山区公路贫混凝土透水基层的研究

1、西部交通建设科技项目 合同号：8831«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8831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

2、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、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

3、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

4、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

5、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

6、。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04000cm3/ 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01250cm3/ 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

7、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 （沥青路面）或 （水泥混凝土路面）作为路表设计渗入率。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

8、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。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：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：计算排水能力时渗透系数的取值方法直

9、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；第三步一一确定渗透系数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

10、求路面的排水能力。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：U 3.548vlg(tv) t 0.686 v0.647 0.542 (R2=98% s2=)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：U 0.5431g(t 0.951) s0.1658 0.6615 (R2=,

11、s2=)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。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

12、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。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

13、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一试件的全孔隙率；VMAr集料压实后形成的间隙率；Vcement 水泥石的体积。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

14、。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之间。3、贫混凝土透水基层路面结构设计方法的研究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

15、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)

16、 采用隔离措施时，计算状态更接近于分离式。(4) .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：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 一 、 、 . . 一 、 ' 一于 0 和 1 之间； tm 为光滑状态下路面结构的温度应力；t'm 为完全结合状态下路面结构的温度应力。沥青路面结构设计方法研究研究对四种基层模量(2000, 5000, 100

17、00, 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的影响在孔隙率相差不多的情况下，裹浆法比常规普通搅拌法所得的强度要低，所以多孔贫混凝土仍采用普通搅拌工艺进行拌和。4.1.2 拌和时间对多孔贫混凝土强度的影响搅拌时间对强度有影响，建议根据搅拌机叶片行程来确定搅拌时间，施工中单卧轴强制式搅拌机的搅拌时间为 5090s,

18、双卧轴强制式搅拌机的搅拌时间为3035s。成型工艺的研究4.2.1 振动成型工艺的研究(1) 频率的影响在相同的激振力下，低频高幅的振动方式只须较少的时间就可使混合料达到预计的孔隙率，并获得较高的抗压强度。(2) 激振力的影响在相同的频率下激振力越高，多孔贫混凝土试件的强度越高，激振力在5000N8000Nfc间可获得较高的强度指标值。(3) 静面压力的影响在相同的振动时间内，随着静面压力增大，多孔贫混凝土试件的孔隙率变小，即随着静面压力的增大多孔贫混凝土试件的密度在增大；但静面压力不宜超过120kPa,否则会造成集料的大比例破碎进而影响多孔贫混凝土试件的强度。(4) 振幅的影响大振幅会导致较

19、高的破碎率，要达到相同的孔隙率，过低或过高的振幅都要较多的振动时间。振幅在0.9mm- 1.5mm的范围内时，各项指标均较为合适。4.2.2 静压成型工艺进行了不同静压成型压力下各种级配混合料的破碎率试验、振动成型与静压成型对多孔贫混凝土材料的影响试验，结论为：(1) 随着成型压力的增大，集料的破碎率明显增大，因而须控制压路机的吨位，以防止过重的压路机碾碎集料，造成新鲜的破裂面而使材料的强度降低。(2) 成型方法对材料强度的影响比材料级配变化带来的影响要大。对不同的级配，振动压实提高材料的抗压强度和回弹模量的趋势是相同的。. 延迟时间的影响随着成型时间的延迟，试件的抗压强度降低，并且强度损失幅

20、度随延迟成型时间的加长而增大。因此须针对贫混凝土强度的时效性进行现场管理，尽量在拌和后2h 内完成多孔贫混凝土基层的碾压成型工作。现场质量控制技术研究进行了拌和物搅拌均匀性控制、适宜的运输方式和合理的运距、延迟时间的控制、适宜的摊铺方法，减少材料离析现象和压实的控制等几个方面的研究并提出了相应的对策。养生方法的研究为研究室外环境对现场贫混凝土养生条件的影响，在室内模拟不同风速时材料的水分损失的规律，从而提出保证强度发展的养生措施。5、试验路简介南坛试验路南坛路位于南宁盆地内，公路自然划区为IV 6。年平均降雨量1313.1mm依托 工程为A标的石埠南互通，总长为3.187km。多孔贫混凝土透水

21、基层设计厚度为 20cm。全黄路实体全州至黄沙河高速公路是国道主干线衡阳至昆明公路的重要组成部分，项目所在区域雨量充沛，全年平均降雨量1313.1mm属我国南部多雨潮湿地区。实体工程 桩号为K9+76A K10+210全幅，全长450米，路段为填方路堤，路基宽 26m 试验路铺筑结论通过多孔贫混凝土透水基层试验路的铺筑，以及排水性能试验，全面验证了多孔贫混凝土的材料要求与施工工艺研究成果，结果证明试验路各项指标符合基层的 要求。6、贫混凝土透水基层材料性能研究溶蚀试验当水分进入基层后，在重车的作用下基层材料会因动水压力的作用而产生溶蚀，基层材料中的Ca(OH逐步被溶出，从而导致基层材料的强度降

22、低，甚至变为 松散的物体。从试验结果可知，多孔贫混凝土材料的抗溶蚀性能最好。抗冲刷试验冲刷试验结果表明，多孔混凝土的抗冲刷能力最好 多孔贫混凝土材料抗压和抗折强度关系研究根据疲劳试验过程中得到的数据，建立断块抗压强度（15X 15X 15cm的立方 体）、抗弯拉强度（55X 15X 15cm的抗折试件）以及水泥用量之间的回归公式，水 泥用量分别为220、200、180kg/m3。S = , R=%n=60其中fr为多孔水泥混凝土试件的抗折强度，MPa fc为多孔水泥混凝土试件的抗折断块的抗压强度，MPa Wcement为水泥用量，kg。根据上述数据，一般抗压强度和试件的抗折强度之比的范围在 之

23、间，小于路 用普通水泥混凝土试件抗压强度和试件的抗折强度之比（ 10左右），可见多孔贫 混凝土试件具有更大的压折比，显示出很好的抗折性能。抗压强度的预估研究根据相关章节中对近80种级配进行的研究，积累了大量级配、水灰比、水泥 品种、集灰比和强度之间的关系。并采用逐步多元线性回归的方法，判断和强度最 为密切相关的变量，最后再采用非线性回归的方法建立多元非线性回归方程。R= % S=3.123Ifc168,738 *Vv93.424（W/C） 1.041Ccement 131.25（ A/C）孔隙率和渗透系数之间的关系研究S= n=278o其中：k为渗透系数，在水头差30Pa条件下测得；Va为试件

24、的有效孔隙率。 全孔隙率和有效孔隙率的关系V 全 0.721V 有效 7.51R=% 抗折回弹模量多孔贫混凝土的抗折回弹模量约在 11000Mp数右。干缩分析试验干缩试验表明多孔贫混凝土材料的干缩性能和贫混凝土性能接近。飞散试验为研究基层材料抵抗冲击力的大小，进行了肯塔堡飞散试验，以评价不同基层材料在不同荷载作用下表面集料脱落散失的程度。试验结果表明：密实贫砼材料的飞散损失最小，其次是多孔混凝土、水泥稳定碎石最差，其试件几乎全部松散。小梁疲劳试验对 180 根梁试件集灰比为10： 1 的抗折试件采用的高低应力比和集灰比9： 1的试件采用的抗折试件进行疲劳试验。7、贫混凝土透水基层路面的使用性能

25、评价为评价路面结构的长期性能，在室内采用加速加载的直道试验进行评价。试验先后用三种轴重（10t、13t、18t）进行5个月的直道运行试验，其中轴重 10t 运行时间约1 个月，轴重13t 运行时间约1 个月，轴重18t 运行时间约3 个月。当量轴载作用次数达到高速公路使用末期的累计当量轴次的要求。通过各方面试验检测及其结果分析论证，表明无论设透水基层的沥青路面还是刚性路面，与常规半刚性路面比较均具有相当的疲劳寿命，且设透水基层的路面还具备排水的能力，充分显示了贫混凝土透水基层的优越的路用性能。8、贫混凝土透水基层技术经济分析对贫混凝土透水基层与水泥稳定碎石基层进行经济对比分析：（1） 进行了路

26、面初期费用的对比，透水基层的直接单价比水泥稳定碎石基层的直接单价稍高，同为20 cm 时，每平米增加元。（2） 进行了综合单价分析，考虑路面后期养护费用的情况，透水基层路面的综合投资比水泥稳定碎石路面减少元/m2。三、主要研究成果本课题取得的主要研究成果有：1、对路表渗入率、多孔材料渗透系数试验方法、路面内部排水时间和排水能力等方面开展了系统的试验研究分析，在此基础上提出了路面内部排水系统设计方法。 包括：研制了降雨模拟器进行现场路面渗水试验，测试路表渗入率。并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 的设计降水强度值的（沥青路面 ）或 （水泥混凝土路面）作为路表设计渗入率

27、。研制出多孔道路材料渗透仪，并根据渗透试验，给出不同孔隙率试件满足达 西定律条件下要求的水头范围。进行了贫混凝土透水基层板模拟排水试验，发现在稳定水头的条件下，在路 面内部水从上游到下游液面高度逐渐降低近似呈抛物线， 而不是直线。在稳定流下， 基层的排水能力可用公式q khis他表示。当基层底面为水平时，基层的排水能2L力为达西定律计算值的一半；当基层底面横坡为 s时，基层的排水能力可近似为q khis,这个公式形式上和达西定律接近，但横坡 s不是水头损失i。在非稳定流条件下，对不同孔隙率（渗透系数）的试验板在不同水力坡度下的 排水时间进行研究，为研究确定排水路面的排水时间奠定基础。2、鉴于多

28、孔贫混凝土材料的特殊性，对其有效孔隙率的测试方法、试件成型 方法、级配设计方法等进行了系统的试验研究分析，在此基础上提出了贫混凝土透水基层材料设计方法。包括：推荐使用抽真空法代替其他方法作为有效孔隙率的标准方法；体积测定采用直接测量的方法，而不宜其它常规的方法。同时探讨了应用图像识别方法计算试件 端面孔隙率的有效性。推荐室内采用上置式振动法成型多孔贫混凝土材料。分别采用五种思路对多孔贫混凝土级配进行研究，发现多孔贫混凝土试件最 终全孔隙率等于集料形成的矿料间隙率（VMA减去水泥石的体积。最后提出用体 积法为主的贫混凝土透水基层材料配合比设计方法。3、通过室内外试验和系统的理论计算分析，结合直道

29、足尺试验，探讨了贫混 凝土透水基层路面结构设计模型， 提出了贫混凝土透水基层路面设计方法， 弥补了 现行路面设计规范的不足。 包括：通过贫混凝土透水基层水泥混凝土面板的室内直剪试验和现场顶推试验，建立了贫混凝土透水基层与水泥混凝土路面板层间结合模型。结合试验，建立贫混凝土基层水泥混凝土路面结构分析模型，运用非线性有 限元方法计算分析了贫混凝土透水基层水泥混凝土路面的荷载应力、温度应力及其 在各影响因素下的变化规律，重点探讨了层间结合状态对上下板应力的影响，并提 出了贫混凝土透水基层切缝和未切缝情形下的荷载应力和温度应力计算办法。在试 验和理论分析基础上，提出了贫混凝土透水基层水泥混凝土路面结构

30、设计方法。通过计算分析，指出对于设贫混凝土透水基层的沥青路面，可沿用现行的沥青路面设计规范所提设计方法。4、对现场拌合工艺、成型工艺、现场质量控制技术以及养生方法进行试验研究，提出了一套适于贫混凝土透水基层的施工工艺。包括：多孔贫混凝土材料宜采用普通拌和方法，搅拌时间以搅拌叶片的平均行程 70100m所需时间确定。室内试验表明振动压实工艺优于静碾工艺。多孔贫混凝土透水基层合适的施 工工艺是：频率为30Hz,激振力为7612N静面压力为109kPa,振幅为1.5mm多孔贫混凝土基层的松铺系数一般在左右，推荐采用静碾1 遍大振1 遍 -小振 1 遍静碾去轮迹的施工工艺。并且现场采用灌砂法控制压实度。5、通过大量的室内试验，对贫混凝土透水基层材料的各项性能进行了系统