多孔混凝土材料路用性能研究

姚新、范琳琳、于文洋、陈浮

（1.聊城市公路工程总公司，山东聊城 252000；2.聊城市交通发展有限公司，山东聊城 252000）

1 多孔混凝土作为道路基层材料的性能特征

1.1 高强度要求

常规混凝土骨料种类决定了结构强度，提高混凝土强度，需要增加水泥原材料和外加剂强度，实践难度较大。多孔混凝土在原材料选择中优先选择压碎指标值较低的骨料，按照合理配合比混合水泥、外加剂等其他原材料，获得高于常规混凝土的强度。多孔混凝土配合不需要砂子等细骨料，通过水泥、水、外加剂等原材料黏合粗骨料，形成具有强度和连通空隙的混凝土材料，为强度理想的道路基层材料。

1.2 透水性要求

多孔混凝土内部空隙较多，空隙率达到15% 以上，空隙之间属于相互连通状态，空隙能够提高道路雨水和积水渗透率，为雨水和积水排出提供便利条件。多孔混凝土透水性较强，能够将道路的雨水和积水及时排出，抵御暴雨、洪水等自然灾害侵袭，降低洪涝灾害发生频率，充分保护地下淡水资源。多孔混凝土缓解了城市排水系统的运行压力，配合地下排水设施共同应用，形成良好的地下排水结构。

2 原材料及性能

2.1 水泥

水泥在多孔混凝土配合中应用，能够胶结粗骨料，不同类型、不同强度等级水泥的化学成分及应用性能有所差别，会对多孔混凝土性能产生不同影响，需要结合实际需求选择和配合。

水泥性能评价指标有密度、细度、比表面积、初凝时间等，下面以P·O42.5 级水泥为例，分析水泥性能。P·O42.5 级水泥性能见表1。

表1 P·O42.5 级水泥性能

2.2 粗骨料

粗骨料选择需要结合多孔混凝土道路基层铺设所需强度和薄厚程度，通常选择偏圆形碎石，偏圆形碎石空隙率较大，表面粗糙适合挂浆。粗骨料粒径不宜过大，需要控制在25mm 之内，可以适当掺加细骨料，不宜过多。

粗骨料粒级分布分为间断级配、连续级配、单一级配3 种，不同粒级分布的粗骨料空隙堆积形态不同。间断级配、单一级配粗骨料能够提高多孔混凝土的透水性。从力学角度来讲，连续级配粗骨料能够确保多孔混凝土的强度，需要结合实际需求进行选择。为确保多孔混凝土的透水性，选择间断级配、单一级配粗骨料，将粗骨料堆积的空隙率控制在35%～47%之间。

粗骨料性能评价指标有粒径范围、堆积密度、表观密度、碎石压碎率、空隙率、含泥量等。

2.3 粉煤灰

粉煤灰为活性混合材料，为煤炭燃烧的副产物，通过收尘装置收集。粉煤灰在多孔混凝土配合中应用，能够发挥活性效应，改善多孔混凝土的性能，缓解粉煤灰导致的环境污染问题。可以在多孔混凝土配合现场就近进行粉煤灰取材，不同工厂获得的粉煤灰粒径有所差别，基本在140～160μm 之间。

粉煤灰性能评价指标有细度、烧失量等。碱性环境有利于激发粉煤灰发挥活性效应；粉煤灰中的二氧化硅能够推动水泥在水化反应中生成硅酸盐凝胶，提高粉煤灰的化学活性。

2.4 绿泥石粉

绿泥石属于矿山开采之后的固体废弃物，以块状、粉状、粒状等形式存在。绿泥石粉被填充到间断级配粗骨料中，确保颗粒级配及化学成分的合理程度，改善多孔混凝土的应用性能。技术团队将各种形式的绿泥石碾碎成粉末状，形成一定细度的绿泥石粉，将其填充到粗骨料中，提高多孔混凝土的强度，降低道路基层的施工成本。

绿泥石粉的性能评价指标有细度和化学成分，选择不同尺寸筛孔进行筛分，通过筛分结果确定细度。

2.5 胶结剂

胶结剂在多孔混凝土配合中的应用，能够黏合粗骨料等其他原材料，提高多孔混凝土的强度，需要结合实际需求选择。多孔混凝土性能试验中应用的胶结剂为试验室自制，为聚合物，主要成分为SiO，由特殊工艺制作而成，可缓解水泥水化反应，增强水泥水化后浆体的黏结强度和抗压强度，提高多孔混凝土的耐久性。

胶结剂性能评价指标有活性SiO含量、延伸率等。

3 性能试验及分析

3.1 配合比设计结果

进行多孔混凝土配合比设计，需要考虑孔隙率需求，确保多孔混凝土能够形成具备一定强度、结构较为密实的整体。应用体积法进行配合比设计，即通过计算孔隙体积与各个原材料体积的比例来进行配合比。

确定多孔混凝土性能试验配合比设计结果见表2。

表2 多孔混凝土性能试验配合比

3.2 试验设备及步骤

多孔混凝土性能试验设备包括电子天平、砂浆搅拌器、模具、振动压实成型机、上置式振动器、万能试验机、抗弯拉试验装置、冻融试验机、透水系数试验装置。需要结合实际需求选择相应型号的试验设备。

多孔混凝土性能试验应用砂浆裹石配合工艺，即在粗骨料表面增加水泥浆体，增加黏结强度，确保多孔混凝土空隙分布的均匀程度，如图1 所示。

图1 砂浆裹石配合工艺实施流程图

多孔混凝土性能试验步骤如下：

其一，按照既往道路基层施工多孔混凝土配合比添加粗骨料，将配合粗骨料的粒径控制在3～10mm之间，加入绿泥石粉作为填充。

其二，将粉煤灰、外加剂、水泥加入砂浆搅拌器中，进行60s 的混合搅拌，搅拌时间不能少于30s。

其三，混合搅拌结束后，在所得材料中添加适量的水，令材料形成干硬性混凝土。

其四，将所得材料倒入模具中，通过上置式振动器、振动压实成型机实现插捣振动成型。

其五，成型多孔混凝土需要在24～48h 内脱模，在室温环境下养护。为了检测不同养护因素对多孔混凝土性能的影响，选择不同的养护时间，养护时间不能少于24h。

其六，对成型多孔混凝土进行抗压强度、抗弯拉强度、抗冻性能、透水系数测试，分析其作为道路基层材料的性能，对试验多孔混凝土配合比进行调整，获得最佳配合比方案。

3.3 性能指标

3.3.1 抗压强度

将试验多孔混凝土制成100mm×100mm×100mm立方体试块，转换系数按尺寸使用0.95。在室温环境下，对立方体试块进行为期7d、28d 的养护，测量不同养护周期下的多孔混凝土抗压强度。试验方法符合规程《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）规定。

3.3.2 抗弯拉强度

将多孔混凝土立方体试块制成100mm×100mm×400mm 立方体试块，抗弯拉强度转换系数为0.85。试验方法符合《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）规定。

3.3.3 抗冻性能

将多孔混凝土立方体试块制成100mm×100mm×100mm 立方体试块，转换系数为0.95。抗冻性能试验方法符合《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）要求。具体步骤为：制备100mm×100mm×400mm 多孔混凝土小梁试件并养护28d。试验4d，将试件浸泡在温度为15～20C 的水中，测试饱水重量。当冻融机内冻融液达到-2C 时，将试块放入，进行冻融循环，温度降至-15C 时开始计算冻结时间。每次循环时间为4h，试验循环次数为25 次。遇到以下几种情况之一即可停止试验：

（1）已达到规定循环次数；

（2）相对动弹性模量下降到60%以下；

（3）重量损失率达5%。

3.3.4 冲击韧性

冲击韧性指在冲击载荷作用下材料吸收塑性变形功和断裂功的能力，是评价材料疲劳特性的重要指标，在沥青混合料和普通混凝土研究中已有诸多应用，在透水混凝土领域应用较少。测试材料的冲击韧性的试验方法有落锤法与小梁冲击试验。试验采用落锤法评价透水混凝土的冲击韧性。制备直径100mm、高64mm 圆柱体水泥混凝土试件。冲击锤质量2kg，下落高度为900mm，冲击锤中线与试件中心线对齐。测试时，冲击锤连续自由落下，当试件出现裂缝时，记录冲击次数。其冲击能量按下式计算：

式（1）中：为试件破坏前吸收的冲击能量(N·m)；为试件破坏式的冲击次数；为落锤质量(kg)；为落锤下落高度(m)。

3.3.5 透水系数

将多孔混凝土立方体试块制成φ100mm×50mm圆柱体试块。透水系数试验装置是检测试验多孔混凝土透水系数的主要设备。透水系数测试方法符合《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T 135—2009）要求。

透水系数与多孔混凝土空隙率及连通空隙率具有明显相关性。

3.3.6 耐磨性

肯塔堡飞散试验一般用于评价沥青混合料集料脱落散失的程度，以马歇尔试件在洛杉矶试验机中旋转撞击规定次数、试件的质量损失表示。也有学者将这种试验方法用于评价透水混凝土的耐磨性，该文研究的多孔混凝土作为道路基层材料使用，规程中的耐磨性要求不做检测。

3.3.7 检验结果分析

上述性能指标检验结果见表3。

表3 多孔混凝土性能指标及要求一览表

由表3 可知：多孔混凝土的性能指标符合规范的要求，其强度超过C30 道路面层要求，应用于道路基层具备足够承载力。透水系数超过1mm/s，说明透水性良好。

4 工程应用

采用试验配比的多孔混凝土用于山东聊城某透水性道路建设项目中，通过对公路现场多孔混凝土道路基层进行检验，其检验结果见表4。

表4 多孔混凝土检验结果

表4 （续）

通过现场多孔混凝土性能检测结果发现，现场性能与试验性能基本一致，均满足规范要求，充分证明了多孔混凝土材料具有强度较高、透水性能强等性能特征，适合作为道路基层材料使用。

5 结语

多孔混凝土作为道路基层材料具有强度较高、透水性强等性能特征，原材料主要包括水泥、粗骨料、粉煤灰、绿泥石粉、胶结剂，通过上述性能指标检验，得到了多孔混凝土抗压强度、抗弯拉强度、抗冻性能、冲击韧性、透水系数、耐磨性符合规范要求的结论。多孔混凝土作为道路基层材料应用，能够应用于透水性道路基层，有效缓解热岛效应，对改善城市环境有积极作用。