沥青路面多孔混凝土基层排水性能研究

刘宝旭

（河北省宽城满族自治县交通运输局）

1 空隙率

1.1 空隙率的测试方法

由于试件在成型拆模过程中容易缺角或碰掉角,体积不容易通过游标卡尺测得,并且很多情况下又缺少切割设备,所以空隙率最常用的测定方法是采用胶带密贴蜡封法。它可以测定试件的全空隙率或有效空隙率。胶带密贴蜡封法的主要操作步骤如下：

（1）将试件从养生室取出,分三次浸入水中,即每1 h使试件浸水1/3,全部浸入水中后静放2h,称取其水中质量为m1/g；（2）将试件放入60℃的烘箱中烘12h至恒重,然后称重m2/g；（3）用胶带纸将试件表面完全包裹,注意不留缝隙且胶带用量尽可能少,称取其质量为m3/g；

（4）将贴满胶带的试件浸入熔化的蜡油中,迅速滚动,直至试件完全被蜡封住,称取其质量为m4/g；

（5）将试件冷却后浸入水中,至无气泡冒出时,称取其水中质量为m5/g；

v=（m4-m5）/ρw-（m4-m3）/ρ蜡-（m3-m2）/ρ胶（1）式中：ρw为水的密度,1g/cm3；ρ蜡为蜡的密度,0.86 g/cm3；ρ胶为胶带的密度,0.82g/cm3。

然后根据量体积法的计算原理即可求得试件的全空隙率 n0及有效空隙率ne。

1.2 有效空隙率与全空隙率的关系

多孔混凝土是介于水泥稳定开级配碎石和普通混凝土之间的一种材料,可以采取不同的成型方法。但成型方法的不同,对于其强度和空隙率会产生较大的影响。振动法和插捣法是目前混凝土常用的成型方式,前期大量试验表明这两种方法对于多孔混凝土同样适用,所以研究中先分别采用了这两种成型方法对多孔混凝土的空隙率进行了测试。试验结果如图1～图2所示。

圈1 振动成型试件有效空隙率和全空隙率的关系

圈2 插捣成型试件有效空隙率和全空隙率的关系

从图1和图2可以看出,不管是振动成型还是插捣成型,随着 n0的增大,ne和ne/n0都明显增大。所以,随着多孔混凝土空隙率的增大,其有效空隙率和有效空隙率所占的比例也会增大,排水性能就越好。

表1 多孔混凝土有效空隙率和全空隙率的关系

根据实验结果,对振动成型法和插捣成型法两种成型方法分别回归出有效空隙率和全空隙率之间的相关关系,如表1所示。由相关系数可知,多孔混凝土两种空隙率之间存在良好的二次多项式关系,且振动法成型的相关性比插捣法成型要高,实际使用中建议根据实际情况分别采用各自的回归关系式。

2 渗透系数

渗透系数是表征多孔混凝土排水性能最直接和有效的指标,目前排水材料渗透系数的测定大多基于Darcy试验定律,多孔混凝土也是如此。

Darcy公式产生以后,对于渗透系数K的物理意义是通过Seelheim等人的工作逐渐确认到的。对于K的物理意义,目前较常见的表达式为：

式中：c为颗粒形状结构系数；d为颗粒平均直径；g为重力加速度；ρ为流体密度；μ为流体动力粘滞系数。

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从式（2）可以看出,K的物理基础取决于固体颗粒骨架的几何形状结构（cd2）和流体的性质（gρ/μ）两部分。可见,K不是常数,它是流体粘滞度、密度和颗粒结构的函数。因此需要说明,只有粘滞度、密度和其他因素是常数时,渗透系数在Darcy定律中才能作为常数。

采用文献提出的渗透仪测定渗透系数。在已知临界水力梯度,且测试过程保证层流次态的前提下,按Darcy定律的修正式（3）计算渗透系数。

式中：KT为T℃时的渗透系数,cm/s；Q为时间t内的渗出水量,cm3；L为测压孔距,cm；Δh为平均水头差,cm；t为渗透时间,s；A为试件的横截面积,cm2。

未知临界水力梯度时,按式（4）求得水透过试件的流速,然后回归水力梯度与渗流速度的关系,取其一次项的倒数近似为渗透系数。当然,这种方法需要保证回归公式有足够大的相关系数（一般0.99以上）,且测试过程中的水力梯度应尽可能小,根据大量试验结果,最小水力梯度需接近0.01。

3 渗透系数与空隙率的关系

渗透系数与空隙率均可作为表征多孔混凝土排水性能的指标,虽然渗透系数更为直观,但渗透系数的测定需要专门的渗透仪,测试过程相对麻烦。本文选取4种级配的多孔混凝土,利用文献研制的渗透仪,测试其渗透系数与空隙率,结果如表2所示。

表2 多孔混凝土渗透系数与空隙率测试结果

对表2中的结果进行线性回归和幂指数回归,可找出渗透系数与有效空隙率的相关关系,如图3所示。

图3 多孔混凝土渗透系数与有效空隙率的相关关系

从式（5）和式（6）可以看出,K和ne有较好的幂指数相关关系。在使用过程中,通过测量有效空隙率就可间接得到其渗透系数,从而大大简化试验过程。

4 结论

本文通过研究多孔混凝土排水基层的排水特性,得到以下结论：

（1）表征多孔混凝土基层排水性能的主要指标是空隙率和渗透系数,空隙率分为全空隙率和有效空隙率,对采用胶带密贴蜡封法进行空隙率测试的过程进行了探讨。

（2）大量试验结果表明,有效空隙率随全空隙率的增大而增大,有效空隙率与空隙率之比也随之增大,且二者之间存在较好的二次项关系。对应于不同的成型方法,关系式发生改变,针对两种情况分别回归出相应的关系式。

（3）从Darcy定律推导出渗透系数的概念,讨论了渗透系数的物理含义,根据渗透仪试验结果回归出多孔混凝土渗透系数与空隙率之间的幂指数关系,为指导多孔混凝土材料的设计奠定了基础。

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