多孔混凝土加鋪時機對隧道路面的影響分析

李 旭，楊 群

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

公路隧道是一個半封閉管狀結構，具有交通噪聲大、空氣污染嚴重、濕度大等環境特點[1]。而多孔水泥混凝土具有降噪、排水防眩、抗滑耐久和耐磨穩定等優點[2-4]，可應用于隧道鋪面。由于多孔混凝土強度較低，單獨作為面層一般不能達到普通混凝土路面所要求的抗壓強度[5]，而普通混凝土強度較高，且應用較為廣泛[6]，因此，隧道面層結構可采用下層普通混凝土加上層多孔混凝土的組合方式，這樣既能保證路表使用功能，又能提升面層整體強度。

由于多孔混凝土為蜂窩狀結構，與下層普通混凝土構造差異較大，在結構層模量上也存在差異，從而使得拼接結構在拼接部位的受力極為不利[7]，因此鋪筑雙層路面的關鍵問題是如何控制多孔層加鋪的時機，使其形成一個整體：多孔層材料不能過早攤鋪，否則下層普通混凝土強度不足，上層的施工會對其性能造成影響；多孔層材料也不能太晚加鋪，否則層間粘結力不足。以往關于多孔層加鋪的研究多考慮層間粘結，提出宜采用濕接法進行施工[8]。本文從雙層路面不同受力的角度出發，采用室內足尺試驗和實體工程研究多孔層加鋪時機對面層抗壓強度、抗剪強度以及劈裂抗拉強度的影響規律，以期得出多孔層加鋪的最佳時機。

1 原材料與配比

1.1 集料

普通混凝土層石料選用石灰巖，多孔層石料選用玄武巖。玄武巖和石灰巖的技術指標見表1，篩分結果見表2。

表1 玄武巖與石灰巖試驗數據Tab.1 Test data of basalt and limeston

表2 玄武巖與石灰巖篩分結果Tab.2 Screening results of basalt and limeston

細集料采用機制砂，平均粒徑為0.3～1.18 mm，細度模數為1.9，平均密度為2.601 g·cm-3。

1.2 水泥

水泥采用重慶“地維”PO42.5R普通硅酸鹽水泥，各項檢測結果見表3。

表3 水泥試驗數據Tab.3 Test data of cement

1.3 配合比

混合料配比參考以往相關研究[3，9]，每立方米的材料用量比例見表4。

表4 雙層結構試驗配合比Tab.4 Mixture ratio of double-layer structure test

2 室內足尺試驗

2.1 成型方法

足尺試驗試模采用自制木質試模，可同時制備兩塊75 cm×100 cm的水泥板，試模厚4 cm，高15 cm，其中兩塊側板用折頁作成可折疊形式，當鋪下層普通混凝土時折起上部，在鋪筑上層多孔層時放開折疊的上部。先將制備好的普通混凝土下層板在室溫下養護，再將制備好的多孔混凝土料在普通混凝土上均勻地撒布，鐵鍬整平至微高于試模，采用室內小型壓路機碾壓整平振搗，邊角處用振動器補振。鋪筑的足尺板見圖1。

圖1 室內足尺試驗Fig.1 Full scale test

2.2 檢測方法

足尺試驗板制備好后，在標準養護室中養護28 d（時間以上層多孔混凝土為準）后檢測力學性能。對足尺板鉆孔取芯進行抗壓強度和劈裂抗拉強度的測試，試件的尺寸為高h＝150mm，直徑Ф=100mm。對室內足尺板進行切割，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，在自制的試模中進行抗剪試驗，剪切角度40°，中心受剪。再次對足尺板進行切割進行抗彎拉試驗，試件尺寸為550 mm×100 mm×100 mm。

2.3 測試結果分析

按上下層混凝土不同施工時間間隔成型試件，成型溫度為35℃。下層普通混凝土制備好后，分別在成型溫度下養護1 h，2.5 h（35℃普通混凝土初凝時間），3.5 h（35℃普通混凝土終凝時間）以及2 d，7 d，14 d后再鋪筑上層的多孔混凝土。不同時間間隔試件的強度測試結果見表5和圖2。

表5 不同間隔時間的雙層結構試驗數據Tab.5 Double-layer structure test data of different time interval

由以上圖表可以看出，上下兩層的施工時間間隔對雙層結構路面的各項力學指標影響明顯。上下層時間施工時間間隔為1 h時各項指標最大，隨間隔時間增加，強度逐漸降低，且下降趨勢越來越緩，時間間隔大于7 d，強度則無明顯變化。

圖3為前三組加鋪時間對應的上下兩層混凝土交界面。

圖2 不同時間間隔的雙層結構試驗結果Fig.2 Double-layer structure test results of different time interval

圖3 不同時間間隔試件側面圖Fig.3 Specimen profile of different time intervals

在養生結束后，拆除模板可以發現在普通水泥混凝土攤鋪結束后1 h所加鋪的多孔材料孔隙幾乎被下層的水泥漿填滿，多孔層失去功效；而對于間隔時間為初凝的試驗板而言，逐漸出現分層界面，上下兩層之間形成了約1 cm的過渡區，從上表面灑水可以發現，水分很快沿孔隙流走，無積水現象；終凝試件的側視圖證明上下兩層界面清晰，接觸面無返漿現象。

3 實體工程

3.1 試驗段施工

試驗段選取的金竹窩隧道位于崇遵高速公路，為兩金隧道群的第二座隧道。參考室內足尺試驗結果，試驗段路面結構采用下層10 cm普通水泥混凝土，上層5 cm多孔水泥混凝，配合比與室內足尺試驗一致。依據室內試驗分析結果，選取下層普通混凝土完成初凝且未形成終凝的時間點3 h，以及下層混凝土養生7 d形成強度后分別進行上層多孔混凝土施工，現場采用三輥軸的施工工藝進行碾壓整平。

3.2 試驗段檢測結果分析

對兩種不同加鋪時間的試驗段面層分別進行鉆孔取芯，對力學指標的檢測方法與上節室內測試方法一致。試驗結果平均值見表7。

表7 試驗段路面強度測試結果Tab.7 Test results of pavement strength

從現場檢測數據可以看出，在相同施工間隔下，多孔層加鋪時間為3 h的試驗段路面整體強度要好于加鋪時間為7 d的試驗段，與室內足尺試驗結果一致。

對兩種不同時間間隔的試件抗壓破壞形式進行比較（7 d和3 h），見圖4所示。

從圖4中可以看出，對于加鋪時間間隔短的試件（3 h），試件受壓時裂縫從多孔層一直貫通到下層的普通混凝土層；而對于加鋪間隔時間長的試件（7 d），在受壓情況下僅僅是上部的多孔層碎裂，下部的普通混凝土只有一些微裂縫。破壞形式的不同說明，加鋪間隔時間短的試件在多孔層和普通混凝土層之間能形成明顯的過渡區，能形成整體強度。該過渡區形成的原因是在振動的過程中，下層的普通混凝土在上層多孔混合料漿體作用下水泥漿上溢，重新分布，這樣使得外力從上部的多孔層逐漸傳遞到下部的普通層，從而多孔層與普通層共同承擔上部的荷載。但加鋪間隔時間如果較長，由于多孔混凝土施工時下層普通混凝土的強度已經形成，兩層之間交界明顯，外力傳遞是間斷的，因而在下部的普通混凝土層發揮作用之前，多孔混凝土層就已經開始碎裂。

圖4 不同時間間隔的試件抗壓破壞形式Fig.4 Compressive failure form of different time intervals

4 結論

1）通過室內外試驗研究了多孔混凝土加鋪時機對雙層路面的抗壓強度、抗剪強度、劈裂抗拉強度及抗彎拉強度的影響規律。

2）室內足尺試驗表明，雙層路面的整體強度隨加鋪間隔時間增加而降低，且下降趨勢越來越緩。現場實體工程檢測對室內試驗結果進行了驗證，加鋪時間為3 h的路面強度能達到加鋪時間為7 d的路面強度的2倍。

3）從路面的整體強度看，在多孔混凝土施工過程中應盡量減小上下層施工時間間隔，但過短的時間會導致多孔層施工時孔隙被下層的水泥漿填滿，從而喪失使用效果。因此，為了使隧道路面的整體使用效果達到最優化，多孔層的加鋪時間應控制在下層普通混凝土初凝之后終凝之前。

[1]楊良，郭忠印，楊學良，等.公路隧道路面工作環境調研與分析[J].公路，2004（3）：148-152.

[2]吉青克，姚祖康.多孔水泥穩定碎石組成設計[J].同濟大學學報，2003，31（2）：161-165.

[3]楊群，王勝科，郭忠印.二級公路短隧道多孔混凝土磨耗層設計與施工[J].建筑材料學報，2007，10（4）：473-477.

[4]BEAN E Z，HUNT W F，BIDELSPACH D A.Evaluation of four permeable pavement sites in eastern north carolina for run-off reduction and water quality impacts[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2007，133（6）：583-592.

[5]鄭木蓮，陳拴發，王崇濤.多孔混凝土的強度特性[J].長安大學學報，2006，26（4）：20-25.

[6]喻樂華.現代混凝土的進展及應用[J].華東交通大學學報，2010，27（4）：1-6.

[7]馬曉暉，李立寒.新老路面結構拼接部位的受力狀態分析[J].華東交通大學學報，2010，27（1）：1-5.

[8]陳瑜，張起森，高英力.路面面層用多孔水泥混凝土力學性能試驗[J].中國公路學報，2010，23（2）：18-24.

[9]董雨明，韓森，郝培文.路用多孔水泥混凝土配合比設計方法研究[J].中外公路，2004，24（1）：86-89.