山区公路贫混凝土透水基层的研究

西部交通建设科技项目合同号：200131878831《山区公路贫混凝土透水基层的研究》项目研究报告简本广西壮族自治区交通科学研究所交通部公路科学研究所长沙理工大学广西交通基建管理局广西公路桥梁工程总公司2005年8月中文题名山区公路贫混凝土透水基层的研究英文题名ResearchonPermeableLeanCementBaseinMountainArea交通编号项目来源交通部科技教育司单位编号合同号200131878831分类号项目起止年限2001年9月至2004年10月第一完成单位广西交通科学研究所项目负责人谭华（主任，高级工程师）报告撰写人田波田波（副研究员）谭华周志刚（副院长，教授）周志刚项目主要参加人广西交通科学研究所：谭华、梁军林、覃润浦、邓家喜、张维军、邓廷权交通部公路科学研究所：田波、牛开民、夏玲玲、刘英、穆占领、张建华长沙理工大学：周志刚、李宇峙、张起森、邵腊庚、李强、张红波、谢军、敖星广西交通基建管理局：李少军、黄香健、谭洪河、黄世武广西公路桥梁工程总公司：江羽习、龙永强主题词路面贫混凝土、透水、基层关键词路面透水、基层一、概述随着公路运输的发展，公路建设从东部沿海地区向西部山区延伸已成为必然，许多针对山区公路的关键技术问题有待研究解决，其中如何做好山区公路路面内部排水问题是当前迫切需要解决的技术课题之一。调查发现，使用一年以上的高速公路，不管是采用柔性路面、半刚性路面、刚性组合式路面还是刚性路面，都产生了程度不同的水破坏。水破坏的数量和速度与公路沿线的降雨量大小有密切关系。在其他条件都相同的情况下，在我国南方潮湿多雨地区，路面的水破坏要比降雨量小的半干旱和干旱地区在数量上多得多，在速度上快得多。我国早期施工高速公路沥青路面，虽然都采用Ⅰ型沥青混凝土做面层，有的中面层也是Ⅰ型沥青混凝土，但都未能避免水破坏现象；过去施工的水泥混凝土路面，水破坏现象十分严重，近期施工的高速公路水泥混凝土路面也开始出现水破坏现象。大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明,进入路面结构内的自由水是造成或加速路面损坏的最重要原因之一。水泥混凝土面层出现唧泥、错台和板底脱空等病害，使得路面整体结构的使用性能迅速变坏，使用寿命大大缩短。在这种情况下，设置路面内部排水系统，将滞留在路面结构内部的水分迅速排除路面和路基结构以外，可以改善路面的使用性能、提高其使用寿命。对交通繁重的高速公路和一级公路，采用内部排水设施所增加的费用，可以从使用寿命的增加和养护工作的减少中得到补偿，根据普度大学的Mathis的测算，设透水基层的路面，其使用寿命要比为设的路面提高30％（沥青路面）和50％（水泥混凝土路面）。人们已经逐渐意识到设置排水基层的必要性，但由于对设置排水基层的路面结构型式缺乏系统深入的研究，同时没有一整套完善的设计理论及方法，人们在采用这种优良的路面结构型式时缺乏信心，以至于长期以来设计方案较为单一，以半刚性基层路面结构为主，缺乏针对性，有些路面早期损坏十分严重。山区公路所处的地理环境和设计特点，要求采用多种路面结构形式，以确保路面的质量。只有根据地理条件及充分考虑各种影响因素的设计才是好的方案，也是建造一条优质公路的先决条件。贫混凝土透水基层强度高、抗裂性好、无冲刷、具有快速排水能力降低水破坏和施工速度快的优点，是一种性能优良的路面基层结构。深入开展贫混凝土透水基层的材料性能、路面结构设计以及施工工艺的研究，可以为贫混凝土透水基层路面结构设计、施工和大面积推广应用奠定基础，充分发挥其良好的经济效益和社会效益。研究成果可用于水泥混凝土路面和沥青路面结构，主要用于潮湿多雨地区和重载交通路段。因此，必须尽快开展这方面的研究工作，以适应目前西部大开发公路建设形势的需要。二、主要研究工作1、路面的排水能力研究1.1路表渗入率的研究采取常规方法，通过对国内典型地区水泥混凝土路面和沥青路面的现场渗入率进行测试，得出以下结论：水泥混凝土路面的渗水能力与接（裂）缝的宽度，接缝料的完好程度、下卧层的透水能力等有关，其值可以在0~4000cm3/(h.cm)之间变化；沥青路面的渗水能力和路面材料的孔隙率、裂缝的类型、裂缝的数量等有关，其值可以在0~1250cm3/(h.cm)之间变化。采用模拟降雨器模拟不同降雨强度进行路面渗入率研究，得出在降雨强度较大时，降雨量的95％以上都随地面径流而流走，仅有少部分通过沥青面层或裂缝渗入路面内部的结论。在对不同渗入率确定方法分析的基础上，建议采用1年一遇lh的设计降水强度值得0.33~0.50(沥青路面)或0.50~0.67(水泥混凝土路面)作为路表设计渗入率。1.2渗透性试验研究1.2.1研制了高精度渗透仪通过对现有渗透仪的分析，提出两点改进，一是引进充气气囊，解决多孔材料在测试时存在的侧壁渗漏问题，二是引进微差压计，提高了测试精度。该改进渗透仪已获得发明专利。1.2.2提出符合达西定律的渗透系数的测定水头范围为使不同孔隙率的透水材料的渗透系数的试验结果具有可比性，进行了符合达西定律的渗透系数的测定水头范围的研究。研究中取了4个不同孔隙率的试件来做不同水力梯度和流速曲线，从而得到不同孔隙率满足达西定律的水头范围。试验表明孔隙率越大，满足达西定律所要求的水头越低。1.3路面实际排水能力的研究试件的排水能力并不代表路面的排水能力，为此在室内采用足尺板来研究路面的实际排水能力。测试是在上游水头恒定的条件下进行。通过试验发现，从上游到下游，水的渗流路径是抛物线，而不是我们通常假设的等截面。水在多孔路面材料中的渗流行为服从杜布依公式。（1）当基层底面的横坡为0时，路面的排水能力如公式所示：2**iAkq它不服从达西定律，而是达西定律计算值的一半。（2）当基层底面横坡为S时，路面的排水能力如公式所示：Lkhskhq22111.4计算排水能力时渗透系数的取值方法直接的方法，是通过实测足尺板的渗透系数，来作为计算路面排水能力的渗透系数K，但这种方法较为繁琐。间接的方法，可通过对试件垂直渗透系数K’的修正，来获得计算路面排水能力的渗透系数K。这种方法的优点是操作简单，缺点是在物理意义不明确。试验的关键在于在室内对试件的垂直渗透系数进行修正，使其在数值上等于路面足尺试验板试验所获得的渗透系数。间接法建立排水能力用渗透系数K的具体步骤：第一步——进行足尺试验板试验得到渗透系数k；第二步——对试验板钻芯，确定其确定室内渗透系数k’；第三步——确定渗透系数k和试件渗透系数K/之间的修正系数A则K=A*k’在求得修正的渗透性系数'k后，可使用杜布依公式推求路面的排水能力。1.5非稳定流时的排水时间研究设计基层的排水能力涉及到排水时间，与排水时间有关的是材料的孔隙率和横坡大小。为此，我们进行了相同横坡不同孔隙率时、以及相同孔隙率不同横坡时，排水量与排水时间的关系试验，结果表明，孔隙率越大或横坡越大，排除相同水量所需的排水时间越短。对图中数据进行多元回归，有公式：542.0)lg(548.3647.0686.0vttvvU（R2=98%，s2=0.148）其中：U为排出水分总量百分比；t表示排走U时的时间，单位min；v为孔隙率。对图中的数据进行多元回归，有如下回归公式：6615.0)951.0lg(543.01658.0stU（R2=0.048,s2=0.99）其中，U为排出水分总量百分比；t表示排走U时的时间，单位min；s表示坡度。2、贫混凝土透水基层材料设计方法研究2.1孔隙率的确定方法提出有效孔隙率采用抽真空的方法代替分层浸泡的方法，优点在于可将试件内的气泡排除干净，使结果更趋近于真值。对全孔隙率的测定，由于表干法、水中重法、蜡封法不适用，最现实的方法是采用体积法。研究同时采用图像识别的方法来进行孔隙率的测定，通过数码相机，拍摄孔隙原图，采用最大方差法二值分割，通过计算孔隙占截面的面积比例计算孔隙率。计算结果表明和实测结果接近。2.2试件成型方法的研究不同的成型方法对其多孔贫混凝土的渗透性、强度影响很大，所以对多孔贫混凝土透水基层材料的成型方法进行系统研究。在室内，我们共进行了5种不同成型方法的试验比较，采用3个指标来评价成型方法的适用性，分别是集料破碎率指标、强度变异性指标和孔隙率变异性指标。表1不同成型方法的比较成型方法破碎率强度变异性孔隙率变异性控制压力大大大控制贯入深度大大大振动台小大且随时间增加强度减小小上置式振动小小小插捣小大小通过分析，发现采用上置式振动成型的方法成型得到的试件，集料破碎率小、强度变异性和孔隙率变异性均较小，同时上置式振动方法和现场振动机理相近，因此推荐采用上置式振动成型的方法成型多孔贫混凝土试件。2.3材料的级配研究为得到多孔结构，可以通过以下两个途径：（1）控制压实度，即对材料不进行充分压实，使其保持一定量的孔隙。（2）调整级配。在充分压实的情况下，不同的级配有不同的孔隙率。调整压实度的方法不能充分发挥材料本身的特性，在经济上是不可取的。因此应主要研究如何调整级配获得透水基层材料。通过大量的室内试验研究，得出以下的多孔贫混凝土试件的全孔隙率的预测公式：式中：V—试件的全孔隙率；cementVVMAVVMA—集料压实后形成的间隙率；VCement—水泥石的体积。2.4配合比设计方法研究2.4.1级配设计级配设计满足以下三个原则：渗透系数符合要求、级配不离析、配制出的试件的抗压强度符合要求。2.4.2水泥用量的确定水泥浆的用量可以模仿沥青混凝土计算沥青膜的思路，建立不同水泥用量和级配之间的相关关系。假设每个集料上裹附的水泥浆膜厚度为一个确定值，那么比表面积总和与水泥膜厚度的乘积就是所用水泥浆的体积，最后水泥浆的体积再乘以水泥浆的密度即为水泥浆的质量。2.4.3水灰比的确定试验表明在相同集灰比条件下，在一定范围内存在最佳水灰比使强度达到最大，但一般强度峰值并不明显。所以寻找最佳水灰比的重点不是追求最大强度，而是追求良好的施工和易性和良好的裹附性。目前使集料表面带有金属光泽的水灰比是一个比较理想的水灰比。根据经验常用的水灰比一般为0.39~0.41之间。3、贫混凝土透水基层路面结构设计方法的研究3.1水泥混凝土路面结构设计方法研究3.1.1层间粘结问题的研究为防止路面水泥浆下渗堵塞排水基层的孔隙，在面层和基层间采取了层间隔离措施。为此进行了室内界面接触直剪试验，得出不同隔离状态下正应力与剪应力的关系曲线。从试验结果可知，加设的隔离层对面层和基层间的层间结合状况的影响较大，直接铺筑时界面结合力最大，其次是新闻纸的隔离状态。由于采取层间隔离措施，改变了水泥路面和基层的隔离状况，现场采用足尺板进行不同隔离状态的顶推试验，得到位移和顶推力曲线，现场顶推试验为计算分析提供了依据。3.1.2水泥混凝土路面结构荷载应力分析通过计算分析，得出以下几个结论：(1)本研究的计算结果和规范计算结果接近；(2)层间结合式以基层底最大弯拉应力为控制。层间分离时需同时以对混凝土面板底及透水基层底弯拉应力进行控制；(3)采用隔离措施时，计算状态更接近于分离式。3.1.3温度应力计算通过研究获得以下两个成果：(1)在计算温度应力系数时将水泥混凝土面层和贫混凝土基层的总厚度扩展到0.4m以上。(2)考虑了基层切缝（有限尺寸板）和不切缝（无限大板）时的温度应力。对基层切缝和不切缝两种情况，都给出计算公式：'(1)ttmtm式中：t为部分结合状态下路面结构的温度应力；为温度应力计算系数，其值介于0和1之间；tm为光滑状态下路面结构的温度应力；'tm为完全结合状态下路面结构的温度应力。3.2沥青路面结构设计方法研究研究对四种基层模量（2000，5000，10000，15000MPa）、四个基层厚度（10、15、20、25cm）、三种沥青面层（5、10、15cm）进行了连续和滑动两种情况的计算分析。计算结果表明，对于设置贫混凝土透水基层的沥青路面，仍旧可采用常规的沥青路面计算方法设计。4、贫混凝土透水基层的施工工艺与质量控制技术研究4.1拌和工艺的研究4.1.1投料搅拌工艺对多孔贫混凝土强度