透水混凝土改造既有水泥混凝土路面透水性能试验研究

作者:陈代果 苏留峰 姚勇 吴先哲 李谦
单位:西南科技大学土木工程与建筑学院 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室中国科学技术大学 四川靓固科技集团有限公司
摘要:对8组24个立方体试件进行透水试验,研究透水混凝土改造既有水泥混凝土路面后的透水性能,并分析水泥混凝土层开孔率及透水混凝土骨料粒径对改造后路面透水性能的影响。试验结果表明,既有水泥混凝土路面透水性能改造方法能使改造后路面透水性能满足相关规范要求;透水试件孔隙率及透水系数均随着水泥混凝土层开孔率及透水混凝土骨料粒径的增大而增大。根据研究结果,建议在实际工程中将水泥混凝土层开孔率控制为22. 43%以内,可通过增大透水混凝土骨料粒径提高改造后路面的透水性能。
关键词:透水混凝土路面改造透水性能试验研究
作者简介:陈代果,博士研究生,讲师,E-mail:cdg927@mail.ustc.edu.cn。
基金:国家自然科学基金(51908476);住建部科技计划项目(2018-K9-049; 2018-K9-059);四川省科技创新苗子工程(2016104);中国水利水电第七工程局有限公司科技项目。 -页码-:12-15

0 引言

   水泥混凝土路面作为一种不透水路面,主要通过地表坡度将雨水引入排水系统,不仅加重自然水体的污染程度,破坏城市地表生态平衡,同时也阻断雨水对地下水的补给。透水混凝土作为一种优质的“海绵体”,能有效解决城市路面不透水问题。透水混凝土自身具有一定孔隙,能使雨水渗透到地下,起到排水、保水作用,在改善城市内涝问题的同时,有效缓解城市热岛效应。目前,国内外对透水混凝土的应用与研究主要集中于新建工程及其基本性能方面 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],而对利用透水混凝土改造既有水泥混凝土路面,进而解决路面不透水问题的研究鲜有报道。调查结果显示,透水混凝土应用于道路改造工程中的主要方式为在原道路表面直接浇筑透水混凝土面层,实践证明此法不能有效利用透水混凝土的透水性能,尤其在长期使用后,路面将失去透水能力,与普通水泥混凝土路面无区别,且道路强度无法保证。基于此,提出能有效利用透水混凝土透水性能,实现路面透水的路面结构改造方法。对既有水泥混凝土路面面层、基层进行钻孔处理,然后向孔道中浇筑透水混凝土,并加铺透水混凝土面层,以达到路面透水的目的,该方法可用于住宅小区、校园等道路等级要求较低的路面。透水能力是透水混凝土路面的重要性能指标,因此通过试验对改造后的路面透水性能进行研究。

1 试验概况

1.1 原材料

   1)水泥混凝土采用P·O32.5普通硅酸盐水泥,细骨料采用中粗河砂,粗骨料采用40%粒径为4.75~9.5mm和60%粒径为9.5~26.5mm的碎石,配合比为水泥∶细骨料∶粗骨料∶水=1∶2.44∶3.24∶0.44,混凝土抗压强度等级为C25。

   2)透水混凝土采用P·O42.5普通硅酸盐水泥,粗骨料采用粒径5~10,10~15mm碎石,设计孔隙率均为20%,水灰比均为0.3,配合比设计参照DB11/T775—2010《透水混凝土路面技术规程》,如表1所示。

   表1 透水混凝土材料配合比及强度
Table 1 Proportion and strength of permeable concrete 

表1 透水混凝土材料配合比及强度

1.2 试件设计与制作

   为探究原水泥混凝土层钻孔面积对改造后路面透水性能的影响,将透水试件设计为150mm×150mm×150mm的标准立方体试块,其中水泥混凝土与透水混凝土浇筑高度均为75mm,且下部水泥混凝土试块中央预留圆形孔道,如图1a所示。

   试件制作过程为:首先浇筑下部水泥混凝土试块,并在中央预留圆形孔道,将水泥混凝土与透水混凝土的接触面凿毛,凿毛深度约5mm,自然状态下养护2个月后,放入标准立方体试模中浇筑成T形透水混凝土,待混凝土终凝后拆模,并将试件放入标准养护室养护28d。成型后的试件如图1b所示,具体设计参数如表2所示。同时,浇筑8个透水混凝土立方体试块作为对照组。

1.3 透水系数测试方法

   目前,透水系数测试方法主要有定水头法和变水头法2种,通过参考文献[11,12,13,14]及《透水混凝土路面技术规程》中路面透水系数测试方法 [15,16],采用变水头法测试,并自制简易透水系数测试仪。

图1 透水混凝土试件

   图1 透水混凝土试件  

   Fig.1 Specimens of permeable concrete

   表2 试件设计参数
Table 2 Design parameters of specimens   

表2 试件设计参数

   测试方法为:测试前用自来水冲洗试件,并湿润试件内表面,再用PE膜包裹试件四周,将试件置于测试仪中,使试件四壁与测试仪内壁紧密贴合,用石蜡密封接缝处;试件放置完成后,向测试仪中加水至顶部,待水面降至测试仪刻度150mm处开始计时,记录水面每下降20mm所用的时间,当水面降至刻度30mm时停止计时,时间精确至0.1s,每个试件均测试3次,取平均值以减小误差。

   透水系数计算方法为 [17]:根据式(1)计算不同水头高度下的渗透速度,以水头高度为自变量、各水头高度下的渗透速度为因变量拟合二元一次线性方程,即式(2)。

    

   式中:Vi为不同水头高度下的渗透速度(mm/s);ΔH为水面下降高度(20mm);ti为水面下降20mm所用的时间(s)。

    

   式中:H为水头高度(mm);k为渗流系数;V为渗透速度(mm/s);b为截距,即为透水系数。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

   各试件实测孔隙率及透水系数测试结果如表3所示,由表3可知,各试件透水系数均>0.5mm/s,因此改造后路面透水性能满足《透水混凝土路面技术规程》的要求。

2.2 开孔率的影响

   由表3可知,在透水混凝土骨料粒径相同的情况下,随着水泥混凝土层开孔率的增大,试件孔隙率及透水系数均有所增大。对于骨料粒径为5~10mm的A类试件,开孔率为22.43%的试件平均孔隙率比开孔率为17.10%的试件增大3.75%,平均透水系数比开孔率为17.10%的试件增大8.01%;而开孔率为28.27%的试件平均孔隙率比开孔率为22.43%的试件增大0.99%,平均透水系数比开孔率为22.43%的试件增大2.26%。对于骨料粒径为10~15mm的B类试件,开孔率为22.43%的试件平均孔隙率比开孔率为17.10%的试件增大17.42%,平均透水系数比开孔率为17.10%的试件增大7.87%;而开孔率为28.27%的试件平均孔隙率比开孔率为22.43%的试件增大0.82%,平均透水系数比开孔率为22.43%的试件仅增大0.39%。

   从孔隙率及透水系数的增幅来看,水泥混凝土层开孔率对改造后路面透水性能的影响较小,增幅基本在10%以内。分析原因为开孔率分别为17.10%,22.43%,28.27%的试件对应的水泥混凝土层开孔直径分别为70,80,90mm,孔径增量为10mm,与所采用的透水混凝土骨料粒径接近,所增加的孔径区域正好被骨料填补,未增加较多的有效孔隙,因此孔隙率及透水系数增幅较小。

   实际工程中,原水泥混凝土路面钻孔面积不宜过大,否则将损坏原路面结构,导致改造后路面承载力不足,同时会产生大量建筑垃圾,失去改造意义。根据本次试验结果,建议实际工程中水泥混凝土层开孔率控制为22.43%以内。

2.3 骨料粒径的影响

   由表3可知,在水泥混凝土层开孔率相同的情况下,随着透水混凝土骨料粒径的增大,试件孔隙率及透水系数均有所增大。对于开孔率为17.10%的Ⅱ类试件,骨料粒径为10~15mm的试件平均孔隙率比骨料粒径为5~10mm的试件增大5.80%,平均透水系数比骨料粒径为5~10mm的试件增大63.76%;对于开孔率为22.34%的Ⅲ类试件,骨料粒径为10~15mm的试件平均孔隙率比骨料粒径为5~10mm的试件增大19.74%,平均透水系数比骨料粒径为5~10mm的试件增大63.55%;对于开孔率为28.27%的Ⅳ类试件,骨料粒径为10~15mm的试件平均孔隙率比骨料粒径为5~10mm的试件增大19.54%,平均透水系数比骨料粒径为5~10mm的试件增大60.57%。

   表3 透水性能试验结果
Table 3 Test results of permeability   

表3 透水性能试验结果

   综上,相比水泥混凝土层开孔率,透水混凝土骨料粒径对改造后的路面透水性能的影响较大。在实际工程中,可在路面强度允许的条件下通过增大透水混凝土骨料粒径提高改造后路面的透水性能。

3 结语

   1)本研究提出的既有水泥混凝土路面透水性能改造方法能使改造后的路面透水性能满足《透水混凝土路面技术规程》要求,但受原水泥混凝土层的影响,改造路面的透水能力相比一般透水混凝土路面降低50%左右。

   2)试验结果表明,透水试件孔隙率及透水系数均随着水泥混凝土层开孔率及透水混凝土骨料粒径的增大而增大,但根据增幅判断,透水混凝土骨料粒径对改造后路面的透水性能起主要控制作用。

   3)根据试验结果,建议实际工程中水泥混凝土层的开孔率控制为22.43%以内,此时路面强度、耐磨性和耐久性均满足规范要求,且在路面强度允许的条件下可通过增大透水混凝土骨料粒径提高改造后路面的透水性能。

    

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Experimental Study on Permeability Performance of Cement Concrete Pavement Reconstruction Based on Previous Concrete
CHEN Daiguo SU Liufeng YAO Yong WU Xianzhe LI Qian
(School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University of Science and Technology CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials,University of Science and Technology of China Sichuan Lglitter Technology Group Co.,Ltd.)
Abstract: The penetration test was carried on 24 cube specimens of 8 groups. The permeability performance of cement concrete pavement reformation based on previous concrete was studied,and the influencing regulations of different drilling proportions and different previous concrete strength were analyzed in this paper. The results show that the permeability performance of reconstructive pavement can meet the requirement of codes. The porosity and the permeability coefficient tend to enlarge with the increase of drilling proportion and previous concrete strength,and previous concrete strength is the major influence factors. Through the experimental results,drilling proportion should be controlled within22. 43%.The permeability performance can be improved by increasing the previous concrete strength under the condition of pavement strength in the actual project of pavement reconstruction.
Keywords: previous concrete; pavement reconstruction; permeability; testing; research
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