貧混凝土透水基層的應用

郭志濱

(張家口市交通局)

1 路面的排水能力

1.1 路表滲入率

采取常規方法,通過對國內典型地區水泥混凝土路面和瀝青路面的現場滲入率進行測試,得出以下結論:水泥混凝土路面的滲水能力與接(裂)縫的寬度,接縫料的完好程度、下臥層的透水能力等有關,其值可以在0～4000cm3/(h.cm)之間變化;瀝青路面的滲水能力和路面材料的孔隙率、裂縫的類型、裂縫的數量等有關,其值可以在0～1250cm3/(h·cm)之間變化。

采用模擬降雨器模擬不同降雨強度進行路面滲入率研究,得出在降雨強度較大時,降雨量的 95%以上都隨地面徑流而流走,僅有少部分通過瀝青面層或裂縫滲入路面內部的結論。

在對不同滲入率確定方法分析的基礎上,建議采用 1年一遇lh的設計降水強度值得 0.33～0.50(瀝青路面)或0.50～0.67(水泥混凝土路面)作為路表設計滲入率。

1.2 路面實際排水能力

試件的排水能力并不代表路面的排水能力,為此在室內采用足尺板來研究路面的實際排水能力。測試是在上游水頭恒定的條件下進行。通過試驗發現,從上游到下游,水的滲流路徑是拋物線,而不是我們通常假設的等截面。水在多孔路面材料中的滲流行為服從杜布依公式。

(1)當基層底面的橫坡為 0時,路面的排水能力如公式所示:

它不服從達西定律,而是達西定律計算值的一半。

(2)當基層底面橫坡為 S時,路面的排水能力如公式所示:

1.3 計算排水能力時滲透系數的取值方法

直接的方法,是通過實測足尺板的滲透系數作為計算路面排水能力的滲透系數k,但這種方法較為繁瑣。間接的方法,可通過對試件垂直滲透系數 k′的修正,來獲得計算路面排水能力的滲透系數 k。這種方法的優點是操作簡單,缺點是在物理意義不明確。試驗的關鍵在于在室內對試件的垂直滲透系數進行修正,使其在數值上等于路面足尺試驗板試驗所獲得的滲透系數。

間接法建立排水能力用滲透系數k的具體步驟:

第一步——進行足尺試驗板試驗得到滲透系數k;

第二步——對試驗板鉆芯,確定其確定室內滲透系數k′;

第三步——確定滲透系數 k和試件滲透系數 k′之間的修正系數A

則K=A×k′

在求得修正的滲透性系數k′后,可使用杜布依公式推求路面的排水能力。

1.4 非穩定流時的排水時間

設計基層的排水能力涉及到排水時間,與排水時間有關的是材料的孔隙率和橫坡大小。為此,我們進行了相同橫坡不同孔隙率時、以及相同孔隙率不同橫坡時,排水量與排水時間的關系試驗,結果表明,孔隙率越大或橫坡越大,排除相同水量所需的排水時間越短。

2 貧混凝土透水基層材料設計方法

2.1 試件成型方法

不同的成型方法對其多孔貧混凝土的滲透性、強度影響很大,所以對多孔貧混凝土透水基層材料的成型方法進行系統研究。

在室內,我們共進行了5種不同成型方法的試驗比較見表 1,采用 3個指標來評價成型方法的適用性,分別是集料破碎率指標、強度變異性指標和孔隙率變異性指標。

表1 不同成型方法的比較

通過分析,發現采用上置式振動成型的方法成型得到的試件,集料破碎率小、強度變異性和孔隙率變異性均較小,同時上置式振動方法和現場振動機理相近,因此推薦采用上置式振動成型的方法成型多孔貧混凝土試件。

2.2 材料的級配

為得到多孔結構,可以通過以下兩個途徑。

控制壓實度,即對材料不進行充分壓實,使其保持一定量的孔隙。

調整級配。在充分壓實的情況下,不同的級配有不同的孔隙率。

調整壓實度的方法不能充分發揮材料本身的特性,在經濟上是不可取的。因此應主要研究如何調整級配獲得透水基層材料。

通過大量的室內試驗研究,得出以下的多孔貧混凝土試件的全孔隙率的預測公式

式中:V為試件的全孔隙率;VMA為集料壓實后形成的間隙率;VCement為水泥石的體積。

2.3 配合比設計方法

(1)級配設計。

級配設計滿足以下三個原則:滲透系數符合要求、級配不離析、配制出的試件的抗壓強度符合要求。

(2)水泥用量的確定。

水泥漿的用量可以模仿瀝青混凝土計算瀝青膜的思路,建立不同水泥用量和級配之間的相關關系。假設每個集料上裹附的水泥漿膜厚度為一個確定值,那么比表面積總和與水泥膜厚度的乘積就是所用水泥漿的體積,最后水泥漿的體積再乘以水泥漿的密度即為水泥漿的質量。

(3)水灰比的確定。

試驗表明在相同集灰比條件下,在一定范圍內存在最佳水灰比使強度達到最大,但一般強度峰值并不明顯。所以尋找最佳水灰比的重點不是追求最大強度,而是追求良好的施工和易性和良好的裹附性。

目前使集料表面帶有金屬光澤的水灰比是一個比較理想的水灰比。根據經驗常用的水灰比一般為 0.39～0.41之間。

3 貧混凝土透水基層路面結構設計方法

3.1 層間粘結問題

為防止路面水泥漿下滲堵塞排水基層的孔隙,在面層和基層間采取了層間隔離措施。為此進行了室內界面接觸直剪試驗,得出不同隔離狀態下正應力與剪應力的關系曲線。從試驗結果可知,加設的隔離層對面層和基層間的層間結合狀況的影響較大,直接鋪筑時界面結合力最大,其次是新聞紙的隔離狀態。

由于采取層間隔離措施,改變了水泥路面和基層的隔離狀況,現場采用足尺板進行不同隔離狀態的頂推試驗,得到位移和頂推力曲線,現場頂推試驗為計算分析提供了依據。

3.2 水泥混凝土路面結構荷載應力分析

通過計算分析,得出以下幾個結論。

(1)本研究的計算結果和規范計算結果接近;

(2)層間結合式以基層底最大彎拉應力為控制。層間分離時需同時以對混凝土面板底及透水基層底彎拉應力進行控制;

(3)采用隔離措施時,計算狀態更接近于分離式。

3.3 溫度應力計算

通過研究獲得以下兩個成果。

(1)在計算溫度應力系數時將水泥混凝土面層和貧混凝土基層的總厚度擴展到 0.4m以上。

(2)考慮了基層切縫(有限尺寸板)和不切縫(無限大板)時的溫度應力。對基層切縫和不切縫兩種情況,都給出計算公式:

式中:σt為部分結合狀態下路面結構的溫度應力;μ為溫度應力計算系數,其值介于 0和 1之間;σtm為光滑狀態下路面結構的溫度應力;σ′tm為完全結合狀態下路面結構的溫度應力。