透水混凝土铺装基底材料抗冻胀性能试验研究

王宗海

（喀左县水利局，辽宁 朝阳122300）

1 研究背景

随着经济社会的发展，特别是城镇化进程的不断加快，河道整治成为城镇建设的重要内容[1]。河岸和堤防硬化处理是河道整治工程的传统模式，但是这种整治方式会造成河道生态之间的人为隔绝，不利于河道生态环境的保持和优化，甚至还会对河道生态环境造成十分严重的负面影响[2]。因此，在河道整治工程中，不仅要考虑工程措施的耐久性和经济性，还应该注重对生态环境的保护[3]。在这一背景下，透水混凝土铺装已成为水利工程，特别是河道整治工程中最重要的铺装形式[4]。透水铺装可以打通河道生态系统和水体的有效联结和循环，同时还可以为各种生物营造良好的栖息环境[5]。当然，在透水混凝土铺装工程设计中，其生态性和耐久性之间存在比较显著的矛盾，北方寒区河道整治工程中的透水铺装尤其如此，需要解决冻融循环条件下的耐久性[6]。目前，水利工程生态透水铺装研究主要集中于透水混凝土砌块的材料和结构设计优化方面，对铺装基底材料和施工因素的影响重视不足。因此，结合该领域的相关研究成果，通过试验的方法展开寒区河道工程透水混凝土铺装基底材料抗冻胀性能试验研究，力求为相关工程的设计和施工提供必要的技术支持。

2 试验设计

2.1 透水铺装的结构与材料

透水铺装与常规铺装不同，其对承载能力的要求相对较低，而比较注重水分的渗透和交换，唯有如此，才能充分保证透水铺装的生态意义和价值。

河道整治工程透水铺装的最底层一般为土基，其好坏是影响铺装效果的关键。因此，在透水铺装中必须要强化施工工艺，实现对土基的有效处理，提高透水铺装的使用性能。对同一工程而言，其基土的性能往往比较接近，同时无法也无必要大规模换填，因此研究中不予考虑。

透水铺装的基土上面一般是垫层，其主要作用是防止水分作用下基土的颗粒反渗，避免下渗通道的堵塞和基土流失[7]。此外，垫层还可以起到消散荷载的作用。垫层材料一般是碎石、粗砂和中沙。根据当前的工程实际，此次研究选择透水水稳材料、透水级配碎石及开山混合料3种不同的材料进行试验研究。其中，透水水稳材料垫层材料设计为30 cm透水水泥稳定碎石，底部铺设土工布；透水级配碎石垫层使用的碎石为过16.00 mm和0.075 mm集料筛的级配碎石，以剔除粒径过大的碎石和粉质物质。开山混合料来自试验地采石场，铺设厚度为30 cm，底部铺设土工布。

垫层的上部是找平层，又称为过滤层，其主要目的是整平垫层的顶面，为生态透水混凝土砌块的铺设营造良好的平台；另一方面，过滤层可以起到下渗雨水，防止污染物和固体颗粒进入垫层和基土的作用。根据当前的工程实际，选择中沙、1∶3干拌水泥和石屑3种不同找平层材料进行试验，厚度设计均为4 cm。

2.2 试验方案

研究采用现场试验的方式进行。面层为玄武岩纤维混凝土生态透水砖，尺寸为20 cm×10 cm×6 cm，按照上文的不同垫层和找平层设计，现场进行透水铺装的施工建设，每种不同的铺装类型施工建设10 m2，并对结构层温度和冻胀量进行检测，以便对不同材料的抗冻胀性能进行评价和分析。

为了方便各种不同基底材料抗冻性能的检测和对比，研究中利用冻胀量作为抗冻性能的物理量[8]。鉴于不同结构层的相关物理性能指标监测比较困难，因此利用水准仪对不同材料试验区间隔3 d的高程进行测量，以其差值来衡量相应材料的抗冻性能。检测时间从2019年10月20日开始，至2019年11月19日结束。为了研究结构层内部的温度变化特征，研究中使用6个智能温度记录仪分别对环境、找平层、垫层进行温度测量和记录；记录的间隔为1 d，记录时间同上。将2个仪器记录数据的均值作为最终温度数据。

3 计算结果与分析

3.1 温度变化试验数据与分析

在铺装施工完成之后，将温度探头置于相应位置并开始记录温度数据。由于数据较多，文章选择11月1日的记录数据进行整理，结果如表1所示。由表1的结果可知，环境温度和垫层温度在峰值时间上比较接近，找平层的温度和环境温度在变化规律上比较接近，但是两者的差距较为明显，而垫层的温度和环境温度的差值相对较小，因此结构层的温度受深度因素的影响比较显著。此外，从30日的温度监测数据来看，找平层发生2次冻融循环，而垫层发生21次冻融循环。由此可见，垫层的冻融次数明显多于找平层，其产生的冻胀影响也较大，因此，及时排空该层中滞留的径流对降低透水铺装的冻融破坏具有积极意义。

表1 单日温度实测数据（11月1日）

3.2 找平层材料抗冻性能对比分析

对中沙、1∶3干拌水泥浆及石屑等3种不同找平层材料透水铺装的冻胀量进行监测，根据30 d内的11次监测数据，绘制出如图1所示的冻胀量变化曲线。由图1可以看出，在找平层施工完毕后，不同材料的找平层均首先产生沉降变形，并且在第3次测量，也就是第9 d时到达最大，其中石屑的下沉量最大，1∶3干拌水泥浆次之，中砂的变形量最小。之后，透水铺装开始产生冻胀变形，透水铺装的整体变形量由负转正，在经过一段时间，由于径流排空作用的影响，透水铺装产生比较微弱的下沉变形，之后冻胀量迅速增加，并在第10次测量之后逐渐趋于稳定。其中，石屑的冻胀量最大，1∶3干拌水泥浆次之，中砂的变形量最小。总之，试验结果显示，透水铺装的冻胀量具有十分显著的累积效应，而在其他条件相同的情况下，3种不同材料的抗冻性能明显不同，其中，中砂材料作为找平层的透水铺装冻胀破坏影响最小。因此，在水利工程透水铺装施工中，建议选择中砂材料作为找平层的首选材料。

图1 不同找平层材料冻胀量变化曲线

3.3 垫层材料抗冻性能对比分析

对透水水稳、透水级配碎石及开山混合料等3种垫层材料透水铺装的冻胀量进行监测，根据30 d内的11次监测数据，绘制出如图2所示的冻胀量变化曲线。由图2可以看出，在垫层施工完毕后，不同材料的垫层均首先产生沉降变形，并且在第3次测量，也就是第9 d时到达最大，其中，开山混合料垫层透水铺装的下沉量最大，级配碎石次之，透水水稳的变形量最小。之后，透水铺装开始产生冻胀变形，透水铺装的整体变形量由负转正，再经过一段时间，由于径流排空作用的影响，透水铺装产生比较微弱的下沉变形，之后冻胀量迅速增加，并在第10次测量之后逐渐趋于稳定。其中，开山混合料垫层透水铺装的冻胀量最大，级配碎石次之，透水水稳的变形量最小。总之，在其他条件相同的情况下，3种不同材料的抗冻性能明显不同，其中透水水稳材料作为垫层的透水铺装冻胀破坏影响最小。因此，在水利工程透水铺装施工中，建议选择透水水稳材料作为垫层的首选材料。

图2不同垫层材料冻胀量变化曲线

4结论

此次研究以现场试验的方式研究了不同基底材料对透水铺装冻胀破坏的影响，并提出了相应的工程建设建议，主要结论如下：

1）结构层的温度受深度因素的影响比较显著，垫层的冻融次数明显多于找平层，其产生的冻胀影响也较大，因此，及时排空该层中滞留的径流对降低透水铺装的冻融破坏具有积极意义。

2）透水铺装的冻胀量具有十分显著的累积效应。

3）在其他条件相同的情况下，3种不同材料找平层透水铺装的抗冻性能明显不同，中砂材料作为找平层的透水铺装冻胀破坏影响最小。因此，在水利工程透水铺装施工中，建议选择中砂材料作为找平层的首选材料。

4）在其他条件相同的情况下，3种不同材料垫层透水铺装的抗冻性能明显不同，透水水稳材料作为垫层的透水铺装冻胀破坏影响最小。因此，在水利工程透水铺装施工中，建议将透水水稳材料作为垫层的首选材料。