透水混凝土鋪裝基底材料抗凍脹性能試驗(yàn)研究

王宗海

（喀左縣水利局，遼寧 朝陽122300）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，特別是城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，河道整治成為城鎮(zhèn)建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。河岸和堤防硬化處理是河道整治工程的傳統(tǒng)模式，但是這種整治方式會(huì)造成河道生態(tài)之間的人為隔絕，不利于河道生態(tài)環(huán)境的保持和優(yōu)化，甚至還會(huì)對(duì)河道生態(tài)環(huán)境造成十分嚴(yán)重的負(fù)面影響[2]。因此，在河道整治工程中，不僅要考慮工程措施的耐久性和經(jīng)濟(jì)性，還應(yīng)該注重對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)[3]。在這一背景下，透水混凝土鋪裝已成為水利工程，特別是河道整治工程中最重要的鋪裝形式[4]。透水鋪裝可以打通河道生態(tài)系統(tǒng)和水體的有效聯(lián)結(jié)和循環(huán)，同時(shí)還可以為各種生物營(yíng)造良好的棲息環(huán)境[5]。當(dāng)然，在透水混凝土鋪裝工程設(shè)計(jì)中，其生態(tài)性和耐久性之間存在比較顯著的矛盾，北方寒區(qū)河道整治工程中的透水鋪裝尤其如此，需要解決凍融循環(huán)條件下的耐久性[6]。目前，水利工程生態(tài)透水鋪裝研究主要集中于透水混凝土砌塊的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，對(duì)鋪裝基底材料和施工因素的影響重視不足。因此，結(jié)合該領(lǐng)域的相關(guān)研究成果，通過試驗(yàn)的方法展開寒區(qū)河道工程透水混凝土鋪裝基底材料抗凍脹性能試驗(yàn)研究，力求為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)和施工提供必要的技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 透水鋪裝的結(jié)構(gòu)與材料

透水鋪裝與常規(guī)鋪裝不同，其對(duì)承載能力的要求相對(duì)較低，而比較注重水分的滲透和交換，唯有如此，才能充分保證透水鋪裝的生態(tài)意義和價(jià)值。

河道整治工程透水鋪裝的最底層一般為土基，其好壞是影響鋪裝效果的關(guān)鍵。因此，在透水鋪裝中必須要強(qiáng)化施工工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)土基的有效處理，提高透水鋪裝的使用性能。對(duì)同一工程而言，其基土的性能往往比較接近，同時(shí)無法也無必要大規(guī)模換填，因此研究中不予考慮。

透水鋪裝的基土上面一般是墊層，其主要作用是防止水分作用下基土的顆粒反滲，避免下滲通道的堵塞和基土流失[7]。此外，墊層還可以起到消散荷載的作用。墊層材料一般是碎石、粗砂和中沙。根據(jù)當(dāng)前的工程實(shí)際，此次研究選擇透水水穩(wěn)材料、透水級(jí)配碎石及開山混合料3種不同的材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。其中，透水水穩(wěn)材料墊層材料設(shè)計(jì)為30 cm透水水泥穩(wěn)定碎石，底部鋪設(shè)土工布；透水級(jí)配碎石墊層使用的碎石為過16.00 mm和0.075 mm集料篩的級(jí)配碎石，以剔除粒徑過大的碎石和粉質(zhì)物質(zhì)。開山混合料來自試驗(yàn)地采石場(chǎng)，鋪設(shè)厚度為30 cm，底部鋪設(shè)土工布。

墊層的上部是找平層，又稱為過濾層，其主要目的是整平墊層的頂面，為生態(tài)透水混凝土砌塊的鋪設(shè)營(yíng)造良好的平臺(tái)；另一方面，過濾層可以起到下滲雨水，防止污染物和固體顆粒進(jìn)入墊層和基土的作用。根據(jù)當(dāng)前的工程實(shí)際，選擇中沙、1∶3干拌水泥和石屑3種不同找平層材料進(jìn)行試驗(yàn)，厚度設(shè)計(jì)均為4 cm。

2.2 試驗(yàn)方案

研究采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式進(jìn)行。面層為玄武巖纖維混凝土生態(tài)透水磚，尺寸為20 cm×10 cm×6 cm，按照上文的不同墊層和找平層設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行透水鋪裝的施工建設(shè)，每種不同的鋪裝類型施工建設(shè)10 m2，并對(duì)結(jié)構(gòu)層溫度和凍脹量進(jìn)行檢測(cè)，以便對(duì)不同材料的抗凍脹性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。

為了方便各種不同基底材料抗凍性能的檢測(cè)和對(duì)比，研究中利用凍脹量作為抗凍性能的物理量[8]。鑒于不同結(jié)構(gòu)層的相關(guān)物理性能指標(biāo)監(jiān)測(cè)比較困難，因此利用水準(zhǔn)儀對(duì)不同材料試驗(yàn)區(qū)間隔3 d的高程進(jìn)行測(cè)量，以其差值來衡量相應(yīng)材料的抗凍性能。檢測(cè)時(shí)間從2019年10月20日開始，至2019年11月19日結(jié)束。為了研究結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的溫度變化特征，研究中使用6個(gè)智能溫度記錄儀分別對(duì)環(huán)境、找平層、墊層進(jìn)行溫度測(cè)量和記錄；記錄的間隔為1 d，記錄時(shí)間同上。將2個(gè)儀器記錄數(shù)據(jù)的均值作為最終溫度數(shù)據(jù)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 溫度變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

在鋪裝施工完成之后，將溫度探頭置于相應(yīng)位置并開始記錄溫度數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)較多，文章選擇11月1日的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表1所示。由表1的結(jié)果可知，環(huán)境溫度和墊層溫度在峰值時(shí)間上比較接近，找平層的溫度和環(huán)境溫度在變化規(guī)律上比較接近，但是兩者的差距較為明顯，而墊層的溫度和環(huán)境溫度的差值相對(duì)較小，因此結(jié)構(gòu)層的溫度受深度因素的影響比較顯著。此外，從30日的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，找平層發(fā)生2次凍融循環(huán)，而墊層發(fā)生21次凍融循環(huán)。由此可見，墊層的凍融次數(shù)明顯多于找平層，其產(chǎn)生的凍脹影響也較大，因此，及時(shí)排空該層中滯留的徑流對(duì)降低透水鋪裝的凍融破壞具有積極意義。

表1 單日溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（11月1日）

3.2 找平層材料抗凍性能對(duì)比分析

對(duì)中沙、1∶3干拌水泥漿及石屑等3種不同找平層材料透水鋪裝的凍脹量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)30 d內(nèi)的11次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出如圖1所示的凍脹量變化曲線。由圖1可以看出，在找平層施工完畢后，不同材料的找平層均首先產(chǎn)生沉降變形，并且在第3次測(cè)量，也就是第9 d時(shí)到達(dá)最大，其中石屑的下沉量最大，1∶3干拌水泥漿次之，中砂的變形量最小。之后，透水鋪裝開始產(chǎn)生凍脹變形，透水鋪裝的整體變形量由負(fù)轉(zhuǎn)正，在經(jīng)過一段時(shí)間，由于徑流排空作用的影響，透水鋪裝產(chǎn)生比較微弱的下沉變形，之后凍脹量迅速增加，并在第10次測(cè)量之后逐漸趨于穩(wěn)定。其中，石屑的凍脹量最大，1∶3干拌水泥漿次之，中砂的變形量最小。總之，試驗(yàn)結(jié)果顯示，透水鋪裝的凍脹量具有十分顯著的累積效應(yīng)，而在其他條件相同的情況下，3種不同材料的抗凍性能明顯不同，其中，中砂材料作為找平層的透水鋪裝凍脹破壞影響最小。因此，在水利工程透水鋪裝施工中，建議選擇中砂材料作為找平層的首選材料。

圖1 不同找平層材料凍脹量變化曲線

3.3 墊層材料抗凍性能對(duì)比分析

對(duì)透水水穩(wěn)、透水級(jí)配碎石及開山混合料等3種墊層材料透水鋪裝的凍脹量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)30 d內(nèi)的11次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出如圖2所示的凍脹量變化曲線。由圖2可以看出，在墊層施工完畢后，不同材料的墊層均首先產(chǎn)生沉降變形，并且在第3次測(cè)量，也就是第9 d時(shí)到達(dá)最大，其中，開山混合料墊層透水鋪裝的下沉量最大，級(jí)配碎石次之，透水水穩(wěn)的變形量最小。之后，透水鋪裝開始產(chǎn)生凍脹變形，透水鋪裝的整體變形量由負(fù)轉(zhuǎn)正，再經(jīng)過一段時(shí)間，由于徑流排空作用的影響，透水鋪裝產(chǎn)生比較微弱的下沉變形，之后凍脹量迅速增加，并在第10次測(cè)量之后逐漸趨于穩(wěn)定。其中，開山混合料墊層透水鋪裝的凍脹量最大，級(jí)配碎石次之，透水水穩(wěn)的變形量最小。總之，在其他條件相同的情況下，3種不同材料的抗凍性能明顯不同，其中透水水穩(wěn)材料作為墊層的透水鋪裝凍脹破壞影響最小。因此，在水利工程透水鋪裝施工中，建議選擇透水水穩(wěn)材料作為墊層的首選材料。

圖2不同墊層材料凍脹量變化曲線

4結(jié)論

此次研究以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式研究了不同基底材料對(duì)透水鋪裝凍脹破壞的影響，并提出了相應(yīng)的工程建設(shè)建議，主要結(jié)論如下：

1）結(jié)構(gòu)層的溫度受深度因素的影響比較顯著，墊層的凍融次數(shù)明顯多于找平層，其產(chǎn)生的凍脹影響也較大，因此，及時(shí)排空該層中滯留的徑流對(duì)降低透水鋪裝的凍融破壞具有積極意義。

2）透水鋪裝的凍脹量具有十分顯著的累積效應(yīng)。

3）在其他條件相同的情況下，3種不同材料找平層透水鋪裝的抗凍性能明顯不同，中砂材料作為找平層的透水鋪裝凍脹破壞影響最小。因此，在水利工程透水鋪裝施工中，建議選擇中砂材料作為找平層的首選材料。

4）在其他條件相同的情況下，3種不同材料墊層透水鋪裝的抗凍性能明顯不同，透水水穩(wěn)材料作為墊層的透水鋪裝凍脹破壞影響最小。因此，在水利工程透水鋪裝施工中，建議將透水水穩(wěn)材料作為墊層的首選材料。