多孔水泥路面

多孔水泥路面（共8篇）

多孔水泥路面 篇1

1 概述

1.1 低噪声水泥路面国内外研究现状

早在20世纪80年代, 我国就展开对道路噪声的研究, 当时主要是用来评价公路项目噪声对周边环境的影响。随后, 我国研究工作者提出多孔水泥混凝土路面结构、透水性水泥混凝土路面结构降噪课题, 并吸引了大量科研工作者进行讨论研究, 其中最大的焦点是多孔降噪与强度下降直接的矛盾, 路表功能与降噪之间的矛盾等问题。

在国外, 瑞典、德国等国在研究轮胎噪声技术方面起步较早, 有很多先进的理论成果, 结合路面与轮胎的相互作用进行受力分析, 建模计算, 并制定出相应的执行标准, 相比国内发展更为成熟。

1.2 行车噪声的形成机理

水泥路面行车噪声主要是车辆行驶中车轮和路面摩擦、冲击、振动等相互作用产生的, 相比较沥青路面产生的噪声大。实践证明, 行车噪声的产生主要表现在以下几个方面:1) 空气泵吸作用。在车辆行进过程中, 轮胎的花纹和路面之间会形成一个密闭的空腔。车辆行驶过程中由于轮胎变形, 使空腔前端受压, 压缩后的空气被喷射到大气中, 而后部空腔区由于腔内体积增大产生真空度吸入空气, 这个循环往复的过程即为空气泵吸作用。高压空气在被喷射出去的过程中不断与大气摩擦, 产生噪声, 在行进过程中不间断。水泥路面的表面构造是沿横断面方向布置的, 容易加大空气泵吸作用所产生的噪声。2) 轮胎振动作用。车辆行进过程中, 轮胎与路面摩擦、冲击、振动, 在复杂应力作用下使轮胎振动产生噪声。路面平整度越高, 所产生的振动噪声越低, 而水泥路面的表面构造形式与深度、接缝、平整度等都会使轮胎振动噪声增加。

2 低噪声多孔水泥混凝土路面结构设计

2.1 原材料

低噪声多孔水泥混凝土的主要原材料包括水泥、水、集料等基本原材料, 同时为了保证混凝土施工和易性与强度, 添加减水剂和增强剂等外加剂。

1) 水泥。多孔水泥混凝土是水泥石与粗集料相互胶结而成的骨架结构。而孔隙的增加对水泥混凝土路面结构的强度有很大影响, 因而应采用抗折强度高且耐磨性好的水泥, 即其中C4AF的含量应满足要求, 一般在16%以上。水泥标号宜选择425以上的水泥。

2) 集料。在多孔水泥混凝土路面结构中, 骨料充当骨架, 要求有足够的强度, 其级配、压碎值、最大公称直径、长条扁平比例、单位体积水泥混凝土用量等都应满足规范与施工要求。

3) 水。与普通混凝土要求相同, 在此不再赘述。

4) 减水剂。减水剂采用早强型高效减水剂, 其质量与材料组成应符合相关施工与规范要求。

5) 增强剂。a.硅灰。硅灰的有效成分是活性Si O2, 可以填充在水泥胶凝材料的空隙中, 有效改善与骨料间的界面强度, 进而提高水泥混凝土的强度。b.有机高分子聚合物。由于缺少了细集料的填充作用, 水泥混凝土表层强度降低, 容易产生剥落。有机高分子聚合物有利于提高水泥胶凝体与骨料的握裹力, 提高表层混凝土强度, 进而起到粘结、填充、阻裂和提高粘聚力的作用, 有效防止表层混凝土剥落。

2.2 多孔水泥混凝土配合比设计方法

由于多孔水泥在结构上与普通混凝土区别较大, 传统设计方法不能满足其大孔隙率的要求。在借鉴日美等发达国家先进技术的前提下, 结合我国实际, 提出了多孔水泥混凝土配合比设计方法。

2.2.1 配合比设计参数的确定

1) 目标孔隙率。目标孔隙率一般通过路面力学特性、吸声系数、耐久性等参数确定, 其对其他材料的路用性能有很大的影响。孔隙率一般应控制在15%~20%。

2) 集料级配的选择。集料级配直接影响孔隙率, 进而影响混凝土强度等方面。集料级配的选择应确保VMA、渗透系数、级配不离析、抗压强度高等要求。

3) 集灰 (胶) 比。在水泥混凝土结构中, 胶凝材料填充与混凝土的空隙中, 将各个集料连接在一起, 保证其强度构成, 因而集灰 (胶) 比是直接影响混凝土内部孔隙率的重要因素。设计中, 以集料比表面积为依据, 计算拌制后水泥浆的体积, 进而得到其质量, 最终确定水泥用量。

4) 水灰 (胶) 比。为了使水泥混凝土得到良好的施工和易性和良好的裹覆性, 应尽可能的确定最佳水灰比。同时, 在达到最佳水灰比的状态下, 也会使混凝土强度达到峰值。

2.2.2 搅拌工艺

正确的投料顺序和有效控制搅拌时间是混凝土搅拌的关键, 尤其是外加剂的投放对混凝土整体强度影响最大。其正确的投料顺序一般为:先投入水泥和矿物活性超细粉料搅拌30 s后加入水和减水剂, 搅拌1 min后加入集料, 搅拌30 s后徐徐加入高分子聚合物乳液, 最后搅拌2 min后即可出料。按以上顺序进行搅拌, 可有效控制混凝土孔隙率和强度。

2.2.3 成型方式

应首先考虑室内成型设备是否能够模拟现场压路机碾压效果, 其次考虑尽可能减小对集料级配的选择, 最后尽可能选择简单易操作的成型方式。

2.2.4 养生方式

由于多孔水泥混凝土内部孔隙大, 水分散失速度较普通水泥混凝土大。因此, 试件制作完成后应尽快放入潮湿环境下进行养生, 防止由于水分不足而影响水泥水化, 进而影响其强度。

2.3 确定室内配合比

根据上述试验要求, 制作混凝土试件进行强度试验, 测定其抗压强度、抗折强度和试验中的冲击及飞散情况, 进而选择集料级配、水泥用量、水灰比、外加剂用量, 最终确定室内配合比。现场施工中, 应根据原材料的情况, 进行施工配合比的设计, 以起到指导施工的作用。

3 多孔水泥混凝土路面结构力学性能影响因素

3.1 孔隙率

孔隙率和混凝土强度存在相互矛盾, 孔隙率过大, 强度降低不能满足承载要求。因此, 孔隙率应控制在一个合理的范围内。

3.2 水灰比

随着水灰比的增大, 混凝土的强度变化起初并不明显, 当达到最佳水灰比的情况下, 水泥混凝土的抗压强度和抗折强度都达到峰值, 超过最佳值时强度下降。

3.3 有机高分子聚合物

试验证明, 当聚合物的含量较低时, 对混凝土的抗压强度影响不大, 当聚合物的含量超过10%, 其抗压强度明显下降。而聚合物的掺量对混凝土抗折强度的影响较大, 在2%时抗折强度达到最大。

4 结语

低噪声多孔水泥混凝土路面, 目前已在部分地区推广和使用, 但其仍处于发展和不断完善阶段。通过对已建成低噪声多孔水泥混凝土路面进行调查分析, 对其降噪效果和路面强度进行综合评价, 确定其在降低水泥路面行车噪声方面取得了较好的效果, 能够有效降低对周边环境的行车噪声污染。因此, 采用多孔水泥混凝土路面结构, 是降低行车噪声, 改善行车环境的有效措施, 具有一定的实用意义。

摘要：介绍了低噪声水泥路面在国内外的研究现状, 通过分析行车噪声的形成机理, 阐述了低噪声多孔水泥混凝土路面的结构设计方法, 并探讨了影响该路面结构力学性能的因素, 指出采用多孔水泥混凝土路面结构, 是降低行车噪声的有效途径。

关键词：多孔水泥路面,噪声,力学性能,配合比

参考文献

[1]熊巍, 王泽民.低噪声水泥混凝土路面技术的发展[J].公路交通技术, 2005, 21 (1) :3-5.

[2]金少春, 高培伟, 李小燕, 等.新型低噪声水泥混凝土路面研究与探讨[J].华东公路, 2007, 30 (4) :36-38.

[3]张建兵.低噪声水泥混凝土路面降噪措施研究[J].河北交通科技, 2008, 5 (4) :22-24.

[4]王凯英, 陈辉, 廖明军.低噪声水泥混凝土路面初探[J].市政技术, 2006, 24 (2) :31-34.

[5]刘俊广, 汪永刚.低噪声路面的应用及其发展前景[J].今日科苑, 2008, 12 (8) :147-148.

多孔水泥路面 篇2

发包方：巷子口镇仙龙潭村村委会（以下简称甲方）

承包方：易今云（以下简称乙方）

甲方根据工程施工需要，现将仙龙潭村卫水组路面工程承包给乙方施工，为保证工程顺利完成。根据《中华人民共和国合同法》，结合本工程的具体情况，经双方友好协商一致，特签订本合同，以共同遵守。

一、工程概况：本工程系卫水组水泥路面硬化工程，路面原则上要求3米宽，0.2米高。（根据路基实际情况，乙方可以自主调整硬化宽度）。甲方只需负责600立方混凝土，多出工程量由乙方自己负责处理。

二、工程单价：水泥路面硬化每立方按335元计算，实际上就是600立方X335元/每方=201000元。

三、付款方式：2012年由甲方付3万元现金给乙方作为本工程首付款（在工程完工验收后付给）。2013年古历12月20日,甲方付70500元现金给乙方，2014年古历12月20日把剩余的100500元全部付清。

四、质量保证：在本工程完工验收后，于2012年古历12月20日甲方付给乙方3万元为首付款。乙方必须保证使用南方水泥，混凝土标准为C25。

五、本合同经双方签字盖章生效，如有违犯本合同导致双方经济损失，所产生的损失必须由违约方承担所有责任。

六、本合同一式三份，甲方执二份，乙方执一份。

仙龙潭村村委会法人签字(盖章）：

乙方（承包方）签字（盖章）：

多孔弹性路面声学分析 篇3

20世纪70年代以来,欧洲国家研究和应用了一种多孔性沥青路面,具有明显吸收轮胎/路面接触噪声的功能。

为进一步提高降噪能力和改善环境,日本的公共建设工程研究所(PWRI)于1993年首次引入了多孔弹性路面(Porous Elastic Road Surface,简称PERS)作为低噪声路面,室内外试验研究表明,多孔弹性路面不但具有很高的空隙率,而且具有良好的弹性,降噪效果非常明显。日本的研究表明,对于小汽车降噪可达15 dB,对于卡车可以降噪8 dB,研究者认为其潜在的降噪效果在10 dB以上,降噪效果明显优于多孔沥青路面。

1 多孔弹性路面简介

多孔弹性路面是将废旧轮胎制成的橡胶颗粒作为集料掺加到混合料中,使用聚氨酯树脂作粘结剂,固结成空隙率高达40%的路面材料。橡胶颗粒形状、大小各异,可以是宽1 mm～2 mm,长10 mm～20 mm的菱形颗粒,也可以是直径为2 mm～3 mm的圆形颗粒,掺量一般为混合料质量的1%～3%,面层厚度2 cm～5 cm。一般是在工厂里将PERS的混合料压制成1 m×1 m×0.05 m的板块,然后使用聚氨酯胶将其粘结在基层上。

因此,多孔弹性路面不但具有很高的孔隙率,同时具有良好的弹性,与传统的多孔沥青混凝土路面相比,具有更好的降噪效果。

2 降噪机理

2.1 多孔吸声和共振吸声原理

多孔材料内部具有无数细微孔隙,孔隙间彼此贯通,且通过表面与外界相通,当声波入射到材料表面时,一部分在材料表面上反射,另一部分则透入到材料内部向前传播,在传播过程中,引起孔隙中的空气运动,与形成孔壁的固体筋络发生摩擦。由于粘滞性和热传导效应,将声能转变为热能而耗散掉。声波在刚性壁面反射后,经过材料回到其表面时,一部分声波透回空气中,另一部分又反射回材料内部,声波的这种反复传播过程,就是能量不断转换耗散的过程,如此反复,直到平衡,这样,材料就“吸收”了部分声能。多孔性路面就是利用了上述原理来降噪。由于路面存在许多连通的小孔,当轮胎滚动时被压缩的空气能够通畅地钻入路面内,而不是向周围排射。同时,在声学上可以将这种路面看成是具有刚性骨架的多孔吸声材料,具有相当好的吸声性能。

同时,路表面层可看作多空腔共振吸声结构,其吸声原理可由单腔共振吸声结构来解释,如图1所示。单腔共振吸声结构是一个中间封闭有一定体积的空腔,并通过有一定深度的小孔和声场空间相连(见图1a))。当孔的深度t和孔径d比声波波长小得多时,孔中的空气柱的弹性变形很小,可以看作一个无形变的质量块(质点),而封闭空腔V的体积比孔颈大得多,随声波作弹性振动,起着空气弹簧的作用。于是整个系统类似于图1b)中的弹簧振子,称为亥姆霍兹共振器。当外界入射声波频率和系统的固有频率相等时,孔颈中的空气柱就由于共振而产生剧烈的振动。在振动中,空气柱和孔颈侧壁摩擦而消耗声能,从而起到了吸声效果。

2.2 阻尼降噪原理

汽车在运行过程中,由于路表面不平整等激振力引起的振动属于固体振动或称结构振动。产生的噪声称为结构噪声。振动和噪声常常是相伴产生的,因此,减振和降噪往往是密不可分的。从减振降噪的角度考虑,阻尼是指耗散振动能量的能力,也就是将机械振动及声振的能量,转变成热能或其他可以损耗的能量,从而达到了减振降噪的目的。阻尼材料是一些内损耗、内摩擦大的材料,诸如沥青、软橡胶以及其他一些高分子涂料。阻尼材料以材料损耗因子β值作为衡量阻尼的特征值,它是以材料受到机械振动激励时,损耗能量和机械振动能量的比值来表示,β值越大,阻尼性能越好。

3 降噪性能评价

3.1 室内吸声系数试验

声学上常采用吸声系数来评价多孔材料的声学特性。所谓吸声系数是指材料吸收的声能量与入射到材料表面的声能量之比。吸声系数越大,材料的吸声性能越好。材料的吸声系数与声波的频率及入射角度有关。一般将声波垂直入射到材料表面的吸声系数称为垂直吸声系数。室内可采用驻波管来测量垂直入射吸声系数。

通过对密实性沥青路面(DENAP)、排水性沥青路面(DAP)和多孔弹性路面(PERS)这3种类型的路面材料进行测试比较,PERS的垂直入射吸声系数大于DAP和DENAP,在频率为600 Hz～2 000 Hz范围内,PERS的垂直入射吸声系数约为DAP的2倍。多孔吸声主要与材料的空隙率有关,空隙率越高,路表面就存在越多连通的小孔,越能有效地吸收声能。PERS的空隙率(40%)明显大于DAP的空隙率(17%～25%),因此,PERS的多孔吸声性能优于DAP。

3.2 路面振动的试验室评价

为评价不同轮胎—路面系统的振动特性,采用轮胎在不同试件上垂直自由落体的衰减振动试验。将加速度传感器分别固定在轮胎轮毂表面、外胎面和轮胎侧壁部位,记录轮胎的垂直振动、轮胎表面径向振动和轮胎表面侧向振动信号。试验时,使轮胎离开路面试件3 cm,然后使其自由垂直下落,通过固定在轮胎各测点的加速度传感器拾取其振动衰减过程的加速度信号。

研究表明,轮胎—弹性路面系统的阻尼系数明显大于轮胎—普通沥青路面的阻尼系数,而轮胎—普通沥青路面的阻尼系数又大于轮胎—水泥混凝土路面的阻尼系数。因而多孔弹性路面的阻尼减振降噪性能最好。

3.3 噪声现场测试评价

声学上常采用声压级来表示声音的强弱,它是一种对数标度,单位分贝(dB),其定义为:

Lp=10lg(p2/p${}_{ref}^2$)。

其中,Lp为声压级;p为被测声音的声压;pref为参考声压,取pref=2×10-5 Pa。

日本的公共建设工程研究所针对密实性沥青路面(DENAP)、排水性沥青路面(DAP)和多孔弹性路面(PERS)这3种路面进行了现场测试,测试方法基于ISO 326和ISO 7188的关于机动车噪声测试的可控经过式测试方法。用于测试的多孔弹性路面孔隙率为40%,厚度为5 cm,测试结果采用A加权声压级进行评价,车速为60 km/h。测试结果表明,所有车辆的PERS降噪性能均优于DENAP和DAP,对于小汽车,降噪能力可达13 dB(A),对于轻卡车和重车,降噪能力可达6 dB(A)(见图2)。

4 结语

1)从多孔吸声、共振吸声以及阻尼振动方面阐述了多孔弹性路面的降噪机理。2)结合室内试验和现场测试的方法评价多孔弹性路面的降噪效果。3)多孔弹性路面具有优良的降噪效果,通过室内外测试显示,其降噪效果明显优于排水性沥青路面。

摘要：从多孔吸声、共振吸声和阻尼降噪3个方面分析了多孔弹性路面的降噪机理,同时总结了多孔弹性路面的噪声评价方法,从声学方面对该路面类型进行了分析,指出多孔弹性路面具有良好的降噪效果。

关键词：多孔弹性路面,降噪,机理,评价,环境

参考文献

[1]曹卫东.简述国内外低噪声沥青路面研究状况[J].石油沥青,2005,19(1):50-54.

[2]周海生.阻尼沥青路面降噪特性的研究[J].公路交通科技,2005,22(8):8-11.

多孔水泥路面 篇4

迅速移除路面上雨水对驾驶员的安全来说是非常必要的, 大量的雨水造成轮胎与路面之间的黏附性消失的风险也会增加, 此时移除路面雨水就显得尤为重要。多孔沥青路面的诞生就为解决路面雨水移除问题带来了曙光[1]。研究者提供了一项多孔沥青路面相对于过量雨水造成水膜的对比:这是一个拥有高孔隙率 (高于20%) 的沥青路面表层。Barett和Shaw在他们的实验分析中提出一种多孔的沥青混合料罩面, 也称为渗透性磨耗层 (PFC) 或者开级配磨耗层 (OGFC) , 是1层大约50mm厚的多孔沥青混合料, 大多应用于传统高速公路沥青路面的表层来提高安全性并减少噪声。

多孔路面使路面有了更强的吸水能力, 并将这些水导向路面边缘进而过滤排出。对于全年降雨丰富地区的道路是十分理想的[2]。这种高渗透性的混合料可以在第一时间将水从路表面移除从而提高道路安全性。不过, 大量的水流经沥青混合料也会对材料的胶结性能造成不利的影响, 使得沥青从集料上剥落。

许多研究人员已经证实了影响道路驾驶安全性的一个重要参数之一就是速度的变异性。在许多文献中, 研究者已经通过研究速度预测模型来分析真实的驾驶行为[3]。

2 数据收集

分析路段取自于河北省内高速公路, 起点桩号为K221+000, 终点桩号为K264+000。路面纵坡最大不超过3%。

全国数据显示, 这条路每年有2.5%的交通量增长率。研究区域的气候特点是从气象站获取的, 并得到涉及该地区降雨量的气候状况。交通数据通过每天记录全天车辆数来获取。事故数量数据是从公安部门获取的。分析报告包含以下信息:

1) 天气状况 (如晴天、雨天、雪天等) ;

2) 路表状况 (如干燥、潮湿、结冰等) ;

3) 所涉及的车辆数量;

4) 后果 (如材料损伤、受伤人数、死亡人数)

5) 类型 (如追尾事故、碰擦、侧翻等)

通过分析数据获得在每起事故中的平均降雨量的值。数据库的建立遵循以下步骤:

6) 将降雨量从0.2~到2.00mm/h的范围分为10个等级, 即每级0.2mm/h;

7) 每级是按照频率来定义的:频率=降雨的小时数 (该值要介于本等级范围内降雨小时数的限值) /实验持续的总小时数;

8) 降雨过程中每小时的交通量会和相应的降雨量等级 (根据降雨量小时数来划分的) ;

9) 类似地, 每段下雨时间内的事故数量也可以按照相应的剧烈程度来划分和分析, 从而论证是否事故和相应的降雨等级之间存在关联。

3 数据分析

为了比较2个事故现场的安全状况, 需要先定义2个合成指数I1和I2。

式中, N为试验中的事故数;L为分析路段的总长, 即43km;K1为每个观测的降雨量等级中途经车辆数与在整个观测期内降雨量的小时数的比值。

在式 (1) 中, 基于小时的数据通过乘以365×24达到基于年的数值, 交通流的单元假定为108N来对结果进行解释, 因为事故数量相对于交通量而言是一个很小的数值。总之, I1指数描述试验期内分析路段在相同的降雨情况下事故数量和交通流量之间的关系。

I2与I1的区别在于引进了描述事故严重程度的参数SV, 与事故引起的人员伤亡情况有关 (受伤和/或死亡人数) 。SV数值的定义见表1。

3.1 密实沥青路面

根据上述方法采集道路现代化改造前的数据, 表2和图1、图2详细的描述了I1和I2值随降雨量等级的变化。

从图表中可以看出, 降雨等级上升到0.5mm/h之前, 2个指数都随着降雨量的增大而增大。降雨等级为0.5mm/h时路面产生水膜的可能性比较大。

试验结果与预期一致:在降雨过程中, 在路面形成水膜之前, 驾驶员在潮湿的路面上驾驶时能保持和在干燥路面上行驶时一致的状态。这对行车安全性会有消极的影响, 因为驾驶员不能理解轮胎与路面之间附着力忽然降低的原因。

只有当驾驶员发现了路面存在连续水雾时, 他们才会对驾驶和速度方面有了心理上的变化。在一些重大交通事件上, 当降雨量增大时事故有增多的趋势。

3.2 多孔沥青路面

采集多孔路面的数据时所采用的方法与采用密实沥青路面的方法是一致的。I1和I2数据详见表3和图3~图4。

多孔沥青路面中, I1和I2指数随着降雨量的增加而持续减小, 与图2、图3中描述密实沥青路面的情况相似, 较低的I1和I2指数值代表了相应的较低的事故率, 较高的交通安全性是由于路面不存在水膜的关系, 导致驾驶员对天气状况不会给予重视, 其后便是轮胎与地面之间的附着力起了对安全性有利的作用。

3.3 密实沥青路面和多孔沥青路面结果对比

表4提供了此次实验分析的定性总结, 从下雨天气下事故发生的频率、严重程度及后果 (伤亡人数) 等方面得出使用多孔沥青路面对提高路面安全性有很大的帮助, 从表4可以看出, 在分析路段上, 受伤人数从48人降到了12人。另外, 当恶劣天气来临时, 多孔沥青路面大大提高了驾驶人员的驾驶警觉程度, 在天气状况良好时也能提高他们的安全驾驶行为。

4 结论

本文阐述了河北省内长43km的高速公路路段, 驾驶员驾驶的安全情况。分析了驾驶时不同天气状况和在不同的路面类型与交通事故之间的关系。

从事故数量和事故严重程度方面衡量, 多孔性沥青路面的使用获益高达70%。使用了多孔沥青路面之后, 驾驶者在移除了水膜之后的路面上行驶, 安全性也得到了提高, 即使在没有恶劣天气情况的时候, 由于轮胎与底面直接的附着力提高了, 驾驶也变得更加安全。

综上所述, 路面排水系统相对于传统的沥青路面系统和水泥混凝土路面, 是一项更有利于环境效益的选择。多孔路面不仅提高了环境效益, 也有结构上和经济上的优点。在暴雨天气中它能为驾驶者提供更为干燥的路面从而提高驾驶安全性, 也比在传统路面上行驶产生更少的噪声, 并且原来的路面也不再需要对雨水进行其他方式的处理。

参考文献

[1]陈瑜.公路隧道高性能多孔水泥混凝土路面研究[D].长沙:中南大学, 2007.

[2]刘羽.大空隙透水沥青路面录用特性研究[D].西安:长安大学, 2014.

多孔水泥路面 篇5

欧洲与日本水泥协会和日本道路公团在20世纪70年代已开始在停车场、通道使用,有时也被用在低交通量的道路上以减小暴雨带来的影响[8]。多孔混凝土除应用于道路工程等土木工程领域外,还用于建筑工程中的非结构部分。本文全面总结了国外多孔混凝土路面的各项特性,为我国道路工程师了解和使用多孔混凝土提供了一定的借鉴。

1 原材料

多孔混凝土的孔隙是靠减少或不含普通混凝土中的细集料来获得的。美国使用的标准多孔混凝土多是由单一粒径的粗集料和低水灰比的水泥组成[1]。表1给出了美国搅拌混凝土联盟(NRMCA)给出的典型多孔混凝土混合料组成[2]。

多孔混凝土所使用的石料多为圆形河砾石或碎石,大小为2.5 mm～19 mm,有时也会使用25 mm的集料[1]。水灰比为0.25～0.35,根据ASTMC143测试结果表明,减水剂会使多孔混凝土产生不少于25 mm的坍落度[1]。由于多孔混凝土的开口结构增加了裸露的表面面积,因此,减水剂常常被用来延长混合料的使用寿命和调整适当的位移。如果在寒冷地区使用混合料还必须掺加引气剂以提高其抗冻融能力。NRMCA研究表明,4%～8%的引气剂用量会产生0.25 mm的间距,能够提供满意的抗冻融能力[2]。

欧洲和日本的多孔混凝土多由粒径比较小的粗集料和一定数量的细集料(如砂)来提供坚固的粗糙道路表面。欧洲和日本都使用过4.2 mm的破碎砾石和砂来改善多孔混凝土的强度和耐久性[3]。试验表明,细砂与粗砂比在5%～10%时,混凝土强度提高最大[4]。此外,聚合物也被用于提高多孔混凝土的强度。试验表明,聚合物中固体物质与混凝土胶结材料比达到10%时,多孔混凝土的抗拉强度和减水效果达到最佳组合[4](这与聚合物改性混凝土中聚合物的用量相似)。

2 混合料特性

对多孔混凝土材料特性总结表明,多孔混凝土的孔隙率在11%～35%时,28 d抗压强度在5.5 MPa～32.0 MPa,渗透率为0.914 m/h～1.92 m/h,抗弯拉强度在1.03 MPa～7.48 MPa,单方重量为1 602 kg/m3～2 083 kg/m3。然而,混合料的渗透性与最大强度之间的关系没有见到报道,最大的抗弯拉强度有一个最小的孔隙率。

2.1 强度

集料的强度通常是非常高的,但是集料颗粒周围的粘结料的强度和集料与胶结料的相互作用的强度相对较弱。因此,多孔混凝土的强度主要取决于胶结料和集料与胶结料的相互作用[5]。可以通过改变混合料拌合过程、使用更小粒径的集料、添加外加剂等措施来改善胶结物的强度、集料周围胶凝物质厚度、集料与胶凝物质间的相互作用,从而提高混凝土的强度。

强度是多孔混凝土路面设计时主要考虑的因素。具有较高的孔隙率但是常常没有细集料的多孔混凝土,抗压强度、抗拉强度和抗弯拉强度都比普通混凝土低。对于低交通量的多孔混凝土路面,NRMCA建议28 d抗压强度和抗拉强度分别为17.2 MPa和3.45 MPa[2]。NRMCA报道美国一般的多孔混凝土混合料的28 d抗压强度为5.5 MPa～20.7 MPa[1]。然而,20.7 MPa仍低于普通混凝土路面所要求的抗压强度。因此,多孔混凝土多被用于停车场。早期设计的混合料弯拉强度为1.03 MPa～2.76 MPa,使用较小的集料可以增加集料课题的接触区面积,从而能够提高抗弯拉强度[5]。

佛罗里达混凝土与制品联盟对多孔混凝土抗弯拉强度和劈裂强度的关系研究表明,劈裂强度是其抗弯拉强度的65%[6]。但是Beeldens等人则发现,含有聚合物乳液的多孔混凝土其劈裂强度接近其抗弯拉强度的90%[4]。

欧洲和日本多孔混凝土混合料中所使用的粗集料较美国所使用的粗集料少一些,同时还有一定数量的砂,这些措施提高了混凝土的强度值。一些包含砂和聚合物乳液的多孔混凝土混合料的28 d抗压强度可达到31.7 MPa[4]。

2.2 孔隙率和渗透性

为了提供雨水的排除路径,硬化混凝土中必须有相互联系的孔隙。一般来说,混凝土的孔隙率越高,其强度越低。Tennis等人研究表明[1],目前美国多孔混凝土孔隙率多为14%～31%、渗透系数为0.91 m/h～2.19 m/h。孔隙率为15%～25%的多孔混凝土的强度值会大于13.7 MPa,渗透系数大约为1.22 m/h。

Kajio等人研究表明[3],为了使粗糙表面的多孔混凝土具有较高的抗弯拉强度,15%孔隙率的多孔混凝土其渗透性必须在0.37 m/h。孔隙率超过20%的多孔混凝土,渗透系数约为3.66 m/h,但是孔隙率为20%～29%时,其抗弯拉强度仅为2.76 MPa～3.45 MPa[7]。

2.3 冻融耐久性

目前,多孔混凝土在美国冰冻地区应用的主要困难在于缺少一定的试验数据和试验方法来证实冻融环境中多孔混凝土的耐久性[2]。现有的大量方法(ASTM C666B)是通过测量冻融前后试件的长度和相对动弹模量来评价其抗冻性(ASTM C215)。但是,这些适用于普通混凝土的测试方法不一定能反映多孔混凝土的抗冻性。例如,多孔混凝土结构会产生不一致的基准频率[7]。测定多孔混凝土的质量损失已被用于评价多孔混凝土的抗冻融能力。Yang和Jiang[5]用ASTM C666B测定多孔混凝土25次冻融循环后的质量损失为0.25%。冻融循环的快慢也影响着多孔混凝土的抗冻性能。研究结果表明,每天经历冻融循环5次～6次的试件要比每天仅循环1次的试件裂化速度快得多。Olek等研究表明[7],在快速冻融循环达到80次时,相对动弹模量不大于40%,然而,那些慢冻法测试的试件相对动弹模量都大于90%。

3 降噪作用

多孔路面的开放结构使得接收到的直接和反射声波的时间不同,这种时间差降低了噪声强度。此外,混凝土内部结构也可以吸收噪声。多孔路面的这种降噪特性已成为道路工程界的共识。Kajio[3]比较了两种粒径大小的多孔混凝土和密实的沥青路面在不同车速时的噪声特性(如表2所示),无论粒径大小,多孔混凝土都可以降低噪声。粒径小的多孔混凝土降噪效果更好,达到3%～10%,降噪幅度达8 dB。

4 路面设计

多孔混凝土常被用于普通混凝土路面的表层或全厚式路面层[4]。目前,美国主要按全厚式设计将其用于停车场或低交通量道路,然而,欧洲和日本主要按照磨耗层设计将其作为路面表层使用。由于多孔混凝土的特性与普通混凝土路面有很大的不同,在实际建设使用过程中主要还是按经验法来进行设计[1]。当用作普通混凝土路面表层时,用湿对湿方法将3.8 mm厚的多孔混凝土铺筑在普通混凝土顶面,并在两者之间涂抹较好的粘结剂。

全厚式多孔混凝土路面由渗透性基层上的多孔路面层组成。路面厚度设计可以用标准设计程序计算得到。由于多孔混凝土的强度低,容易随着交通荷载发生劣化,设计时必须准确的估计日卡车交通量[1]。考虑到它较低的强度值,多孔混凝土的厚度一般都比普通混凝土路面厚25%。没有重载交通的公园地区的最小厚度为12.7 mm,公园地区的工业道路增加至15.2 mm。佛州的多孔混凝土路面设计指南提出了厚度调整方法:多孔混凝土模量值每变化0.172 5 MPa,路面厚度增加或减少0.3 cm。此外,孔隙率增加2%时需要2.5 cm的路面厚度以补偿强度损失[6]。

基层材料应该是洁净的,最大粒径不超过1.5的渗透性材料。大多情况下,渗透性基层厚度在15.2 mm～30.5 mm之间。基层厚度通常由天然土基的渗透性和路面水平承载力所决定[1]。

底基层材料应该是能够提供良好承载力的渗透性土壤,根据Westergaard模量法其地基反应模量K≈1.03 MPa～1.21 MPa[1]。在施工时,在没有其他辅助排水措施时,要防止天然地基的过度压实产生渗透性差的表面。

5 施工

在美国,多孔混凝土是通过人工铺筑的。多孔混凝土最初是用混凝土搅拌车来拌和,逐渐被人工所取代。根据施工人员的经验,可以用三种方法压实混凝土:1)1.25 mm～2.0 mm振动棒放在模具的顶部,混凝土分层振动整平[8],接着取出振动棒,用一个光滑的钢轧辊压实路表。钢轧辊也被用于横向的整饰,钢轧辊的重量是变化的,根据Carolinas州搅拌混凝土协会的建议[9]:长度为1 ft,重量为100 lb的钢轧辊可以产生68.9 kPa的压力。2)用振动板压实机,这也是唯一一种用于多棱角集料的混合料的压实方法[8]。3)压实和整饰都采用辊压刮平器。该设备中的不锈钢钢管以与其移动方向相反的方向进行旋转。此外,文献还报道过很少见的多孔混凝土摊铺机。美国田纳西州曾使用这些方法和滑模摊铺机修筑了全厚式多孔混凝土,比利时在普通混凝土路面上修筑了4 mm厚的粗糙表层[4]。

与普通混凝土路面相似,多孔混凝土也使用接缝来控制和防止裂缝。但是由于多孔混凝土的粗糙纹理,常常不需要设置控制缝,如加州部分公园停车场没有设置控制缝[8]。由于多孔混凝土的收缩比普通混凝土小,接缝间距通常比普通路面大12 ft。有报道称间距大到45 ft可以防止收缩裂缝,但是NRMCA推荐板长不要超过20 ft[1]。此外,接缝既可以用金刚石锯片切也可用模板浇筑而成,但用模板成型比较好,因为使用锯片切缝时会使混凝土散开。一种名为“披萨刀”的接缝辊轧设备,可以快速、简便的形成多孔混凝土接缝[8]。由于裸露面积比较大,新鲜的多孔混凝土必须喷洒养护剂且覆盖干净的塑料薄膜以防止混凝土快速变干和过度干燥[9]。覆盖薄膜和喷洒养护剂的路面应养护到通车时,养护时间不能少于7 d[1]。

6 养护

多孔混凝土路面应经常进行养护以防孔隙堵塞降低渗水性。如果能防止砂进入孔隙,大部分多孔混凝土在没有常规养护时的路用性能也非常好。如果现场出现了堵塞,用抽真空和吹风机来排除杂质是必要的[1]。压力水洗可以将堵塞路面的渗透性恢复80%～90%[10]。许多因素控制着多孔混凝土路面的养护频率。一般来说,如果现场有大量的水浸泡或周边地区不断有大量的细土涌入,养护频率就要比土壤坚实或水压较低的路面高。在施工过程中和结束时孔隙堵塞几率非常高,现场必须通过一个防污染控制围栏来进行保护,直到植被深深地扎根在周边的土壤中。

7 结语

多孔水泥混凝土路面是由高强度的水泥砂浆体裹覆具有骨架结构的集料而形成的多孔结构的混凝土路面。该路面类型与排水沥青路面相似,都具有较大的孔隙率,易透水。多孔材料表面随机凸凹构造的抗滑功能、内部结构的吸声作用也受到关注并开始应用于抗滑低噪声路面。本文从原材料、混合料路用特性和多孔混凝土路面设计、施工、养护等方面介绍了国外发达国家特别是美国发展多孔混凝土路面的经验并进行了全面总结,期望能对我国道路工程师全面了解和使用多孔混凝土提供一定的借鉴。

参考文献

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[8]Youngs,A.Pervious Concrete:It’s for Real.Presentation at thePervious Concrete and Parking Area Design Workshop[R].Omaha,NE,2005.

[9]Carolinas Ready Mixed Concrete Association Inc.Pervious Con-crete Installation Course Information Packet[R].CarolinasReady Mixed Concrete Association Inc,2003.

多孔水泥路面 篇6

1 交通噪音的来源

从车辆行驶的角度看, 交通噪音有两类噪音源, 一类是发动机件有关的机械噪音, 一类是轮胎与路面的接触嗓音。由于现代工业技术的发展, 对发动机和传动机件的改进, 机械噪音已得到了一定程度的抑制, 而轮胎与路面接触噪音在交通噪音中占很大的比例, 尤其是车速大于50Km/h时, 特别明显。轮胎与路面接触噪音的大小不仅取决于轮胎本身 (如轮胎表面刻纹) , 更重要的是取决于路面的结构与构造, 即路面表面特性。轮胎与路面接触噪音发生的物理现象包括以下四个方面:

1.1 冲击噪音由轮胎刻纹在路表面上的冲击而产生, 其强度不仅与轮胎刻纹的几何性质有关, 而且还与路面的颗粒特征有关。

1.2 排气噪音由于轮胎的变形而产生应力效应, 在这个应力效应的作用下, 刻纹里的空气压缩与放松发生震动, 从而产生排气噪音。

1.3 附着噪音类似于真空吸力噪音, 是由于橡胶轮胎在路面骨料上的附着作用而产生的噪音。

1.4 溅水噪音雨天当路面上积水不能及时排走时, 车辆高速行驶引起的溅水而产生的噪音。

前三种情况是同时存在的, 而且某一种现象的减弱将是另一种现象增加, 例如:平整的路面能降低冲击噪音, 但同时会增大附着噪音。

2 降低交通噪音的措施

解决交通噪音的途径有两个, 一是从车辆与路面入手减少噪音源, 称为主动防噪音法, 是有发展前途的治理措施;另一种途径是进行吸收和隔离, 如隔音墙、吸音板等被称为被动防噪音法, 工程造价高, 而且有局限性。多孔沥青路面的出现使我们从路面结构上降低交通噪音成为现实, 使路面的使用条件得到了一定的改善。

路面表面特性包括路表面细构造和粗构造, 细构造是指集料表面的粗糙度, 细构造主要诱发附着噪音, 而且细构造取决于天然岩石的表面特性, 为了保证骨料与结合料的粘结性, 提高混合料的稳定度和路面的抗滑性, 降低交通噪音, 宜选用表面较粗糙的骨料作为筑路材料。粗构造是由路表外露集料颗粒间所形成的构造。因此要降低行车噪音, 必须从路面结构入手, 首先是抑制车轮轮胎噪音, 其次是吸收并减少反射音, 第三是减少溅水噪音, 这正是多孔沥青路面所具有的功能。

3 多孔沥青路面与普通沥青路面的区别

多孔沥青路面, 也称透水沥青路面, 或多孔排水沥青路面, 或大孔隙沥青路面, 简称OGFC。与普通沥青混凝土路面相比, 多孔沥青路面有以下几个特点:

3.1 较大的空隙率粗骨料用量比较大, 而多为间断级配, 其空隙率一般在20%左右。

3.2 表面平顺平整嵌锁即使在交通荷载作用下, 随着时间的推延, 骨料发生转移而得以保证。

3.3 不良的宏观组织密级配沥青路面由于骨料的棱角被部分或全部“淹没”, 具有良好的宏观组织。

多孔沥青路面由于空隙率比较大, 填料用量比较少, 不足以“淹没”骨料棱角, 使其宏观组织较差。

4 多孔沥青路面的性能

在上个世纪七十年代, 许多发达国家就开始建造多孔沥青路面, 当时主要是解决雨天行车漂移、轮后溅雾和雨天夜间行车灯光反射等问题, 后来发现这种路面还具有降低行车噪音的作用。上世纪八十年代许多发达国家开始研究用大孔隙率沥青混合料修筑低噪音沥青路面, 并推广到高速公路、机场跑道和公路隧道。其性能特点有以下几个方面:

4.1 良好的抗滑性由于路面结构层的空隙率比较大, 在层中形成

上下左右贯通的水道网络, 该网络能使雨水自由通过, 并沿隔水层流至路缘石内的排水沟排出路面以外, 使车辆轮胎与路面在任何情况下保持充分接触, 避免了雨天汽车高速行驶可能发生的打滑、漂移等现象。

4.2 减少溅雾和反光多孔沥青路面由于雨水能快速排出路外, 路面表面无积水, 可以减少雨天车轮后溅雾现象, 使得路面标志更明显。

4.3 减少交通噪音多孔沥青路面能使车辆的行驶噪音降低

3-5dB, 从量值上似乎不大, 但大大降低了噪音的能级, 实际效果是十分明显的。多孔沥青路面降低噪音的原因有以下几个方面: (1) 层间孔隙的吸音作用 (包括对发动机噪音的吸收) ; (2) 轮胎与路面层的气泵效应的减小; (3) 良好的平整度。

4.4 较好的耐久性德国在1986年开始修筑的第一条低噪音

路面, 通过3-4年的观察, 在耐久性、抗变形能力以及使用性能等方面没有发现任何特殊性。法国用橡胶改性沥青作结合料修筑的高速公路经过六年的使用, 其透水性和粘附性仍十分令人满意, 对于抗车辙、疲劳、老化等均具有很好的耐久性。

5 多孔沥青混合料组成设计

5.1 集料应使用高质量、耐磨耗、抗压碎、能提供和保持良好摩擦性能的集料, 尽量使用碎石或破碎砾石。

碎石的落杉机磨耗率不宜超过25%, 冲击值应小于18%, 磨光值应大于53, 填料应符合普通沥青混合料的使用要求。

5.2 沥青沥青应使用改性沥青, 对SBS热塑性橡胶类聚合物改性沥青, 寒冷地区宜使用I-A及I-B型;

较热地区宜使用I-C型;炎热地区宜使用I-D型。对SBR橡胶类聚合物改性沥青, 寒冷地区宜使用II-A型;较热地区宜使用II-B、II-C型。EVA、PE等聚合物改性沥青适用于炎热和较热地区。

5.3 矿料级配国内有关单位的吸声实验结果表明, 粗集料的最大粒径不宜超过16mm, 国外最大为13.

5mm。4.75mm-9.5mm的集料称为骨料, 其用量 (质量) 必须在70%上下, 石屑 (最好是机制砂) 的质量比应在15%上下, 天然砂应在10%上下, 矿粉不超过5%。合成级配宜采用间断级配, 主要控制9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.075mm筛孔的通过量, 其各自通过量依据混合料的空隙率要求决定。

5.4 沥青用量的决定

5.4.1 确定最大沥青用量最大沥青用量用谢伦堡沥青析漏实验确定。

拟订几个油石比分别进行析漏实验, 得出沥青粘附量与油石比关系曲线, 曲线的拐点的沥青用量即为最大沥青用量。

5.4.2 确定最小沥青用量最小沥青用量用肯塔堡飞散实验确定。

拟订几个油石比分别进行飞散实验, 得出飞散损失与油石比关系曲线, 曲线的拐点的沥青用量即为最小沥青用量。

5.4.3 确定最佳沥青用量在确定的最大和最小沥青用量范围

内, 取2-3个沥青用量进行马歇尔实验, 主要测定空隙率, 从降低噪音的角度考虑, 混合料的空隙率宜在15-20%之间, 而且宜取上限。如果空隙率不满足要求, 应调整矿料级配重新进行实验。

6 多孔沥青路面结构设计

6.1 结构层厚度的确定国外有关实验研究报告认为多孔沥青路

面的结构层厚度为400mm时, 比40mm时的同样面层多吸收噪音4dB, 多孔沥青路面的厚度不会修筑到400m m的厚度, 根据垂直吸声实验结果, 混合料空隙率在15%-20%范围内, 多孔沥青路面的结构层厚度在40mm上下吸音效果比较好。国外也有用石屑 (质量比为85%) 作为主骨料修筑多孔沥青路面的, 其厚度为20m m、25m m或40m m不等。

6.2 隔水层多孔沥青面层下必须设置隔水层, 防止雨水下渗危及基层, 一般采用含聚合物的沥青膜。

其撒布量视基层情况而定, 以充分封闭和密封基层为原则, 一般撒布量在1.0-2.8Kg/m2。

6.3 排水多孔沥青路面在路缘石内侧必须设计纵向排水通道, 使通过透水网络排至路边的雨水很快排入路基排水沟。

多孔水泥路面 篇7

多孔水泥混凝土是以水泥、特殊级配骨料、水和外加剂按一定比例和特定工艺制成的孔隙均匀分布的蜂窝状结构, 其孔隙率较大, 通常超过20%。由于具有防滑、降噪、排水、防眩等优点而受到关注[1,2]。欧洲与日本水泥协会在20世纪70年代开始在停车场、通道使用多孔混凝土, 有时也用在低交通量的道路上以减小暴雨带来的影响[3]。随后美国、比利时等国也开展相关研究, 并逐步在路面工程推广应用[4]。多孔混凝土属骨架孔隙结构, 与普通混凝土最大的不同在于材料组成和孔隙率, 它们是影响多孔混凝土路用性能的关键因素。

本研究采用室内试验的方法, 全面分析集料级配、水泥用量、水灰比和外加剂等因素对多孔混凝土强度的影响, 同时对透水性能与孔隙率以及强度与孔隙率的关系进行分析。在不影响多孔混凝土透水性能的前提下, 给出了配合比的设计方法和标准。

2 材料与试验方法

2.1 粗集料

本试验在进行多孔混凝土性能研究时选用了辉绿岩, 其性状见表1。

3 影响规律

3.1 集料级配对强度的影响

试验采用四种集料级配, 如表2所示, 其中A、B为连续级配, C为单一粒径, 设置D级配的目的是研究集料最大粒径对密实度的影响。

在相同的水泥用量、水灰比、砂率、成型方法和养护条件下, 用上述四种不同的集料级配制备混凝土试件, 其配合比见表3。

从表4可以看出, 开级配C、D的强度较连续级配A、B要高, 四种级配中C的强度和孔隙率均最大, 故单粒径的C级配多孔混凝土的性能最好。

3.2 水泥用量对强度的影响

多孔混凝土的水泥用量一般为300~400kg/m3。试验采用四种不同的水泥用量, 分别为320kg/m3、350kg/m3、380kg/m3和400kg/m3, 试验结果如表5所示。

Y-5、Y-7~Y-9的水灰比相同, 制作方法相同, 养护条件相同, 仅水泥用量不同。从上表可以看出, 随着水泥用量的增加, 强度有增长的趋势, 这种趋势在水泥量从320~350kg/m3时最为明显。当水泥用量超过350kg/m3后, 强度增加的趋势不明显。

3.3 水灰比对强度的影响

试验共研究了五种水灰比对多孔混凝土强度的影响, 即W/C分别为0.4, 0.35, 0.3, 0.28, 0.25。试验采用的辉绿岩碎石, 试验编号和配合比见表6所示。

按照表6所示的不同配合比制备的混凝土标准试件, 养护28d后测定其性能见表7所示。

在试件制备过程中发现, Y-2的上下层相互分离, 经测定, 抗压强度仅为3.5MPa, 这说明0.4的水灰比偏大。其它四种水灰比条件下, 强度随水灰比变化的关系见图2所示。

从上图不难看出, 试件强度在0.3附近出现峰值, 这说明多孔混凝土存在“最佳水灰比”。而水灰比从0.25增大到0.28时, 由于减水剂相对减少导致强度下降, 试验所用的减水剂为SPN型高效减水剂, 有提高混凝土强度的作用。

3.4 透水性能与孔隙率关系

从图3中可知, 孔隙率和透水系数存在较好的线性关系, 通常认为多孔混凝土孔隙率在15%~25%即能满足排水要求。

3.5 强度与孔隙率关系

从图4看出, 在一定孔隙率范围内, 强度与孔隙率没有明显的关系。孔隙率仅反映混凝土内部的孔隙数量, 但强度不仅与孔隙数量有关, 还与孔隙的大小、形状和分布有关。但当孔隙率大于20%时, 抗折强度呈现出随孔隙率的增大而降低的趋势。

3.6 多孔混凝土的推荐配比

由于工程实际中单一粒径的石料难以获得, 因此推荐级配为在限定最大粒径情况下的一个级配范围 (见表8) 。建议水泥用量为370~390kg/m3, 水灰比以0.3为宜, 目标孔隙率约为20%。

4 结论

集料级配、水泥用量和水灰比在一定范围内对多孔混凝土的强度均有较大影响。通过选择合理的配比, 可以得到满足公路强度标准的多孔混凝土。

孔隙率与透水系数之间存在线性关系, 在孔隙率小于20%的情况下强度与孔隙率没有明显的相关关系。

摘要：本研究采用室内试验的方法, 全面分析集料级配、水泥用量、水灰比和外加剂等因素对多孔混凝土强度的影响, 同时对透水性能与孔隙率以及强度与孔隙率的关系进行了分析。在不影响多孔混凝土透水性能的前提下, 给出了配合比的设计方法和标准。

关键词：多孔水泥混凝土,级配,水灰比,孔隙率,强度

参考文献

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[3]Youngs, A.Pervious Concrete:It's for Real.Presentation at the Pervi-ous Concrete and Parking Area Design Workshop[R].Omaha, NE, 2005.

多孔水泥路面 篇8

地质力学模型试验是进行岩体力学研究的重要手段,其中相似材料的选择是影响模型试验科学性的基础。 水泥基材料和岩石有相当多的共性,它们都是由体积较小的矿物颗粒组成,都含有大量的缺陷和裂纹,且都是非均质的[1],同样具有原材料来源丰富、价格便宜、物理力学性能稳定、无污染等优点, 因而广泛作为地质力学模型试验相似材料使用。 通过在水泥中加入其它原材料如石膏,可以进一步调整参数的变化范围,而且水泥石膏复合砂浆流动性良好,凝固时间适宜,制作工艺简单,便于一次浇注大尺寸模型试件,因此,水泥石膏复合砂浆作为相似材料来模拟岩石是比较合适的,是国内外应用最为广泛的岩性相似材料之一[2,3]。 石膏是气硬性胶结材料, 在空气中干燥条件下能够形成强度,而水泥水化必须有水的持续供给。 实际上在制作地质力学模型时是不希望浇水养护的,更不可能放在水中养护,因此,为了保证水泥基相似材料力学性能的形成和稳定,必须要解决养护问题。 水泥浆体初凝后逐步失去塑性,拌合用自由水的消耗引起绝对体积的减少,从而形成孔隙。 此时大部分毛细孔相互连通,而且毛细孔半径很大,因此,水的表面张力可以克服毛细管壁的阻力自由迁移,使水泥浆体内部的水分保持连续性。 但随着水泥颗粒的不断水化,浆体内部的水逐渐减少,而且水化产物逐渐细化和隔断毛细孔,一些水泥颗粒将无法获得水分进行水化。 为了解决相似材料在自然条件下的养护难题,可以考虑采用自养护技术。

所谓自养护技术, 是指选用多孔材料为填料,利用其孔隙在拌合前和拌合过程中吸水,随着水泥水化的进行, 在毛细管吸应力或渗透压的作用下,填料中的水逐渐向硬化水泥浆体迁移,从而支持水泥水化反应继续进行。 因此,自养护对保证相似材料内部物理力学性能能够达到设计要求而且具有良好的均匀性具有重要意义[4,5]。 采用自养护技术,自由水从多孔填料中逐步流出进入硬化水泥浆体的动力主要有以下两个方面:①渗透压:随着水泥水化的进行,体系溶液p H值上升至10.3,在溶液碱浓度梯度作用下,多孔填料中的水会产生向外的渗透压,促使多孔填料中的水不断释放出来。 陈伟、杨建森等[6,7]研究都发现,除毛细孔张力外,还存在盐浓度差产生的渗透压。 ②蒸汽压:随着水泥的水化,水泥浆体中的孔逐渐减小,当其尺寸小于多孔填料时,多孔填料孔口蒸汽压就大于水泥浆体内部的蒸汽压,从而多孔填料内部的水就以水蒸汽形式向四周扩散,在蒸汽压较小的小孔内由于毛细冷凝而形成水,从而支持水化反应继续进行。

T.C.Powers在深入分析水泥水化过程的基础上,于1948 年提出了自养护的理论模型-Powers模型; 丹麦的O.M. Jensen在总结Powers模型的基础上,提出了自养护需水量的计算公式,为自养护技术的实现奠定了理论基础[8,9]。 当前,对多孔填料的自养护技术研究包括从理论、模型方法来研究水泥石自身的亲水能力,孔隙的大小、几何形状和数量等因素对自养护过程的影响规律等。 目前常采用多孔陶粒、浮石、珍珠岩等轻质材料。

本文用石英砂和细砂为骨料,水泥和石膏为胶结材料配制相似材料,采用Ⅲ级粉煤灰作为自养护填料,探索多孔粉煤灰对水泥/石膏系列相似材料性能改善的规律。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

选用32.5 级水泥作为胶结材料; 骨料为石英砂, 试验用水为自来水。 粗石英砂的粒径为2.36~1.18mm,密度为2.65g/cm3;堆积密度为1.53g/cm3;细石英砂为粒径为1.18~0.60mm,密度为2.60g/cm3,堆积密度为1.43g/cm3。 填料选用南京某热电厂Ⅲ级粉煤灰:45μm筛筛余小于32. 8%、需水比为108%。

1.2 试验方法

试样尺寸:70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体;选用SANS公司生产的型号为Power Test V3.0C的MTS试验机,进行单轴压力测试和数据分析。

2 试验结果与分析

2.1 石英砂-水泥-石膏-粉煤灰-水配合

从表1 可以看到: ①当水泥掺量为5%~7%,石膏掺量在5%~3%范围时,配制的相似材料极限强度在0.2~0.6MPa范围, 弹性模量20~70MPa范围;水泥掺量越多强度越高,水泥对强度的影响远大于石膏的影响。②水泥掺量5%~7%,石膏掺量3%~5%范围时,用粉煤灰替代等质量的石英砂,极限强度随粉煤灰掺量增加而增加。

在水泥基相似材料中, 水泥是水硬性胶凝材料,其水化时必须有水参与,如果制备成的模型在空气中自然养护,其能够参与水化的水仅为配制时的拌合水,理论上而言,这部分水能够保证水泥完全水化。 水泥水化理论需水量为水胶比0.24,而本试验实际配制时水胶比为0.6, 因而在养护时只要保证拌合水不挥发,水泥水化所需要的水就能够得到保证。

在有水的环境中,石膏作为碱性激发剂,使粉煤灰的火山灰活性有较好的释放,对砂浆强度有一定的贡献;但在空气中进行养护时,石膏对Ⅲ级粉煤灰的激发作用是非常有限的。

2.2 石英砂/细砂-水泥-石膏-粉煤灰-水

在前面研究的基础上,进一步增大凝胶材料的比例,同时采用部分细砂来调整骨料级配达到调整孔隙大小和孔隙率的目的。 配合比和破坏变形参数见表2。

从表2 可以看到: ①在配合比相同的情况下:极限强度随水泥掺量的增加而增加;在水泥掺量相同的情况下,极限强度随粉煤灰掺量增加而增加的规律仍然很明显,与表1 的规律一致;②从第二组与第四组对比可以看出, 在配合比相同的情况下,用部分细砂代替粗砂,极限强度都略有增加,这说明好的级配对强度有利;③从第三组与第四组对比可以看出,在胶凝材料掺量相同的情况下,尽管用部分细砂代替粗砂提高了级配,但粗粉煤灰掺量5%相对于没有掺的强度增加值超过50%~100%,而粗粉煤灰掺量10%的又比5%掺量的强度增加值超过20%~80%,这说明粗粉煤灰增强的效果远大于级配对强度的贡献。

2.3 机理分析

由于煤质和燃煤技术等原因,粉煤灰会有部分有机残留, 我国电厂所用的粉煤灰中烧失量大于5%、8%、15%的分别占61%、43%、18%[10]。 宏观上残碳多为圆形蜂窝状和多孔状大颗粒,具有较强的保水能力。

采用日本电子公司生产的扫描电镜JSM25900对粉煤灰结构进行观察,发现残碳颗粒的层结构如图1(a)、图1(b)所示;空心微珠如图1(c)所示,球形颗粒表面开口孔径能够大于10μm, 甚至达到50μm。

选取强度最高的3-1# 试样进行微观测试,其SEM测试结果如图2 所示; 采用美国QUANTACHROME公司Poremaster GT-60 压汞仪进行孔分析,其测量直径范围为0.0035~400μm,孔分布如图3 所示。

一般情况下,粉煤灰在水泥硬化浆体强碱的环境下能够进行一定程度的水化产生强度,然而,即使掺粉煤灰原灰养护到28d龄期,水化程度仍然很低,因而在掺量较大情况下会使水泥相对含量过低,从而明显降低砂浆强度[11,12]。但当粗粉煤灰掺量较大时可以起到微集料作用,改善填料级配,从而对砂浆强度产生一定的贡献;另外,姜蕾、肖佳[13,14]研究发现粗粉煤灰含量越大,水泥浆的自收缩越小。在SEM中,能够看到浆体内部空洞或裂缝,其尺寸在几微米,根据压汞孔分析仪测试结果发现不仅有几微米的小孔,还有数量更多的10~50μm孔,以及超过100μm的大孔。在水泥浆体搅拌过程中这些孔可以吸收并储存适量的水,当水泥硬化浆体中的水逐渐减少,毛细孔逐渐减小时,这些储存在孔中的水就会逐渐释放出来,维持水泥继续水化,表现为强度反而能够明显增加,具有一定的自养护功能。

3 结论

(1) 水泥基相似材料中, 水泥作为胶凝材料奠定相似材料的强度,其他填料用于调节各类参数。

(2) 在空气中自然养护的条件下, 用多孔粉煤灰替代等质量的石英砂, 当粉煤灰掺量5%时水泥砂浆相对于没有掺的强度增加值超过50%~100%,当掺量10%时又比掺量5%的强度增加20%~80%。

(3) 由于粗粉煤灰具有不同尺寸的开口孔, 在水泥浆体搅拌过程中这些孔可以吸收并储存适量的水,在水泥硬化过程中,这些储存在孔中的水就会逐渐释放出来,表现为一定的自养护功能。

摘要：为了提高水泥基相似材料在自然环境下的养护效果,采用多孔粉煤灰作为填料研究其对相似材料性能的影响规律。结果表明:水泥基相似材料中,水泥作为凝胶材料提供相似材料的强度;在空气中进行自然养护的条件下,通过掺入多孔粉煤灰,能够提高相似材料的力学性能。粗粉煤灰掺量5%时相对于没有掺时的强度增加值超过50%~100%,粗粉煤灰替代10%时又比替代5%的强度增加值超过20%~80%。由于粗粉煤灰具有不同尺寸的开口孔,在水泥浆体搅拌过程中这些孔可以吸收并储存适量的水,在水泥硬化过程中,这些储存在孔中的水就会逐渐释放出来,表现为对水泥基相似材料一定的自养护功能。