透水混凝土鋪裝基底材料抗凍脹性能試驗研究

王宗海

（喀左縣水利局，遼寧 朝陽122300）

1 研究背景

隨著經濟社會的發展，特別是城鎮化進程的不斷加快，河道整治成為城鎮建設的重要內容[1]。河岸和堤防硬化處理是河道整治工程的傳統模式，但是這種整治方式會造成河道生態之間的人為隔絕，不利于河道生態環境的保持和優化，甚至還會對河道生態環境造成十分嚴重的負面影響[2]。因此，在河道整治工程中，不僅要考慮工程措施的耐久性和經濟性，還應該注重對生態環境的保護[3]。在這一背景下，透水混凝土鋪裝已成為水利工程，特別是河道整治工程中最重要的鋪裝形式[4]。透水鋪裝可以打通河道生態系統和水體的有效聯結和循環，同時還可以為各種生物營造良好的棲息環境[5]。當然，在透水混凝土鋪裝工程設計中，其生態性和耐久性之間存在比較顯著的矛盾，北方寒區河道整治工程中的透水鋪裝尤其如此，需要解決凍融循環條件下的耐久性[6]。目前，水利工程生態透水鋪裝研究主要集中于透水混凝土砌塊的材料和結構設計優化方面，對鋪裝基底材料和施工因素的影響重視不足。因此，結合該領域的相關研究成果，通過試驗的方法展開寒區河道工程透水混凝土鋪裝基底材料抗凍脹性能試驗研究，力求為相關工程的設計和施工提供必要的技術支持。

2 試驗設計

2.1 透水鋪裝的結構與材料

透水鋪裝與常規鋪裝不同，其對承載能力的要求相對較低，而比較注重水分的滲透和交換，唯有如此，才能充分保證透水鋪裝的生態意義和價值。

河道整治工程透水鋪裝的最底層一般為土基，其好壞是影響鋪裝效果的關鍵。因此，在透水鋪裝中必須要強化施工工藝，實現對土基的有效處理，提高透水鋪裝的使用性能。對同一工程而言，其基土的性能往往比較接近，同時無法也無必要大規模換填，因此研究中不予考慮。

透水鋪裝的基土上面一般是墊層，其主要作用是防止水分作用下基土的顆粒反滲，避免下滲通道的堵塞和基土流失[7]。此外，墊層還可以起到消散荷載的作用。墊層材料一般是碎石、粗砂和中沙。根據當前的工程實際，此次研究選擇透水水穩材料、透水級配碎石及開山混合料3種不同的材料進行試驗研究。其中，透水水穩材料墊層材料設計為30 cm透水水泥穩定碎石，底部鋪設土工布；透水級配碎石墊層使用的碎石為過16.00 mm和0.075 mm集料篩的級配碎石，以剔除粒徑過大的碎石和粉質物質。開山混合料來自試驗地采石場，鋪設厚度為30 cm，底部鋪設土工布。

墊層的上部是找平層，又稱為過濾層，其主要目的是整平墊層的頂面，為生態透水混凝土砌塊的鋪設營造良好的平臺；另一方面，過濾層可以起到下滲雨水，防止污染物和固體顆粒進入墊層和基土的作用。根據當前的工程實際，選擇中沙、1∶3干拌水泥和石屑3種不同找平層材料進行試驗，厚度設計均為4 cm。

2.2 試驗方案

研究采用現場試驗的方式進行。面層為玄武巖纖維混凝土生態透水磚，尺寸為20 cm×10 cm×6 cm，按照上文的不同墊層和找平層設計，現場進行透水鋪裝的施工建設，每種不同的鋪裝類型施工建設10 m2，并對結構層溫度和凍脹量進行檢測，以便對不同材料的抗凍脹性能進行評價和分析。

為了方便各種不同基底材料抗凍性能的檢測和對比，研究中利用凍脹量作為抗凍性能的物理量[8]。鑒于不同結構層的相關物理性能指標監測比較困難，因此利用水準儀對不同材料試驗區間隔3 d的高程進行測量，以其差值來衡量相應材料的抗凍性能。檢測時間從2019年10月20日開始，至2019年11月19日結束。為了研究結構層內部的溫度變化特征，研究中使用6個智能溫度記錄儀分別對環境、找平層、墊層進行溫度測量和記錄；記錄的間隔為1 d，記錄時間同上。將2個儀器記錄數據的均值作為最終溫度數據。

3 計算結果與分析

3.1 溫度變化試驗數據與分析

在鋪裝施工完成之后，將溫度探頭置于相應位置并開始記錄溫度數據。由于數據較多，文章選擇11月1日的記錄數據進行整理，結果如表1所示。由表1的結果可知，環境溫度和墊層溫度在峰值時間上比較接近，找平層的溫度和環境溫度在變化規律上比較接近，但是兩者的差距較為明顯，而墊層的溫度和環境溫度的差值相對較小，因此結構層的溫度受深度因素的影響比較顯著。此外，從30日的溫度監測數據來看，找平層發生2次凍融循環，而墊層發生21次凍融循環。由此可見，墊層的凍融次數明顯多于找平層，其產生的凍脹影響也較大，因此，及時排空該層中滯留的徑流對降低透水鋪裝的凍融破壞具有積極意義。

表1 單日溫度實測數據（11月1日）

3.2 找平層材料抗凍性能對比分析

對中沙、1∶3干拌水泥漿及石屑等3種不同找平層材料透水鋪裝的凍脹量進行監測，根據30 d內的11次監測數據，繪制出如圖1所示的凍脹量變化曲線。由圖1可以看出，在找平層施工完畢后，不同材料的找平層均首先產生沉降變形，并且在第3次測量，也就是第9 d時到達最大，其中石屑的下沉量最大，1∶3干拌水泥漿次之，中砂的變形量最小。之后，透水鋪裝開始產生凍脹變形，透水鋪裝的整體變形量由負轉正，在經過一段時間，由于徑流排空作用的影響，透水鋪裝產生比較微弱的下沉變形，之后凍脹量迅速增加，并在第10次測量之后逐漸趨于穩定。其中，石屑的凍脹量最大，1∶3干拌水泥漿次之，中砂的變形量最小?？傊?，試驗結果顯示，透水鋪裝的凍脹量具有十分顯著的累積效應，而在其他條件相同的情況下，3種不同材料的抗凍性能明顯不同，其中，中砂材料作為找平層的透水鋪裝凍脹破壞影響最小。因此，在水利工程透水鋪裝施工中，建議選擇中砂材料作為找平層的首選材料。

圖1 不同找平層材料凍脹量變化曲線

3.3 墊層材料抗凍性能對比分析

對透水水穩、透水級配碎石及開山混合料等3種墊層材料透水鋪裝的凍脹量進行監測，根據30 d內的11次監測數據，繪制出如圖2所示的凍脹量變化曲線。由圖2可以看出，在墊層施工完畢后，不同材料的墊層均首先產生沉降變形，并且在第3次測量，也就是第9 d時到達最大，其中，開山混合料墊層透水鋪裝的下沉量最大，級配碎石次之，透水水穩的變形量最小。之后，透水鋪裝開始產生凍脹變形，透水鋪裝的整體變形量由負轉正，再經過一段時間，由于徑流排空作用的影響，透水鋪裝產生比較微弱的下沉變形，之后凍脹量迅速增加，并在第10次測量之后逐漸趨于穩定。其中，開山混合料墊層透水鋪裝的凍脹量最大，級配碎石次之，透水水穩的變形量最小?？傊?，在其他條件相同的情況下，3種不同材料的抗凍性能明顯不同，其中透水水穩材料作為墊層的透水鋪裝凍脹破壞影響最小。因此，在水利工程透水鋪裝施工中，建議選擇透水水穩材料作為墊層的首選材料。

圖2不同墊層材料凍脹量變化曲線

4結論

此次研究以現場試驗的方式研究了不同基底材料對透水鋪裝凍脹破壞的影響，并提出了相應的工程建設建議，主要結論如下：

1）結構層的溫度受深度因素的影響比較顯著，墊層的凍融次數明顯多于找平層，其產生的凍脹影響也較大，因此，及時排空該層中滯留的徑流對降低透水鋪裝的凍融破壞具有積極意義。

2）透水鋪裝的凍脹量具有十分顯著的累積效應。

3）在其他條件相同的情況下，3種不同材料找平層透水鋪裝的抗凍性能明顯不同，中砂材料作為找平層的透水鋪裝凍脹破壞影響最小。因此，在水利工程透水鋪裝施工中，建議選擇中砂材料作為找平層的首選材料。

4）在其他條件相同的情況下，3種不同材料墊層透水鋪裝的抗凍性能明顯不同，透水水穩材料作為墊層的透水鋪裝凍脹破壞影響最小。因此，在水利工程透水鋪裝施工中，建議將透水水穩材料作為墊層的首選材料。