道路基層內養生透水水泥混凝土性能研究

作者簡介：陳 宇（1979—），碩士，高級工程師，主要從事高速公路工程管理研究工作。

摘要：為了避免水分對路面基層的損壞，并增強路面基層抗裂能力，文章提出將透水水泥混凝土用于道路基層，采用內養生劑提升混凝土抗裂性，同時對內養生透水水泥混凝土配合比進行了設計，并對內養生透水水泥混凝土力學性能、抗裂性能、透水性能進行測試。結果表明：內養生透水水泥混凝土的7 d抗壓強度、28 d抗壓強度、28 d抗彎拉強度分達到10 MPa、 13 MPa、2.9 MPa，說明內養生劑能有效增強透水水泥混凝土的抗裂能力，且內養生透水水泥混凝土能滿足高速公路基層強度等性能要求。

關鍵詞：內養生；透水水泥混凝土；基層；道路工程

中圖分類號：U416.216A240793

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，我國公路里程不斷增多，據《2021年交通運輸行業發展統計公報》，截止到2021年年末，全國公路總里程達528.07萬km，其中高速公路里程為16.91萬km^［1］。我國公路路面基層的主要形式是半剛性水泥穩定碎石基層，其具備強度優勢的同時也存在一些問題。眾所周知，水分是造成路面病害發展的重要因素。現階段，我國公路的路面、路基大都不具備透水功能，路面積水會沿著混合料內部空隙、路面裂縫流入路面結構內部，基層將處于長期浸泡狀態；再者，半剛性水泥穩定碎石基層容易出現干縮、溫縮等裂縫，以上問題會導致基層混合料物理力學性能迅速降低，在荷載、雨水、紫外線等作用下，最終致使路面的行駛狀況水平嚴重下降^［2-3］。

為了改善混凝土的抗裂性能，國內外相關學者提出了內養生技術^［4-5］。內養生技術的核心在于堿容性吸水樹脂（SAP）。吸水樹脂由于自身的管孔結構及吸水特性，能蓄積一定量的水分。通過在混凝土中加入吸水樹脂，且由于混凝土內部濕度具有一定梯度，吸水樹脂在混凝土內部能不斷釋放水分，促進水泥水化反應的進行，降低混凝土的自收縮及干縮等開裂^［6-8］。

為了避免水分對路面基層的損壞，并增強路面基層抗裂能力，本文基于大空隙水泥混凝土的透水優勢，采用大孔隙透水水泥混凝土材料作為基層，其路面結構一般如圖1所示。通過往大空隙透水混凝土中摻入吸水樹脂（內養生劑），對透水混凝土實現內養護，并將透水技術、內養生技術相結合，以期達到提升路面基層的效果。為了掌握基層用內養生透水混凝土的相關性能，探明吸水樹脂對透水混凝土的影響，文章設計了內養生透水混凝土的配合比，測試了內養生透水混凝土的力學強度、抗裂性能及透水性能。

1 原材料

1.1 內養生劑

利用丙烯酸單體經NaOH中和后，在引發劑作用下，加成聚合得到內養生劑。內養生劑相關指標如表1所示。

1.2 水泥

采用蒲廟牌P·O42.5水泥，該水泥的具體指標如下頁表2所示。

1.3 骨料

內養生透水水泥混凝土采用10～20 mm單粒徑天然普通石灰巖骨料。表3為骨料的基本指標信息。

1.4 減水劑

內養生透水水泥混凝土拌和中采用重慶振邦高效減水劑，固含量為10%，減水率為20%。

1.5 拌和用水

項目采用南寧市居民生活用自來水。

2 內養生透水水泥混凝土配合比設計

內養生透水水泥混凝土為無砂大空隙混凝土，本文基于體積控制法對內養生透水水泥混凝土進行配合比設計。體積控制法的核心思路是基于設計的混凝土目標空隙率，利用一定量的水泥膠漿對骨料形成的骨架結構部分空隙進行填充，得到空隙率可控的大孔隙透水水泥混凝土。

內養生透水水泥混凝土配合比設計過程中主要涉及的參數包括：骨料的緊密堆積密度、骨料用量的修正系數、目標空隙率、集料緊密堆積空隙率、水灰比的選擇、水泥密度、外加劑摻量等，并采用《透水水泥混凝土路面技術規程》（CJJT135-2009）^［9］中推薦的計算方法得到的骨料、水泥、水、外加劑在單位體積混凝土中的用量。根據課題組前一階段研究成果，內養生透水水泥混凝土用于基層，確定內養生透水水泥混凝土目標空隙率為25%，水膠比取0.275，內養生劑質量為水泥質量的0.2%。表4為內養生透水水泥混凝土配合比，其中OPC為普通透水水泥混凝土，SPC為內養生透水水泥混凝土。

3 內養生透水水泥混凝土的拌和、成型、養護

3.1 拌和

按表4中的配合比制備透水水泥混凝土。內養生透水水泥混凝土的拌和工藝如圖2所示。拌和用水分兩次加入攪拌鍋中，目的是提高水泥漿體對骨料的裹附均勻性。

3.2 成型

由于透水水泥混凝土存在較大空隙，在激振力的作用下，水泥漿體將會快速下降，可能會造成透水水泥混凝土底部空隙封閉的情況，致使混凝土喪失透水功能，因此本文不采用水泥混凝土標準振動臺對透水混凝土成型，而利用插搗方式成型透水混凝土。

插搗方式注意要點：（1）混凝土分兩層裝入模具中，每層插搗次數≥30次；（2）插搗時，搗棒垂直插搗，插搗第一層時，應插搗至模具底部，插搗第二層時，應該插入第一層15～20 mm左右；（3）每層插搗完畢時，用橡皮錘敲擊模具側壁15次。

3.3 養護

采用標準養護對內養生透水水泥混凝土進行養護。因為透水混凝土空隙大，同外界接觸面積大，水分容易散失，透水混凝土成型后，必須用薄膜將表面封住，防止水分散失。成型24 h后，透水混凝土試件拆模，放置在溫度為20 ℃±2 ℃、相對濕度為95%以上環境下進行標準養護。

4 試驗結果與分析

4.1 抗壓強度

采用萬能試驗機測試透水水泥混凝土的抗壓強度。透水水泥混凝土的7 d、28 d抗壓強度如圖3所示。

由圖3可知，較普通透水水泥混凝土而言，內養生透水水泥混凝土的7 d抗壓強度有所降低，但28 d抗壓強度有一定增長，這主要同內養生吸水樹脂有關。前一階段，吸水樹脂在混凝土拌和過程中會吸附一定量的拌和用水，此時吸水樹脂對外釋放水分較少，導致水泥漿體缺少自由水，水化反應進程變緩；再者吸水樹脂吸水膨脹、釋水收縮后會在水泥漿體固化物中留下微空隙，導致內養生透水水泥混凝土的7 d抗壓強度降低。隨著時間的延長，水泥水化反應需要不斷消耗水分，普通透水水泥混凝土可能缺少水分，致使水泥水化不完全，強度受到一定影響；而內養生吸水樹脂儲蓄了一定的水分，其會不斷向水泥漿體固化物中釋放水分，促進水泥水化反應的進行，并且水泥充分水化之后生成的水化產物，能填充前一階段留下的微空隙，因此內養生透水水泥混凝土的28 d抗壓強度有一定提升。內養生透水水泥混凝土的7 d抗壓強度達到10 MPa左右，28 d抗壓強度達到13 MPa左右，完全能滿足高速公路基層強度要求。

4.2 抗彎拉強度

采用萬能試驗機測試透水水泥混凝土的抗彎拉強度。透水水泥混凝土的28 d抗彎拉強度如表5所示。

通過測試透水混凝土實際空隙率，發現透水混凝土實際空隙率基本同目標空隙率差別較小，表明上述透水混凝土配合比設計方法可行。高速公路工程對基層混合料抗彎拉強度無要求，內養生透水水泥混凝土與普通透水水泥混凝土28 d抗彎拉強度相當，均達到2.5 MPa以上，意味著內養生透水水泥混凝土比傳統水泥穩定碎石混合料有明顯的強度優勢，可適用于公路基層。

4.3 抗裂性能

采用平板法早期抗裂試驗方法測試透水水泥混凝土板早期抗塑性開裂性能，通過平板約束模具測試塑性開裂情況，平板約束作用會產生應力，誘導混凝土產生塑性裂縫。透水水泥混凝土板的開裂情況如表6所示。

通過表6的開裂時間、裂縫條數、最大裂縫寬度、最大裂縫長度、開裂面積五個指標評價透水水泥混凝土板的抗裂性能，相較普通透水水泥混凝土板，內養生透水水泥混凝土板的開裂時間延后、裂縫條數減少、開裂面積大幅降低，表明內養生劑的摻入有效減少了透水混凝土板的早期塑性開裂，增強了透水混凝土的抗裂能力。內養生劑在混凝土中充當“水池”作用，可對混凝土進行濕度養護，補充混凝土與外界接觸散失的水分，保障了水泥的水化反應，生成充足的水化產物，降低了水分蒸發引起的收縮裂縫。

4.4 透水性能

通過自制變水頭測試裝置測試透水水泥混凝土透水系數，評價透水水泥混凝土的透水能力。透水水泥混凝土的實際空隙率、透水系數測試結果如圖4所示。

實際空隙率對混凝土的透水系數具有重要影響，一般而言，混凝土的透水系數與空隙率成正比例。由圖4可知，普通透水混凝土和內養生透水混凝土空隙率相當，兩者的透水系數也基本相當，透水系數均達到4.8 mm/s以上。透水路面對面層的透水能力要求最高，一般要求用于面層的透水混凝土透水系數＞0.5 mm/s，而目標空隙率25%的內養生透水水泥混凝土透水系數達到4.8 mm/s，說明內養生透水水泥混凝土透水性能優異。

5 結語

（1）透水水泥混凝土摻入適量的內養生劑后，開裂時間得到延后，減少了裂縫條數，大幅降低了開裂面積，有效增強了透水混凝土板的抗裂能力。

（2）內養生透水水泥混凝土的7 d抗壓強度達到10 MPa左右，28 d抗壓強度達到13 MPa左右，28 d抗彎拉強度達到2.9 MPa左右，能滿足高速公路基層強度要求。

（3）目標空隙率25%的內養生透水水泥混凝土透水系數達到4.8 mm/s，具有良好的透水性能。

參考文獻

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［9］CJJT135-2009，透水水泥混凝土路面技術規程［S］.