（材料学专业论文）多孔混凝土透水基层材料组成设计与性能研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 我国公路水损害十分普遍。多孔混凝土材料作为一种开级配稳定粒料类透 水基层，具有较高的强度和很好的透水性能，对增强路面结构的排水能力，防 治水损害，改善路面的使用性能及提高其使用寿命，具有重要的作用。本文从 材料科学的角度，对多孔混凝土透水基层材料的结构、组成设计与路用性能及 其相互间的关系进行了系统的研究，并对其施工工艺参数进行了优化。 首先，在研究分析多孔混凝土的组成与结构特点的基础上，建立了多孔混 凝土透水基层材料的结构模型接触点模型。相互嵌锁的粗集料是多孔混凝土 的强度骨架、接触点处的浆体的胶结构成了混凝土的整体性。多孔混凝土透水 基层材料的强度随集料颗粒接触点数量、接触点面积和接触点强度的增加而提 高，其透水性则随空隙率和空隙连通程度的增加而增大。据此提出多孔混凝土 的设计原则是保证适当的空隙率前提下，通过增强空隙的连通程度来增大透水 基层的渗水性，通过增加接触点的数量、面积和强度提高透水基层的强度。 以接触点结构模型为指导，对多孔混凝土透水基层的集料级配和浆体组成 与结构进行了优化设计研究。集料级配决定了多孔混凝土的强度骨架，根据经 典的级配理论，设计了系列实验对多孔混凝土级配中的几个关键参数：细集料 用量、最大粒径和粗集料组成进行了优化，并结合w e y m o u t h 原理对多孔混凝土 的集料级配进行了计算，综合实验结果与理论计算以及工程实际原材料的特点， 提出了一套多孔混凝土透水基层的集料级配范围。通过级配优化后，多孔混凝 土强度提高，7 天抗压强度达到5 0 m p a 的设计指标可以节约水泥5 0 k g m 3 ，透 水性下降不明显。实验结果还表明，通过以下技术措施优化浆体组成和结构， 可以提高多孔混凝土透水基层材料的强度：提高水泥强度增大接触点处的强 度；掺入适量矿物掺合料细粉增加浆体体积及接触点面积，并改善界面过渡 区结构；掺入减水剂增强接触点处的强度；掺入适量增稠剂则起到诱导浆 体在接触点处富集的作用，提高了接触面积。 针对多孔混凝土透水基层材料混合料空隙率高，失水速度快，水泥的过快凝 结往往给混合料延迟碾压带来严重的强度损失的问题，本文采用研制的多羟基类 超缓凝剂s r a 将多孔混凝土透水基层材料延迟成型时间延长至4 h 而强度下降不 到1 0 ，并通过化学结合水、孔隙液离子浓度测试以及物相分析揭示了s r a 的缓 武汉理工大学博士学位论文 凝机理。 系统研究了经优化设计的改进型多孔混凝土透水基层材料的路用性能，采用 数字图像分析技术探讨了集料级配优化对多孔混凝土透水基层材料的改性机理， 建立了多孔透水混凝土基层材料有效空隙率和全空隙率，渗透系数与有效空隙率 的回归关系。研究表明，改进型多孔混凝土的水泥用量较少、强度较高且强度发 展稳定，抗弯拉弹性模量介于普通混凝土和半刚性基层之间，动稳性、抗冲刷性 和抗干燥收缩性明显优于水泥稳定类半刚性基层。多孔透水混凝土基层材料的 透水性和空隙率之间有很好的相关性，经级配优化后多孔透水混凝土基层材料 的透水性有一定的降低，但仍满足设计要求。 根据多孔混凝土接触点结构模型和材料组成优化设计实验结果，提出了一 种建立在体积分析方法基础上的多孔混凝土透水基层材料配合比设计方法。最 后，通过实验优化了多孔混凝土透水基层材料的拌和、成型的工艺及参数和养 生等施工关键技术，为多孔混凝土透水基层的推广应用奠定了基础。 关键词：多孔混凝土；透水基层；结构；组成设计；路用性能 l l 武汉理工大学博士学位论文 一一_ a b s t r a c t ln ew a t e rd a m a g eo ft h eh i g h w a yi sp r e v a l e n ti nc h i a n a sak i n do f p o r o u s s t r u c t u r a lm a t e r i a lm a d ew i t ho p e ng r a d u a t i o na g g r e g a t e ，t h ep e r v i o u s c o i l c r e i t eh a s m g ns t r e n g t ha n dp e r v i o u sc a p a b i l i t y , w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n h a n c i n g 龇 彻n a g ec a p a b i l i t yo ft h ep a v e m e n t ，p r e v e n t i n gt h eo c c u r r e n c eo f w a t e rd 锄a g ea i l d e x t e n d i n gi t ss e r v i c el i f e t h ec o m p o s i t i o no ft h ep e r v i o u s c o n c r e t er o a db a s e m a t e n a l l1 so p t i m i z e db yu s i n gt h ek n o w l e d g eo f m a t e r i a ls c i e n c e t h ep e 墒n n a l l c e s o tt l a e p e r v i o u sc o n c r e t ea n dt h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s si n d i c e sa r es t u d i e d s y s t 锄a 廿c a l l y t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sw a s o p t i m i z e da n dt h ep e 哟肌a n c eo f p a v e m e n ti si n v e s t i g a t e dw i t ha n e x p e r i m e n t a ls e c t i o n an e w c o n t a c t i n gp o i n tm o d e lf o r 也ep e r v i o u sc o n c r e t er o a db a s em a t e r i a l si s e s t a b l i s h e db a s e do ni n v e s t i g a t i o no ni t sc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r ec h a r a c t e 五s t i c s in en 狮e w o r ko ft h ep e r v i o u sc o n c r e t ei sm a d ew i t hi n t e r l o c k i n ga g g r e g a t c 觚i d c 锄e n tp a s t ea tt h e c o n t a c t i n gp o i n t sb e t w e e nt h ea g g r e g a t e st o g e t h e r t h es 仃e n g t ho f 也ep e 1 0 u sc o n c r e t ei n c r e a s e sw i t ht h en u m b e r , a r e aa n d s t r e n g t ho ft h ec o n ：t a c t i l l g p 0 1 鹏；t h ep e r m e a b i l i t yi n c r e a s e sw i t ht h ep o r o s i t ya n dt h e c o n n e c t i v i t yo fm ep o r e s i l a ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ep e r v i o u sc o n c r e t ei st oi n c r e a s et h e n l 】m b e r 锄e aa 耐 s t r e n g t ho ft h ec o n t a c t i n gp o i n tt oi n c r e a s ei t ss t r e n g t h ，a n di n c r e a s et h ec o 锄e c t i v i t v 毗p o 糟st om c r e a s ei t sp e r m e a b i l i t y , s u p p o s i n g 锄a p p r o p r i a t e p o r o s i t yi se n s m e d j l a ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ep e r v i o u sc o n c r e t er o a db a s e m a t e r i a li s d e s i g n e da n do p t i m i z e dw i t ht h en e w c o n t a c t i n gp o i n tm o d e l t h e 舶m e w o r ko ft h e p e r v l o u s n c r e t ew a sd e t e r m i n e db yt h eg r a d a t i o no ft h ea g g r e g a t ea c c o r d i n gt ot h e c o i e n t l 删g r a d i n gt h e o r y t h r e ek e yf a c t o r so ft h ep e r v i o u sc o n c r e t e ，e g f i n e a g g r e g a t ec o n t e n t , t h ep r o p o r t i o no ft h ec o 锄 s ca g g r e g a t ea n dm a x i n l a 】s i z eo f t h e a g g 陀g a t e ，a r es e l e c t e dt ob eo p t i m i z e da n da r ea n a l y z e dw i t ht h ew e y m o u t h t h e o r y a n0 p t n 砒g r a d a t i o nl i m i to ft h ea g g r e g a t e i sp u tf o r w a r db yac o m p r e h e n s i v e a 1 1 a l y s l s o ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h e a t r i c a li n v e s t i g a t i o na n d t h ec h a r a c t e r i s t i c s0 f 恤 r a wm a t e r i a l s t h e7d a ys t r e n g t ho ft h e p e r v i o u sc o n c r e t ew i t h 觚叩t i m i z e d 刚a t l o nm e e t st h er e q u i r e m e n to f d e s i g ns t r e n g t h ( 5 0 m p a ) w i t h5 0k 咖3c 锄e n t l e s s也a i l o r d i n a r yp e r v i o u sc o n c r e t ea n dt h e p e r m e a b i l i t yd o e sn o td e c r e 嬲e i l l 武汉理工大学博士学位论文 一 s i g n i f i c a n t l y 1 1 1 er e s u l t sa l s o s h o wt h a tt l l es t r e n g t ho fp e r v i o u sc o n c r e t ec a nb e i n c r e a s e db yo p t i m i z et h ep a s t ec o m p o s i t i o na n dt h es 缸u c t u r e o ft h ep e r v i o u s c o n c r e t eb y u s i n gh i g hg r a d ec e m e n tt oe n h a n c et h ec o n t a c t i n gp o i n t ，a d d i n g m i n e r a la d m i x t u r e st oi n c r e a s et h ea r e ao fc o n t a c t i n gp o i n ta n dt oe n h a n c et h ei t z b e t w e e nt h ep a s t ea n dt h ea g g r e g a t e ，a d d i n gp l a s t i c i z e rt oe n h a n c et h es t r e n g t ho f c e m e n tp a s t ea n d a d d i n gt h i c k e n e rt oe n r i c hc e m e n tp a s t ea tt h ec o n t a c t i n gp o i n t o ft h ep e r v i o u sc o n c r e t e 1 f 1 1 ep e r v i o u sc o n c r e t ec o n t a i n sm o r ec e m e n tt h a no r d i n a r yr o a db a s em a t e r i a la n d t h em i x t u r eh a sh i g h e l p o r o s i t y s o ，i tl o s s e sw a t e rf a s t e ra sw e l l ，a n dt h es t r e n g t hw i l l d e c r e a s ed u et ot h er a p i dh a r d e n i n go fc e m e n t an e wk i n d o fp o l y h y d r i cs u p e r r e t a r d i n ga g e n t ( s r a ) i su s e dt oe x t e n dt h ed e l a yf o r m i n gt i m eo ft h em i x n 鹏t i l e s t r e n g t hl o s so ft h ep e r v i o u sc o n c r e t ei sl e s st h a n1 0 a f t e r4 ho fd e l a yf o r m i n g t i m e 1 1 1 er e t a r d i n gm e c h a n i s mo fs k ai sa n a l y z e dw i t ht h ea m o u n to fb o u n dw a t e r , v o l u m e o fp o r el i q u i da n dm i n e r a lp h a s ea n a l y s i so fc e m e n tp a s t ec o n t a i n i n gs r a t h e p e r f o r m a n c eo f t h ep e r v i o u sc o n c r e t eb a s em a t e r i a l sw i t ha no p t i m i z e dd e s i g n a r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y 刀 ee n h a n c i n gm e c h a n i s mo ft h ep e r v i o u sr o a db a s e m a t e r i a li si n v e s t i g a t e db yu s i n gt h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ar e g r e s s i o n a n a l y s i so ft h ee f f e c t i v ep o r o s i t y , t o t a lp o r o s i t ya n dp e r m e a b i l i t y o ft h ep e r v i o u s c o n c r e t ei sp e r f o r m e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d i f i e dp e r v i o u sc o n c r e t eh a s h i g h e rs t r e n g t ht h a nt h eo r d i n a r yp e r v i o u sc o n c r e t ea n dt h ev a l u eo fi t se l a s t i c i t y m o d u l u si sb e t w e e nt h o s eo ft h er i g i da n ds e m i - r i g i dm a t e r i a l s c o m p a r e dw i t hc e m e n t s t a b i l i z e ds e m i r i g i dm a t e r i a l s ，t h em o d i f i e dr o a db a s em a t e r i a l h a sm u c hb e t t e r d y n a m i cs t a b i l i t y , a n t i s c o u r i n ga n da n t i c r a c k i n ga b i l i t i e s t h e r ei sg o o dc o r r e l a t i o n b e t w e e nt h ep e r m e a b i l i t ya n dp o r o s i t yo f t h ep e r v i o u sc o n c r e t er o a db a s em a t e r i a l t h e p e r m e a b i l i t yo ft h eo p t i m i z e dp e r v i o u sc o n c r e t er o a db a s em a t e r i a lm e e t st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，a l t h o u g hs l i g h t l yl o w e rt h a n t h a to fn o r m a lc o n c r e t er o a db a s em a t e r i a l s av o l u m e t r i cm i xp r o p o r t i o nd e s i g nm e t h o di sp u tf o r w a r db a s e d o nt h e c o n t a c t i n gp o i n t m o d e la n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t so nm a t e r i a lc o m p o s i t i o n o p t i m i z a t i o n f i n a l l y , k e yc o n s t r u c t i o np r o c e s s e ss u c ha sm i x i n g ，m o l d i n g a n dc u r i n g a r ea l s oo p t i m i z e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ，w h i c hp r o v i d es o m et e c h n i c a ls u p o r t sf o r i n t r o d u c i n ga n da p p l y i n gt h ep e r v i o u sc o n c r e t er o a db a s em a t e r i a l k e yw o r d s ：p e r v i o u sc o n c r e t e ；r o a db a s e ；s t r u c t u r a lm o d e l ；c o m p o s i t i o nd e s i g n ； p a v i n gp e r f o r m a n c e i v 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性工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文字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作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 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、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在艉密后遵守此规定) 研究生签名：导师签名： 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的与意义 我国的公路建设发展迅猛，从1 9 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，截止到2 0 0 6 年底，全国高 速公路通车里程达到4 5 4 万公里( 高速公路建设里程见图1 1 ) 【l 】，继续保持世 界第二，仅次于美国。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。水泥混凝土路面设计服役年限一级和高速公路为3 0 年，二级和二级以下 为2 0 年 2 1 沥青混凝土路面设计使用年限一级和高速公路为1 5 年，二级和二级 以下为1 3 年 3 1 ，但是由于种种病害的存在，我国公路的使用年限往往远短于设 计标准，有些公路甚至出现了严重的早期病害，给国民经济带来严重的损失， 一直以来是公路工作者关注的焦点【4 】。 8 7 8 8 8 9 9 0 9 l 9 2 9 3 9 4 9 5 9 69 7 9 8 9 9 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 y e a r f i g 1 - 1t h ed e v e l o p m e n to fs u p e r h i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nc h i n a 图1 - 1 我国高速公路发展里程1 1 , 5 o 咖 咖 咖 咖 咖 咖 咖 咖 咖 咖 。 的 蛎 们 站 衢 嘲 砌 5 武汉理工大学博士学位论文 路面的病害是由于路面在车辆的荷载和气候因素的作用下的结构破坏以及 道路材料老化而削弱乃至丧失了路面的使用性能。其中路面的水损害发生面广， 损害严重，是路面病害中最为严峻的病害之一i ”j ，同时水损害也加速了其它形 式的病害的发展，我国公路界普遍认为：超限超载车辆是公路的“第一杀手”，水 是造成路面损坏的“元凶”。i a a a r d 是早期进行路面水损害研究的人员之一，1 9 4 4 年他发现裂缝和接缝是水渗入的主要途径，并进一步研究了排水基层的排水时 间和排水量。1 9 5 1 年c a s a g r a n d e 和s h a n n o n 通过对美国m a i n e ，w i s c o n s i n ，n o r t h d a k o t a , s o u t hd a k o t a , m i c h i g a n 和z u i m o i s 六个州的机场道路的野外观测，发现 路基饱和状态的原因之一是雨水的渗透【l o j 。 1 9 6 4 年r a y 1 l 】对a a s h t o 实验路进行研究时发现，路面结构内部过多的水 是引起水泥混凝土路面破坏的主要原因，当路面结构内存在自由水时，每一次 重复荷载所导致的路面结构破坏比路面相对干燥时的破坏程度高4 0 倍。调查表 明，使用一年的路面，不论是半刚性基层沥青路面，半刚性基层水泥混凝土路 面还是刚性组合式路面，都出现了不同程度的水损害。引起水损害的根本原因 是进入路面结构层的自由水无法排出，根据p u r d u e 大学的m a t h i s 测算：设置透 水基层的路面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 ( 水 泥混凝土路面) 1 1 2 j 。 道路所处的气候环境很大程度上决定了水损害发生的几率。我国位于世界 最大的大陆一欧亚大陆的东南部，濒临世界最大的海洋一太平洋。由于海洋和 陆地热力性质的差异以及太阳辐射随季节的变化，导致冬夏问海洋与陆地上气 压的季节变化。夏季大陆形成低气压，海洋形成高气压；冬季则相反，大陆气 压高，海洋气压低，于是我国冬季盛行西北风，夏季盛行东南风。冬季风来自 高纬度的内陆，因而寒冷干燥；夏季风来自南方海洋，给大陆带来温暖潮湿的 空气，并形成降水。我国降雨量的分布状况见图1 2 ，从图中可以看出：我国南 方的降雨量十分充沛，而且降水集中于夏季，极易形成水的饱和：北方春季的 冻融翻浆也是一种典型的水损害。鉴于水损害在我国公路工程中的普遍性，如 何解决公路的水损害问题一直是公路工程的重要的技术难题之一。 对于水损害的防治，大多数学者认为应该从路面材料的设计和结构设计入 手t m l 9 1 ：控制路面材料的密实度，增强水泥混凝土路面接缝的处理，提高沥青 路面的水稳性，减少基层的收缩开裂，增强路面基层材料的冲刷性，优化路面 结构设计，一方面减少水分进入路面材料的结构内部，另一方面减少进入路面 2 武汉理工太学博士学位论文 结构的水对路面的破坏力度。 日r。 1 口r1 1 r1 ，0 1 1 4 0e r i g i 一2t h ed i s t r i b u t i o no f r a i na v e r a g ec a p a b i l i t y1 9 5 1 2 0 0 6 1 图1 2 我国从1 9 5 1 2 0 0 6 的平均年降水量的分布图 过去人们将路面的水损害归因于地下水的存在，虽然地下水是路面结构内 水的来源，但c e d e r g c n 、o b r i e n 和a i t l l a n 完成的一项研究表明，路面渗水和地 下水同等重要，加强公路工程的排水是降低路面水损害的根本办法，因而在美 国出现了一系列的路面排水指南和标准：如c e d e r g r e n 等根据对美国不同州八个 路段的早期破坏原因的研究，并于1 9 7 2 年完成的f h w a l 2 0 的路面排水指南，1 9 8 0 年m o u l t o n 对此进行了修订【2 0 1 ；1 9 7 3 年美国联邦制定了路面结构内排水系统指 南，1 9 8 6 年又进一步在a a s h t o 设计指南中，把路面结构排水质量作为一项设 计因素考虑在内“l j ：美国us a r m y c o 甲s o f e n g i n e e r s 也制定了相应的机场道路 排水设计指南，1 9 9 4 年美国空军工程学会也在颁布的e t l 工程技术条例中要求 在路面结构中设置自由水能排出的基层1 2 2 。 路面结构内部水的来源主要分成以下几种：( 1 ) 路面渗透；( 2 ) 路侧渗流； ( 3 ) 地下水上升：( 4 ) 毛细管作用。此外，温度梯度能够引起水蒸发，存在于 路面结构和路基空隙中，并由此引起水位和密度变化。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( 见图1 3 ) 现行路面排水设计 州 盯 拧 蚶 盯 ” 打 ” 武汉理工大学博士学位论文 规范主要考虑的主要是这部分水的排出【2 3 1 。 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，长期下去还会引起各种其他病害并造成结构性的 破坏。 躐 _-_-_-_一_oi_l_ 水层 f i g 1 3t h ew a t e r s 0 1 1 1 c co ft h ep a v e m e n t 图1 3 路面内水的来源 在认识到水是造成路面损坏的主要原因后，日本公路界也制定了道路排水 指南，并修建了大量的排水路面【2 3 1 。法国也是较早研究路面内部排水的国家， 在路面排水方面做了大量的工作，此外，英、德【2 4 ，2 5 1 等发达国家在路基路面排水 方面也做了不少研究工作。我国在路面结构内部排水方面的研究工作始于1 9 9 0 年，同济大学在江西萍乡市修建了一段水泥混凝土路面内部排水系统实验路。 1 9 9 6 年在广东茂名3 2 5 国道修建了沥青混凝土路面的内部排水系统实验科1 9 】， 之后又先后在1 9 9 7 年和1 9 9 8 年修建了上海远东大道实验路【2 q 和沪青平公路改 建实验路2 7 1 。同济大学对水泥混凝土路面排水进行了研究，提出了排水系统的 计算方法和计算结果，并用于完善以挠度为控制指标的路面结构设计方法【2 8 】。 重庆交通科研设计院开展了路基排水系统和设旋的课题研究，提出了建立排水 系统各种结构物几何尺寸与暴雨径流关系的路面排水设计方法，对减少路面的 4 动 l i 王一 龟 j i |悸 武汉理工大学博士学位论文 水损害起到了有效的预防作用。 随着对路面水损害机理的研究逐步深入，很多学者意识到滞留在基面层结 合处的自由水会产生很大的压力，从而造成路面的结构性破坏，设置透水性基 层不仅能排出路面的渗水，也可以阻挡地下水向路面面层的上升，是一种十分 有效的排水结构层，同时也能大幅度降低结构排水的造价。因此对透水基层的 研究也逐步引起学术界的关注。 1 2 国内外相关研究概况 1 2 1 透水路面基层的类型与发展 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：1 ) 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；2 ) 必须具有足够的工作性以及满足路面的施工 操作对材料施工性能的要求；3 ) 必须具有足够的强度以满足路面结构的设计 要求。 目前国内外主要有三种类型的排水基层：其一，从连续级配的粒料中去 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，以达到更高渗透性、强度和稳定性，形成多孔混凝土排水基 口 力写o 1 2 1 1 开级配粒料排水基层 开级配粒料基层由具有一定级配的颗粒材料组成，且包含一定量的细颗 粒，其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。这种材料 可提供要求的渗透性，衡量其渗透性的指标渗透系数大致变动于 6 0 1 0 0 0 m d ( o 0 7 - - - 1 1 6 c m s ) 。通常采用的是开级配的碎石集料，经过多年 实践，美国一些州已经形成对于开级配碎石排水基层的级配要求【8 , 1 2 1 ( 如表 1 1 所示) 。 武汉理工大学博士学位论文 表1 1美国各州开级配粒料排水基层的级配 t a b l el - lt h es t a n d a r dg r a d a t i o nr a n g eo ft h eo p e ng r a d i n gc r u s h e ds t o n ef o r d r a i n a g er o d eb a s ec o u r s ei nd i f f e r e n ts t a t e so fu s a 这种排水基层在施工摊铺时易出现离析现象，碾压时不易压实稳定，在施 工机械行驶过程中易出现推移变形，必须有合理的施工工艺方能压实。我国排 水设计规范未推荐的未处治集料排水基层的集料级配标准，只是要求了最大粒 径不大于结构层厚度的2 3 ，4 7 5 m m 通过率不大于1 0 ，宜参考表1 1 中级配 而提出具体的标准【2 9 1 。 1 212 结合料稳定粒料排水基层 结合料稳定粒料排水基层利用沥青或水泥稳定开级配粒料，主要是稳定开 级配碎石而形成。这类材料具有更开的级配，因而有很好的渗透排水能力，结 6 武汉理工大学博士学位论文 合材料的胶凝作用所提供了材料的稳定性和整体性，因此，相对而言其稳定性 有很大的改善。这类排水基层在保证材料渗透性的同时也为路面面层的施工提 供了稳定的作业平台及其使用期间的强度和承载力。 水泥稳定碎石和沥青稳定碎石的空隙率可达1 5 - - 2 5 ，渗透系数变动于 9 1 5 - - 6 l o o m d ( 1 0 5 7 0 6 c r n s ) 。沥青稳定碎石的排水性略高于水泥稳定碎石，具 有很高的排水能力。 沥青稳定碎石的沥青用量通常为2 5 0 , - 4 5 ，由于其空隙率较大，为达到一 定的强度，碎石与沥青应具有良好的粘附性，故应选石灰石，且石灰石的颗粒 形状宜接近正方体，有棱角，并有良好的级配，形成很好的嵌锁以方便碾压成 型。碎石集料用水泥稳定时，国内实践经验控制水泥含量约为1 2 0 - - 1 7 0 k g m 3 ， 国外推荐的水泥用量为1 3 0 - - 1 9 6 k g m 3 ，水灰比为o 3 7 0 4 5 。国内外常用沥青和 水泥稳定排水材料的级配如表1 2 所剥8 捌。 表1 2 结合料稳定粒料排水基层的级配 t a b l e1 - 2t h es t a n d a r dg r a d a t i o no fs t a b i l i z e dg r a n u l a rs o i lf o r d r a i n a g er o a db a s ec o u r s e 萎凳 相关规范 类型 1 叫”灿” 筛孔直径( m m ) 渗透 系数 3 8 12 5 41 9 11 2 79 5 352 40 0 7 5 ( m d ) 加利福尼亚州 1 0 09 0 - - 1 0 03 5 - 6 52 0 - - 4 5肛1 00 - - 50 - 24 5 0 0 北卡罗来那州 1 0 09 5 1 0 02 5 - - 6 0o l o0 - 5 0 - 36 1 0 0 沥青 稳定 麦阿密州 1 0 09 5 - 1 0 02 5 - 6 0o l o 威斯康星州 1 0 09 0 - - - 1 0 02 0 5 50 - 1 0 肚5 排水规范 1 0 05 0 - 1 0 0 1 5 8 5 0 - 5 加利福尼亚州 1 0 08 8 - 1 0 0x + 1 5x + 1 5o 1 60 - - 6 水泥 弗吉尼亚州 1 0 02 5 嘲肛l o0 - 5 稳定 威斯康星州 1 0 09 0 - 1 0 02 0 - 5 5o 1 0帖5 排水规范 1 0 09 5 1 0 02 5 - - 6 00 - 1 0o 5o 26 0 0 0 注：排水规范系指我国公路排水设计规范( j t j 0 1 8 9 7 公路排水设计规范) 。 x 值由承包商自定。 7 武汉理工大学博士学位论文 l 213 多孔混凝土排水基层 上述两种排水基层中，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。 多孔混凝土基层在我国亦称为大孔混凝土基层、无砂贫混凝土基层或贫混 凝土基层等，作为一种新型的排水基层材料，是介于水泥稳定碎石和普通混凝 土之间的一种水泥用量低并有很好排水能力的混凝土。由于具有更开的级配， 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 水泥稳定碎石有很大提高【3 0 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 2 7 1 。1 9 7 9 n 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。国内广西交通科研所等单位曾修筑过多孔贫混凝土排水基层试验 路【3 1 1 ，对多孔混凝土进行过一些初步研究。 但这些研究主要局限在材料的抗压强度和空隙率要求上，对其他一些物 理力学性能只是进行了初步的探讨，没有进行系统的研究。此外，对于设置 多孔混凝土排水基层的路面结构，仅凭借主观经验，更是缺乏详尽的计算与 研究。 1 2 2 多孔混凝土的应用发展 多孔混凝土( p o r o u sc o n c r e t e ) 通常称为无砂混凝土( n o f i n e sc o n c r e t e ， z e r o f i n e sc o n c r e t e ) 和透水混凝土( p e r v i o u sc o n c r e t e ) ，具有自重轻，水泥用量 少的优点p 2 1 。多孔混凝土最早的应用可以追溯到1 8 5 2 年的英格兰【3 3 】。当时主要 用于建筑两间民居和一条6 1m 长2 1 5m 宽的防波堤。在二战期间由于物质匮乏， 水泥用量小的多孔混凝土也得到了比较广泛的应用，主要用于建筑单层和两层 民宅1 3 训。最有代表性的应用是在德国斯图加特建造的一栋九层楼房( 底部的6 8 武汉理工大学博士学位论文 层是普通混凝土，顶部的3 层是多孔混凝土) 【3 5 1 。后来有报导多伦多也有透水 混凝土的多层建筑【3 6 】。 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，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 l 3 7 4 0 l 。该路面 使用1 0 年后，最终由于冻融作用而遭到破坏。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，并取得了透水性混凝土的专利【4 1 删。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【4 5 4 7 1 。此后，日本、法国瞄1 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。 多孔混凝土在我国有比较长的研究历史，同济大学最初研究了这种混凝土， 建立了一种基于查图法的多孔混凝土配合比的方法【2 6 , 2 r l ，并在房屋结构中对多孔 混凝土进行了推广应用。 在2 0 世纪七八十年代，北京园林局为了抢救古树研制了具有一定透气、透 水性的混凝土砌块，用于北京的皇家园林铺筑古树附近的广场和道路，但这种 路面和透水混凝土相比造价要高得多。目前，国内对于透水性混凝土仍处于研 究、开发的起步阶段，要达到广泛应用还需要做大量的工作。 与普通混凝土相比，透水性混凝土路面具有诸多生态方面的优点，具体表 现在以下几个方面【4 ，4 8 】： ( 1 ) 雨水能够迅速地渗入地表，还原成地下水，使地下水资源得到及时补 充； ( 2 ) 提高地表的透气性、透水性，保持土壤湿度，改善城市地表植物和土 壤微生物的生存条件，有利于生态平衡； ( 3 ) 透水性路面具有较大的空隙率，并与土壤相通，能蓄积较多的热量， 有利于调节城市空间的温度和湿度，消除热岛现象； ( 4 ) 当集中降雨时，能够减轻排水设施的负担，避免路面积水和夜间反光， 提高车辆通行的舒适性与安全性； ( 5 ) 大量的空隙能够吸收车辆行驶时产生的噪声，创造安静舒适的交通环境。 由于透水性混凝土强度较低，到目前为止主要应用在强度要求不太高，但 要求具有较高透水效果的场合，例如停车场、公园内道路、地下建筑工程、人 9 武汉理工大学博士学位论文 行道以及各种新型体育场地等。表1 3 列出了目前已有的透水性混凝土及其制品 种类和应用范围。 表1 3 透水性混凝土及其制品种类和应用范围【4 】 t a b l e s1 - 3t h e d r a i n a g ec o n c r e t ea n d i t sa p p l i c a t i o np r o j e c t s 制品种类用途 应用范围 透水管、u 型槽、水并、现浇混凝土、住宅小区、人行道、公园、道路、 透水砖、透水性联锁砌块 雨水渗透 广场、停车场、工厂区部 人行道、公园、广场、停车场、道 现浇混凝土、透水砖、透水性联锁砌块透水性铺设 路、池边、球场 透水管地下水