多孔水泥混凝土作為公路路面材料的性能研究

馮瑋

摘要：多孔水泥混凝土作為一種公路路面材料，具有透水性強(qiáng)、交通噪聲低、安全性高等路用性能特點(diǎn)。文章研究制備高性能多孔水泥混凝土的方法，尋求提高多孔水泥混凝土強(qiáng)度的途徑。通過(guò)試驗(yàn)得知，添加細(xì)料、高效減水劑、聚合物和硅灰對(duì)提高多孔水泥混凝土抗壓強(qiáng)度和降低連通孔隙率有顯著作用。

關(guān)鍵詞：多孔水泥混凝土;路用性能;細(xì)料;高效減水劑;聚合物;硅灰

0 引言

多孔水泥混凝土作為一種公路路面材料，因其具有較大的孔隙率，易透水，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于公路路面施工中。該材料能使已滲入路面層的積水快速被排出，有效提高了路面結(jié)構(gòu)和路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，特別是在暴雨等惡劣天氣下其優(yōu)越性尤為顯著。

多孔水泥混凝土是一種由高強(qiáng)度的水泥砂漿體裹覆具有骨架結(jié)構(gòu)的碎石混合料而形成的多孔結(jié)構(gòu)水泥混凝土材料。材料受力時(shí)，會(huì)通過(guò)混合料之間的膠結(jié)點(diǎn)傳遞力的作用。由于混合料強(qiáng)度較高，粘結(jié)點(diǎn)數(shù)量少、面積小，對(duì)多孔水泥混凝土內(nèi)部強(qiáng)度荷載的傳遞影響較大，進(jìn)而對(duì)多孔水泥混凝土的整體強(qiáng)度影響較大，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)容易受損[1]。本文總結(jié)多孔水泥混凝土材料的路用性能特點(diǎn)，研究制備高性能多孔水泥混凝土的方法，尋求提高多孔水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的途徑，為類似工程提供參考。

1 多孔水泥混凝土材料路用性能特點(diǎn)

1.1 透水性強(qiáng)

多孔水泥混凝土材料具有高比例的大孔，利用其內(nèi)部開口的孔隙，可以使積水快速下滲，為積水的排除提供有效路徑，既避免了暴雨、洪水的危害，同時(shí)也可以使地下淡水資源得到很好的補(bǔ)充。

1.2 噪聲低

多孔水泥混凝土材料利用其孔隙特征可以吸收或改變交通噪聲的傳播途徑，根據(jù)英國(guó)多孔水泥混凝土路面試驗(yàn)路段的數(shù)據(jù)顯示，多孔水泥混凝土路面相比普通水泥混凝土路面可以減少交通噪聲等級(jí)10dB以上。其降低噪聲的機(jī)理，主要包括兩個(gè)方面：（1）通過(guò)內(nèi)部的開口孔隙吸收了輪胎與路面之間的噪聲;（2）孔隙使得噪聲直接到達(dá)人耳的時(shí)間與通過(guò)路面反射到達(dá)人耳的時(shí)間存在一定的時(shí)間差，從而引起交通噪聲的削弱[2]。

1.3 安全性高

多孔水泥混凝土材料的孔隙率約為20%～25%，可以消除雨天路面打滑和雨水飛濺的安全隱患，即使在雨水天氣下輪胎也可以和多孔水泥混凝土材料很好地接觸，改善牽引力[3]。同時(shí)，減輕了潮濕路面對(duì)燈光的反射強(qiáng)度，使得行駛車輛的事故率大為減少。

2 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

水泥采用普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥，骨料采用碎石，粒徑為4.75～9.5mm。砂采用細(xì)砂，外摻劑采用硅灰、高效減水劑和聚合物乳液，聚合物乳液采用VAE乳液-707型號(hào)，為白色乳液。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 模具選定

模具采用邊長(zhǎng)100mm的立方體和100mm×100mm×400mm的長(zhǎng)方體進(jìn)行測(cè)試。用粗骨料填充測(cè)試模具，并搖動(dòng)振動(dòng)篩，以獲得最大質(zhì)量的緊密堆積的石料。可以利用這個(gè)方法來(lái)確定每單位體積的多孔水泥混凝土的粗骨料量，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)后得出石料量為1520～1680kg/m3。

2.2.2 用水量確定

在多孔混凝土混合攪拌時(shí)，過(guò)多或過(guò)少的水都難以形成合適的連通孔隙率以及所需強(qiáng)度。因此，需使用試驗(yàn)方法確定最佳耗水量。如果水消耗量太低，則水泥漿無(wú)法均勻與骨料粘合;如果水消耗量太高，則水泥漿就會(huì)下沉，降低孔隙率。只有明確最佳用水量，才能保證骨料被水泥漿完全粘合，不會(huì)掉落，并呈現(xiàn)明亮色澤。

2.2.3 制作方式

此測(cè)試過(guò)程使用振動(dòng)臺(tái)形成。將填充好材料的試件進(jìn)行振動(dòng)，并將試件的表面壓縮并抹平。形成的試件用布覆蓋以養(yǎng)生，并保持高于90%的濕度和20℃的溫度下一天后拆除模具，拆除模具后繼續(xù)養(yǎng)生6d。

2.2.4 連通孔隙率測(cè)定

水泥混凝土的連通孔隙率采用以下試驗(yàn)方法測(cè)定。首先測(cè)量試驗(yàn)品在清水中浸泡1d后的水中質(zhì)量，然后測(cè)量試驗(yàn)品在空氣中干燥1d后的質(zhì)量。多孔水泥混凝土的連通孔隙率即為水中質(zhì)量減去干燥后的質(zhì)量后與實(shí)驗(yàn)中的混凝土體積的比。

2.2.5 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗析強(qiáng)度的測(cè)試按照相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)對(duì)象的側(cè)面為受壓面。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 在混凝土中加入細(xì)料和高效減水劑

通過(guò)表1可以看到，比較第1、2組和5、6組，細(xì)砂有助于多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度的提高，但會(huì)使連通孔隙率降低。可知，孔隙率和強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)是相互矛盾的。細(xì)料的添加增加了集料和集料之間的粘結(jié)面積，使集料表面上的水泥漿膜變厚，從而提高了多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，但會(huì)引起連通孔隙率的降低。

比較第1、3組和4、6組，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出高效減水劑對(duì)連通孔隙率的提升有很大作用，而且高效減水劑的加入有效地提升了混凝土的抗壓強(qiáng)度。高效減水劑能夠提高試件表面活性，摻入高效減水劑不僅顯著降低水灰比，還可以有效改善混合物的流動(dòng)性。除此之外，高效減水劑還明顯提升了多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3.2 在混凝土中加入聚合物和硅灰

通過(guò)表2可以看出，試驗(yàn)設(shè)置了11組不同配合比的多孔水泥混凝土。并通過(guò)稠度法進(jìn)行測(cè)量水灰的最佳比例，因?yàn)楣杌揖哂休^高的比表面積，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥，因此在該混合物加入適量的硅灰之后，為了保證拌和物的和易性，可以向其中增加適量的水;同時(shí)聚合物乳液有提高拌和物和易性的作用[4]，也可以加入一定比例聚合物乳液，以達(dá)到降低水灰比的效果。

圖1～3是摻入硅灰和摻入聚合物的對(duì)比試驗(yàn)情況，從摻入硅灰試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，摻入硅灰的多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了很大的提高。當(dāng)含量為8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加效果最佳，當(dāng)含量達(dá)到10%或以上時(shí)，略有降低。連通孔隙率與硅灰的含量成反比，硅灰含量越大，連通孔隙率越小。

硅灰可填充水泥膠結(jié)材料中的微孔，從而增強(qiáng)骨料與水泥漿之間的界面粘合力，提高整體抗壓強(qiáng)度。然而，硅灰填充物使得多孔水泥混凝土的一部分孔隙被堵，導(dǎo)致連通孔隙率和排水能力下降，進(jìn)而使得多孔水泥混凝土的脆性增強(qiáng)，抗折強(qiáng)度降低。

從上面三個(gè)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，聚合物不會(huì)影響多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)聚合物含量<5%時(shí)，多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度不會(huì)顯著降低，并且抗折強(qiáng)度影響不大。但是當(dāng)聚合物的摻量>5%時(shí)，對(duì)多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)顯著降低。對(duì)比單摻硅灰和聚合物的試驗(yàn)結(jié)果，很清楚地發(fā)現(xiàn)，硅灰對(duì)提高多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度更為有效，但會(huì)導(dǎo)致孔隙率變小;聚合物在提高多孔水泥混凝土的抗折強(qiáng)度方面更有效。與硅灰相比，聚合物對(duì)降低連通孔隙率的影響相對(duì)較小。

由表3數(shù)據(jù)所示，添加聚合物和硅粉不會(huì)顯著提高多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，而抗折強(qiáng)度卻提高了15%。抗壓強(qiáng)度不如單一摻雜的有機(jī)硅粉末的抗壓強(qiáng)度，并且抗彎強(qiáng)度的改善程度也不如單一摻雜的聚合物的程度高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，添加細(xì)料可提高多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度并降低孔隙率;高效減水劑可以降低水灰比，提高多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度;硅灰和聚合物的摻入均降低了連通孔隙率;硅灰和聚合物均能使多孔水泥混凝土的強(qiáng)度提升;硅灰和聚合物單獨(dú)添加對(duì)強(qiáng)度的效果更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳 瑜，李蒙強(qiáng)，劉 洋.骨料類型與級(jí)配對(duì)多孔水泥混凝土性能的影響[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（3）：1-6.

[2]荊祿波，田 波，劉 英，等.多孔水泥商品混凝土路面降噪性能研究[J].公路，2010（7）：75-79.

[3]王亞升，王 玉，任芬瑩.海綿城市透水水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特征研究[J].四川水泥，2019（8）：8-9.

[4]劉 英，田 波，牛開民.聚合物多孔混凝土性能試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2008（9）：177-179.