稳定碎石有所增大，且具 有更开的级配，因此其强度和透水性能比水泥稳定碎石有很大提高。 1 2 国内外研究应用现状 国外多孔混凝土应用于路面主要有以下三种方式2 1 】：一是多孔混凝土路面， 多用于停车场或服务性路面；二是用于路面边缘排水或是路肩；三是修筑多孔 混凝土透水基层。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 7 0 年，英国曾尝试使用无砂透水混凝土浇注成常规刚性混凝土路面【2 2 】， 长1 8 3 m ，由5 c m 厚面层和2 5 c m 厚基层构成，2 8 d 强度为1 3 8 m p a 。该路面使 用l o 年后，最终由于冻融作用而遭到破坏1 2 引。美国于1 9 7 9 年在佛罗利达州 s a r a s o t a 地区的一座教堂附近，首次使用无砂多孔混凝土修建了具有透水性的 停车场f 2 4 j ，并取得了透水性混凝土的专利。美国在上世纪8 0 年代的东南部将这 种混凝土用于一些路面工程。此后，日本、法国等一些国家也相继开展了透水 性混凝土的研究，并进行了大量的工程应用，主要是一些公园和校园的道路路 面【2 1 1 。 在国外多孔混凝土透水基层的应用也不多见。1 9 7 9 1 9 8 1 年法国在戴高乐 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。美国自1 9 8 8 年以来，陆军工程兵部队和1 3 个州使用包括多孔混凝土在内的透水基层，并且在高等级公路混凝土面层下铺 设多孔混凝土基层已成为其中9 个州的标准规范。伊利诺伊州、俄克拉何马州、 威斯康星州和加利福尼亚州还制定了多孔混凝土透水基层的标准规划2 1 1 。 国内广西交通科研所【1 4 l 在柳南高速公路宾南段铺筑了双幅约5 0 0 米的多孔 混凝土透水基层实验路，在右江水利枢纽工程左岸二级公路修筑透水基层水泥 混凝土路面1 2 k m ，通过实验路的铺筑，对多孔混凝土透水基层的材料和施工工 艺进行了更深一步的研究。1 9 9 8 和1 9 9 9 年，广西交通科研所又在六良二级公 路和钦北高速公路那丽支线工程中修建了多孔混凝土透水基层沥青碎石路面， 观测这种路面结构的使用性能，从目前情况看，路面强度高，抗变形能力强， 无反射裂缝。 相对于国外，国内对多孔混凝土透水基层的研究和应用还比较少。国内同 济大学、长安大学、东南大学等已开展这方面的研究【1o ，1 9 2 5 2 7 】，广西交通科研 所1 9 9 8 年立项的水泥混凝土路面贫混凝土透水基层及排水系统的应用研究 课题，较为系统的研究了多孑l 混凝土的物理力学特性及施工工艺，对多孔混凝 土透水基层的研究取得了一定的成果。国内外关于多孔混凝土透水基层的材料 研究可以概括为如下几个方面。 1 2 1 多孔混凝土透水基层的级配研究 集料级配是决定多孔混凝土性能的关键因素之一，不仅影响多孔混凝土的 强度，而且与其透水性、空隙率等性能也密切相关，因此集料的级配一直是研 武汉理一f 大学硕十学位论文 究的重点。国内外关于多孔混凝土透水基层提出过一些级配的要求；郑木莲的 博士论文里对四种集料级配( 与水灰比、灰集比、水泥强度等因素) 进行了正 交试验分析，推荐了多孔混凝土的集料级配范围，见表卜l 。 表卜1 多孔混凝土透水基层的级配研究【4 , 1 0 , 2 8 】 注：木实验采用的是圆孔筛：对应相应筛孔为：2 5 ，2 0 ，1 0 ，5 和2 5 。 1 2 2 多孔混凝土透水基层的水泥用量 水泥的用量是多孔混凝土的一个重要的技术经济指标，由于多孔混凝土的 级配一直没有统一的要求和有影响的统一的研究结果，因此同样的灰集比( 水 泥和集料的质量比) 的混凝土，强度的变化十分显著，如表卜2 所示。 表1 2 多孔混凝土材料的强度水泥用量的关系 6 武汉理丁大学硕士学位论文 从文献的分析和对比可以看出：目前广泛使用的配比中水泥用量过高，强 度偏低，因此对多孔混凝土的经济性影响很大。改善集料级配对降低水泥用量、 提高强度十分有效。 1 2 3 多孔混凝土透水基层的性能研究 目前，国内外对多孔混凝土透水基层的性能研究，主要强调其透水性和强 度。在透水性方面，除了研究渗透系数外，广西大学开始研究其透水性的各向 异性。在力学性能方面，除了研究抗压强度以外，郑木莲等也开始研究弯拉强 度、劈裂强度、弹性模量、疲劳强度及回弹模量等性能【l 够4 1 。此外，还有一些 学者对多孔混凝土的干缩率、抗冲刷性能、抗冻性能进行了研究。也有一些研 究机构【1 0 , 1 4 j 研究了多孔混凝土透水基层的成型方式对空隙率、材料离析、强度 等性能的影响，探讨了工程施工的方式如拌合工艺、碾压工艺、特别是碾压参 数。张鹏飞【3 5 j 还研制了一种评价多孔混凝土透水基层的集料离析的装置，对多 孔混凝土的抗离析性能进行了定量的评价。 虽然国内外都有一些成功的经验，但对于多孔混凝土透水基层的研究与应 用主要侧重于多孔混凝土基层的应用，通过调查和检测来评价、分析多孔混凝 土基层的路面性能，缺乏对多孔混凝土基层本身特性的深入研究；此外，针对 透水基层材料要求、设计方法、施工工艺和使用性能评价的研究也没有形成一 套完整的理论系统。 1 3 存在的主要问题 多孔混凝土作为一种新型的路面基层材料，具有强度高、抗裂性能好、抗 冲刷能力强、排水性能好等特点。但是，国内外对于多孔混凝土的研究还处于 起步阶段，还存在着以下一些问题： ( 1 ) 国内研究的多孔混凝土材料，为了获得高渗透性，一般都完全剔除了 细集料，通常采用提高水泥用量或使用高标号水泥的方法来保证其强度，其水 泥用量偏大，普遍在1 8 0 k g m 3 ( 或灰集比l ：9 ) 以上，而强度依然不是很理想。 多孔混凝土材料的强度和渗透性之间是此消彼涨的关系。大多数研究者往往忽 略了多孔混凝土的空隙率和渗透性是有很大富余的，没有考虑过在多孔混凝土 中保留部分细集料，减小空隙率以提高强度。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 渗透系数的测试没有统一的规范。国内一些单位自行研制的多孔混凝 土渗透仪，测试精确度都不高，而且过程麻烦，操作复杂。现有的估算渗透系 数的经验公式使用条件和适用范围不尽相同，无法通用。 ( 3 ) 研究者基本上都没有考虑用矿物掺合料部分取代水泥，以提高经济性。 ( 4 ) 多孔混凝土材料的水灰比( 用水量) 还没有很好的判断标准，目前多 是依靠经验判断或是通过试配来确定。多孔混凝土材料的空隙率大，水泥浆体 有更多的机会沿着空隙下沉，堵塞空隙，影响材料的强度和渗透性。 ( 5 ) 到目前为止没有提出能够表征多孔混凝土材料性能的结构模型。 1 4 主要研究内容 针对以上现状和存在的主要问题，本文的研究包括一下几个方面： ( 1 ) 多孔混凝土结构特征研究 建立了一种接触点理论模型，用以描述多孔混凝土的结构特征，并在此结 构模型的基础上提出多孔混凝土透水基层材料的优化措施。 ( 2 ) 多孔混凝土透水基层材料组成设计研究 在接触点模型的指导下进行多孔混凝土透水基层材料优化设计：掺入细集 料增加接触点数量，优化多孔混凝土级配增强集料之间嵌锁作用，采用矿物掺 合料增加集料与浆体的界面过渡区的强度，引入增稠剂来减少离析以及诱导浆 体在集料接触点处富集来增加接触点面积，引入适当的外加剂和矿物掺合料来 增加浆体的强度。 ( 3 ) 多孔混凝土透水基层材料透水性能研究 表征多孔混凝土透水基层材料透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。研究有效空隙率和全空隙率之间的关 系，以及空隙率和渗透系数的相关关系。自制简易渗透仪用于渗透系数的测试。 ( 4 ) 多孔混凝土透水基层材料物理力学性能研究 对多孔混凝土透水基层材料的强度特性、应力应变特性进行研究，得出各 强度随龄期的发展规律及其相互之间的关系，强度与空隙率的关系等；研究多 孔混凝土透水基层材料的收缩特性，并与二灰、水泥稳定类、水泥粉煤灰稳定 类基层材料进行对比。 8 武汉理上大学硕士学位论文 ( 5 ) 多孔混凝土透水基层材料设计方法研究 研究多孔混凝土透水基层材料的设计标准和原材料要求，提出一种适应于 多孔混凝土透水基层材料的配合比设计方法。 1 5 技术路线 图l - 4 技术路线图 9 武汉理工大学硕十学位论文 本文的技术路线见图卜4 所示，通过建立多孔混凝土的结构模型，对普通 的无砂混凝土进行改性，在保证多孔混凝土的渗透系数以及空隙率的条件下， 减少水泥的用量，增加混凝土的强度，提高多孔混凝土的技术经济性。其方法 主要有：优化细颗粒用量，通过适量的细颗粒增加混凝土中的接触点数量；引 进一定量的增稠剂，诱导水泥浆体在接触点处富集，增加接触点的面积；引入 一定量的矿物掺合料，改善胶凝材料的组成，增加混凝土强度，最大限度地通 过改善多孔混凝土的结构达到改善性能的目的。并研究多孔混凝土的组成、结 构与性能之间的关系。 1 6 课题来源 西部交通建设科技项目：低噪音路面贫混凝土透水基层材料设计方法研究 ( 2 0 0 6 , - , 2 0 0 8 ) l o 武汉理王大学鞭士学位论文 第2 耄多孔混凝透水基层材料组成设计原理 材辩科学是磷究材料的组成、绻梅、往麓翻制各之阀关系的一种理论体系， 禳据零孝料的使餍性熊的要求设计材料的组成翻铡备工艺，通过材料的缀成、结 构颥测材料豹链阕性熊和使j l 寿命等，本文将剩用材料科学的基本原理对多孔 混凝土透水基层材料进行系统的磷究。多孔透水混凝土怒稚盥糨集辩隧枕堆 垛、紧密嵌锁并由水混浆体点糕结两形成的一种高度不均质材料，其主要的结 构连结高度的不均匀，普通混凝土的强度模型已经不适宜表征这秭材料的强度， 强翁在多孔混凝土结构模型方蕊还没有入进行系统研究。因此在进行多孔漫凝 土的组成优化和性麓形成枫理的研究之蓠，建立个能充分反映其结构特征的 结构模型对指导材料的缝成设计、麓工工艺设计和性麓研究都有重要的意义。 本章在多孔混凝主结构特征的纂确上，建立了种接触点理谂模型，并在此结 构模爱的指导下进行材料组成设计。 2 1 多孔混凝主材料的组成结构与强度模型 2 1 。1 组成结构 瀚予集料缀配鹃不同，混合料的结构可以分为以下三种类型 3 6 j ：骨架空隙 结构、懋浮密实结构和骨絮密实结构，如蹦2 1 所示。 b 懋浮密实绻鞫 圈2 ，l 混合料组成结擒 武汉理：【大学硕士学位论文 多孔混凝土属于骨架空隙结构，目前这种结构多采用开级配，表面包裹一 薄层水泥浆体并相互嵌锁的集料被浆体胶结成为整体，形成孔穴均匀分布的蜂 窝状结构，细集料较少或没有，细集料和浆体不足以完全填充空隙，从而具有 较大的空隙率。 2 1 2 多孔混凝土材料的强度模型 多孔混凝土是骨架空隙结构，集料与集料之间近于点接触，可以认为其强 度的形成和发展，是由水泥的胶结、集料的嵌锁、集料界面的粘结三方面决定 的。也就是说：多孔混凝土材料的强度是由颗粒之间结合的有效程度决定的。 多孔混凝土材料的强度通常低于i o m p a ，而其材料的结构单元( 集料、水泥 石) 的强度通常都在n x l o m p a - 与n x l 0 2 m p a 之间。因此多孔混凝土材料的强度与结 构单元的自身强度的关系不大，而是与结构单元之间的接触单元的强度有关。 而接触单元的强度主要依赖于接触面积以及连接点处的结合料的粘结强度( 不同 类型的作用力的大小) ，以及接触颗粒间的嵌锁和内摩擦力。因此多孔混凝土材 料的强度构成可以由以下的接触点模型【3 7 来反映。其强度可以由下式来反应： = 尺，彳，+ 石弓( 2 1 ) i = 1i = l 其中：凡材料强度； r i 接触点处连接强度5 a i 接触点面积； 石接触点处的内摩擦系数； p i 接触点处的压力。 考虑到接触点处的材料的连接强度以及接触面积的方向性，以及压力与摩 擦力的方向性，材料强度可以由如下矢量来表示： r。=c尺。，r：，r，r，； 堋以屈_ ) 1 2 ( 2 2 ) 武汉理丁大学硕士学位论文 得出的强度矢量在受力面方向上的投影，即可反映材料的强度大小。从以 上的模型可以看出，材料的强度应是如下因素的函数：接触点数量n 、接触点面 积a 、接触点处强度r 、材料的内摩擦抓压力p 以及接触点的方向性q 等。 f ( r ) = f ( n ，彳，r ，f ，p ，q ) ( 2 - 3 ) 材料组成会影响多孔混凝土材料中接触点数量、接触点面积和接触点的强 度。 单位面积接触点数量： 忙七寺以彳g ) 陋4 ， 其中：1 1 0 结构单元量； d 结构单元粒径； 矿压实度，c o m p a c tf a c t o r ； a g 一棱角性。 通常n 值越大，在应力作用下的接触点存活率会高，有利于整体性的保持。 单位面积接触点面积： a = 厂【d 2 c f ，a g ) ( 2 5 ) 接触点面积大，通常对强度是有利的，但是对整个材料的均质性而言可能 会有所降低，不利于整个材料抗裂性的改善。 接触点强度： r = 厂坼d ，b ) ( 2 6 ) 其中：h d 结合料水化进行程度； b 水化物的粘结力。 材料中接触点强度有利于材料整体强度的提高，通常相同强度的材料中， 接触点强度略高，接触点数量就会较少，对应的均质性较差，整体性和抗裂性 就会降低。 2 2 建立在多孔混凝土接触点模型基础上的最优设计 从目前使用的情况来看，多孔混凝土的空隙率都能够得到保证，通常都在 2 5 3 5 ，透水性能良好，渗透系数也大大超过排水规范【2 8 】建议的0 3 5 c m s ，但是 每方的水泥用量达到了1 8 0 2 2 0 k g m 3 ，强度则仅在5 1 0 m p a ，由于这种混凝土 武汉理工大学硕十学位论文 的强度增长不高，因此后期强度也只在6 1 2m p a 左右；目前广泛使用的水泥稳 定类路面基层材料，水泥用量通常仅有7 0 - - - 1 2 0k g m 3 ，强度为3 - - - 5 m p a ，但后 期有很明显的增长，后期强度基本在4 - - - - 1 2 m p a ，实际工程中强度会更高。因此 如何采用经济合理的方法增加多孔混凝土的强度是多孔混凝土排水基层推广应 用的关键。 由接触元强度模型及影响因素分析可知，可以从以下几个方面来提高多孔 混凝土材料的强度。 ( 1 ) 增强集料之间的嵌锁 增大集料之间嵌锁的关键就是优化粗集料级配，使粗集料相互嵌挤又不相 互干涉，形成排列紧密的空间骨架结构。粗集料的级配优化可以w e y m o u t h 的粒 子干涉理论【3 8 - 3 9 1 为指导：颗粒之间的空隙，应由次小一级颗粒填充；其所余空 隙又由再次小颗粒填充，为避免干涉，填隙的颗粒不得大于其间隙之距离，大 小粒子之间也应按一定数量分配。 ( 2 ) 增加接触点数量 本文的思路是引进一定数量的细集料，使细集料在粗集料之间相互搭接， 沾满浆体的细集料可以填充在粗集料之间，增加多孔混凝土的结构连结的数量。 即便是引进细集料数量很少，但是其颗粒数量相当可观，因此会明显增加接触 点的数量，增加细集料的目的是在不破坏或极少破坏粗集料的原堆积方式为度， 粗集料仍能形成致密的堆叠和有效的嵌锁。 粗集料 细集料 图2 2 细集料在骨架中的填充作用 另外，细集料的引入数量也对多孔混凝土的性能有重要的影响，对于其用 量的优化将在本文的第四章中详细研究。 1 4 o 武汉理工大学硕十学位论文 ( 3 ) 增加接触点强度： 增加接触点的强度包含有两个方面：1 ) 增加浆体的强度；2 ) 增加浆体和 集料表面的粘结强度。 增加接触点处的强度和胶凝材料的改性是分不开的，如采用强度等级高的 水泥可以增加浆体的强度；加入减水剂降低小水灰比增加强度，而且增加了浆 体和集料之间的粘结强度；增加一定量的不同矿物掺合料也能对浆体的强度和 浆体集料界面有明显的改善。 ( 4 ) 增加接触点面积 从以上的接触点模型可以看出：增加单个接触点的接触面积可以通过提高 集料的粒径来实现，但是却增加了材料的不均质性，并不能改善混凝土的性能。 增加单位面积里的接触点面积的办法是增加浆集比，浆集比的增加需要增加水 泥的掺量，对经济性不利。本文采用的方法是增加浆体粘稠程度，利用浆体的 内聚力诱导浆体在集料接触点处富集，实现增加接触点面积而不增加浆体用量。 在多孔混凝土中加入一定量的增稠剂，这样浆体在振动时能保持比较高的 粘度，在重力和自身的粘聚力的作用下在集料连结处富集，可以大幅度增加受 力处的接触点面积，因而可以增加多孔混凝土的强度。当然在加入增稠剂等外 加剂后，多孔混凝土的水灰比也仍然是一个重要的材料设计参数，只有合适的 水灰比才能保证浆体在集料表面的有效富集。同时增加了细集料在粗集料表面 的粘附，对混凝土强度的提高也有重要的作用。 2 3 本章小结 ( 1 ) 本章建立一种接触点模型来表征多孔混凝土的结构特征，并且认为其 强度与结构单元之间的接触点数量、接触点面积以及接触点的强度有关。 ( 2 ) 多孔混凝土透水基层的强度可以通过优化粗集料级配提高集料间的嵌 锁作用和内摩力，增加接触点数量，增加接触点面积以及增加接触点强度来实 现。 ( 3 ) 本章提出了通过引入适量的细集料数量增加接触点数；引入适当的外 加剂和矿物掺合料来增加浆体的强度以及浆体与集料的粘结力。i 引入增稠剂来 减少离析以及诱导浆体在集料接触点处富集来增加接触点面积。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章原材料与试验方法 3 1 原材料及性能 ( 1 ) 水泥 采用华新水泥厂3 2 5 级普通硅酸盐水泥，其技术性能指标和化学成分如表 3 一l 和3 2 所示。 表3 1 水泥技术性能指标 化学成分c a o s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 m g o s o ak 2 0n a 2 0 l o s s 含量 5 5 5 62 1 9 16 312 9 52 9 21 8 0o 7 20 1 3 6 3 4 ( 2 ) 碎石 采用华新搅拌站4 7 5 - 2 6 5 m m 碎石，性能及级配见表3 3 和图3 1 。 表3 3 粗集料性能 1 0 0 摹8 0 姜6 0 囊4 0 明2 0 o 3 1 5 2 6 51 91 61 3 29 54 7 5 2 3 6 筛孔尺寸r r t a 图3 1 4 7 5 2 6 5 m m 碎石级配 1 6 4 7 52 3 61 1 8o 60 30 1 50 0 7 5 筛孔尺寸m m 图3 - 2 机制砂级配 武汉理工大学硕十学位论文 ( 3 ) 细集料 采用福冈机制砂作为试验用细集料，级配如图3 2 所示。 ( 4 ) 矿物掺合料 粉煤灰取自阳逻电厂，矿渣微粉取自武钢。粉煤灰和矿渣微粉的性能检测 结果见表3 4 。 表3 4 粉煤灰与矿渣微粉的性能指标 ( 5 ) 增稠剂 增稠剂选用德国b a s f 公司生产的甲基纤维素( m e t h y lc e l l u l o s e ，m c ) ， 图3 3 是甲基纤维素醚的分子结构式。 h o h 图3 3 甲基纤维素醚的分子结构式 式中n 为纤维素分子中葡萄糖单元个数，h 或c h 3 或c h 2 c h ( o h ) c h 3 或 c h 2 c h 2 一o r 。 m c 具有类似螺纹的结构，在溶解过程中，这种高聚物分子与水分子层相 连结，产生溶胀。水分子作用如润滑油，它能使长的高聚物分子链之间距离拉 开，使溶液具有易于倾倒的粘稠流体性质。m c 应用于水泥制品中能够提高浆 体的施工附着力以及抗垂下滑能力【4 0 】。 试验中使用m c 来提高浆体在集料表面的附着力，防止浆体在振动成型的 过程中沿空隙下沉，堵塞试件底部空隙，影响排水性能；改善浆体在集料表面 的裹覆状况，使得浆体发生下沉时尽可能的在接触点处富集，增加接触面积， 提高多孔混凝土的强度。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 试验方法 3 2 1 成型与养生方式 振动法和插捣法是混凝土成型的常用方式【4 1 1 ，这两种方法对多孔混凝土同 样适用。广西交通研究所认为插捣法得到的试件较为均匀，推荐使用插捣法。 长安大学的徐江萍和郑木莲也沿用了这种插捣法。而山区公路贫混凝土透水 基层的研究报告中对多孔混凝土材料的成型方式进行了专项研究，推荐使用 上置式振动成型，或者是试件上方配重5 k g ，采用振动台成型。 试验中每个试件单独称重，单独拌和，采用振动台成型，试件上方配重5 k g ， 振动时间4 0 s 。成型圆柱体试件，尺寸为1 5 0 m m x l 5 0 r a m 。 试件成型后，在基层养护室带模养护2 4 h 脱模，脱模后用袋子装好放入基 层养护室养护至规定龄期试验。 3 2 2 常规力学性能试验 无侧限抗压强度试验：为了和普通的水泥稳定类路面基层材料的无侧限抗压 强度试验方法保持一致，多孔混凝土的无侧限抗压强度试验采用1 5 0 1 5 0 m m 圆柱体试件，采用圆柱体试模制备试件，用振动台成型，上方配重5 k g ，振动时 间约为4 0 s ；每个试件单独称重，单独拌和。成型后放入养护室保湿养护，等试 件硬化后脱模，将试模放入养护室养护到规定的龄期。每组试件6 个试块，取其 平均值为试件的无侧限抗压强度。测试前用少量水泥净浆对试件两端表面进行整 平处理，以减小受力面误差带来的强度离散； 劈裂强度试验：采用1 5 0 1 5 0 m m 圆柱体试件，测试龄期为2 8 d 和9 0 天。 同样在测试前用水泥净浆进行两端表面整平处理。 抗弯拉回弹模量试验：按照水泥混凝土抗弯拉弹性模量试验方法 ( t 0 5 5 9 2 0 0 5 ) 进行。 3 2 3 干燥收缩测试方法 借鉴混凝土徐变试验，成型1 0 0 1 0 0 4 0 0 m m 的长方体试件，干缩形变测量 装置可采用外装的带接长杆的千分表，见图3 4 。试件脱模后，用环氧树脂将测 头粘结在试件侧面中部，两测头之间相距2 0 0 m m ，