多孔混凝土磨耗性试验方法对比研究.pdf

第 4 O卷 ， 第 6期 2 0 1 5年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i ng Vo 1 40NO 6 De c， 2 0 I 5 多孔混凝 土磨耗性试验方法对 比研究 王 根虎 ( 包头铁道职业技术学 院 ， 内蒙古 包头0 1 4 0 0 0 ) 摘要 】多孔 混凝土近年来在混凝土路面的使用量不 断增加 。除了强度 和渗透 性 ， 耐磨性是多 孔混凝 土的 另一个重要的特性 。在该研究 中 ， 研 究 了 3种 可用于 评价 多孔混 凝土 耐磨性 的 室 内磨耗 试验 方法 。3个 试验 为 C a n t a b r o 试验 ， 负荷轮磨耗试验 ， 及表面磨耗试 验。为评估这 3种试验方 法 ， 对采 用不 同粒径粗集 料和外加 剂的 8 种多孔混凝土进行 了试验 。3种磨耗试验 的 比较表 明， 3种试验均可 有效地 区分 多孔 混凝土 。然 而， C a n t a b r o 试 验 结果似乎并不能反映混凝土 的耐磨性 ， 因为 C a n t a b r o 试 验中试 样的破坏是 由于冲击作用 而不是磨耗 。通过 焊接钢 钉和增加轮上荷载 ， 负荷 轮磨耗试 验表现 出最佳的灵敏度和可重复性 。表面磨耗试验可成 功地从其他多孔 混凝土 中区分 出对照组 ， 但并 不能区分出含有乳胶和 或纤维 的多 孔混凝土 ， 这可能是 由于质量损失值较低 ， 区分度较差 。 关键词 多孔 混凝土 ； 磨耗 ；比较 ； 路 面 中图分 类号 U 4 1 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 1 9 4 0 5 Co mp a r a t i v e S t u d y o f t h e Po r o u s Co n c r e t e Abr a d a b i l i t y Te s t M e t h o d W ANG Ge ng hu ( B a o t o u R a i l w a y V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ，B a o t o u ，I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t P o r o u s c o n c r e t e ( P C) h a s b e e n i n c r e a s i n g l y u s e d i n c o n c r e t e p a v e m e n t s d u r i n g r e c e n t y e a r s I n a d d i t i o n t o s t r e ng t h a n d p e r me a b i l i t y， a b r a s i o n d u r a b i l i t y i s a n o t h e r i mpo r t a n t pr o pe r t y o f PCI n t h i s s t ud y， t h r e e l a bo r a t o r y a b r a s i o n t e s t me t h o d s we r e i n v e s t i g a t e d f o r t h e i r p o t e n t i a l c a p a bi l i t y o f e v a l u a t i ng t he a b r a s i o n a n d r a v e l i n g r e s i s t a nc e o f PCT he t h r e e t e s t s a r e t h e Ca n t a b r o t e s t ， t h e l o a d e d wh e e l a b r a s i o n t e s t ， a nd t he s u rfa c e a b r a s i o n t e s t To e v a l u a t e t he t h r e e t e s t me t h o d s， e i g ht PC mi x t u r e s c o nt a i n i n g d i f f e r e n t s i z e s o f c o a r s e a g g r e g a t e s a n d a d d i t i v e s we r e t e s t e d Th e c o mpa r i s o n o f t h e t hr e e a b r a s i o n t e s t s i n d i c a t e s t h a t a l l t hr e e t e s t s we r e f a i r l y e ffe c t i v e i n d i f f e r e n t i a t i n g b e t we e n t h e P C mi x t u r e s Ho we v e r ， t h e r e s u l t s f r o m t h e Ca n t a b r ot e s t ma y n o t r e fle c t t h e a b r a s i o n r e s i s t a nc e o f t h e mi x t u r e s b e c a us e t h e f a i l u r e o f t h e s p e c i me n s wa s c a u s e d b y i mp a c t r a t h e r t h a n a b r a s i o n W i t h s t ud d e d wh e e l s a n d i n c r e a s e d wh e e l l o a d， t h e l o a d e d wh e e l a b r a s i o n t e s t e x h i b i t e d b e s t s e n s i t i v i t y a n d s u ffi c i e n t r e pe a t a bi l i t y Th e s u r f a c e a b r a s i o n t e s t s uc c e s s f u l l y d i fie r e n t i a t e d t h e e o n t r o l mi x fro m o t h e r mi x t u r e s 。 b u t f a i l e d t o d i fie r e n t i a t e b e t we e n t h e mi x t u r e s c o n t a i n i ng l a t e x a n d o r f i b e r ， wh i c h ma y b e a t t r i b u t e d t o t h e u n f a v o r a bl y l o w we i g ht l o s s v a l ue s fro m t hi s t e s t Ke y w o r d s p o r o u s c o n c r e t e ； a b r a s i o n ； c o mp a r a t i o n ；p a v e m e n t 1 概述 多孔 混 凝 土 为 一 种 具 有 1 5 2 5 连 通 孔 隙 率的特殊的混凝 土。由于开孑 L 结构， 因此可使大 量的水渗透 ， 多孔混凝土在低交通量路面和停车场 的使用量逐渐增加 ， 可 以减少径流水。通过连通孔 隙让 水迅 速 排 出可 以 减少 潮 湿 天 气 的喷雾 ， 提 高 能 见 度和 减少 眩光 。 由于这 些 优 势 ， 多孔 混 凝 土 是 一 种非常有前景及符合 可持续发 展的公路路面材 料 。 学者 们对 多孔 混凝 土 的强度 和渗透 性进 行 了大 量的研究。K e v e r n 评估了聚合物改性多孔混凝土 的性能 ， 他们发现 ， 纤维能够增加孔隙率， 渗透性 ， 抗 压强度 ， 此外可 以显著提高劈裂抗拉强度。D e o和 N e i t h a l a t h 研 究 了不 同水 泥 浆用 量 的 多 孔 混 凝 土 的力学特 性 ， 且发 现 压 缩 能 ， 抗 压 强度 ， 孑 L 隙率 和 临 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 7 作者简介 王根虎 ( 1 9 6 2 一) ， 男 ， 内蒙古包头人 ， 副教授 ， 研究方向 ： 土木 工程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 9 6 公路工程 4 O卷 拟 由卡车胎纹引起 的路面表面磨耗。钢钉 的直径为 7 5 mm且从钢轮表面凸出 1 5 mm。通过使用焊接 钢钉的钢轮 ， 试验过程 中的磨耗显著增 加。负荷轮 磨耗试验后的试样如图 5所示。 图 5 负荷轮磨耗试验试样 F i g u r e5 Sp e c i me ns a f t e r l o a de d whe e l a b r as i o n t e s t 3 3表 面磨耗 试验 ( A S T M C 9 4 4 ) 表面磨耗试验为使用旋转切割机法确定常规混 凝土或砂浆表面耐磨性 的标准试验方法。表面磨耗 试验方法已经成功用于公路和桥梁混凝土经受交通 荷 载作用下的质量控制 。 该试验方法有可用于评估 多孔混凝土的耐磨性 。本研究 中也包括该试验 ， 以 评估其表征多孔混凝土耐磨性 的能力 ， 且与其他 的 测试方法进行 比较。表面磨耗试验在使用磨耗设备 上安装的旋转切割机在多孔混凝土表面施加一个磨 耗力 。测 试后 ， 将试 样 刷干净 ， 且 记录质 量损失 用 于 作为多孔混凝土耐磨性 的一个指标 。 4 3种磨 耗试验评估 方法 4 1材料 准备 为评估 3种磨耗试验方法的有效性， 采用这些 方法对使用一种石灰岩粗集料制备的八种多孔混凝 土进行 试验 。混 凝 土的基 本配 比为水 泥 ： 粗集料 ： 水 =1： 4 5： 0 3 5 。选 择 两种 粗 集 料粒 径 ： 9 5 m m 和 4 7 5 m m。在 多孔 混 凝 土 中添 加 两 种 外 加 剂 ( 丁 苯 橡胶( S B R) 乳胶和聚丙烯纤维 ) ， 以提高其强度和 耐磨性。为提高多孑 L 混凝土的特性 ， 在混凝土中添 加少量的天然砂 ( 见表 1 o按照 A S T M C 1 9 2采用 机械搅拌机用于制备多孔混凝土。测试前将试样放 置 于标准 养护 室 2 8 d 。 表 1 多孔混凝土的配 比 Ta b l e 1 Po r o us c o n c r e t e mi x pr o p o r t i o n s 粗集料 粒径 ra m 类别 ( k g7 J g ， )(嚣 )( k g ( ) 对照组 3 l 1 9 l 4 0 3 6 1 0 9 2 9 8 3 纤 维 3 1 1 9 1 4 0 3 6 1 0 9 2 9 8 3 乳胶 3 0 6 9 1 3 8 1 2 9 1 3 9 6 7 纤维 + 乳胶 3 0 6 9 l 3 8 l _ 2 9 1 3 9 6 7 对照组 3 2 9 8 1 4 8 3 9 1 1 5 4 1 0 3 9 纤 维 3 2 9 8 l 4 8 3 9 1 1 5 4 1 0 3 9 乳胶 3 2 4 5 1 4 6 0 3 9 6 5 1 0 2 2 纤维 +乳胶 3 2 4 5 1 4 6 0 3 9 6 5 1 0 2 2 乳胶 纤维 ( k g m ) ( k g m ) 4 7 5 ( 4 7 5 9 5 ) 3 O， 7 3 0 7 0 9 0 9 0 9 O 9 4 2抗 压 强度和 孔 隙率试 验 在 2 8 天对试样进行抗压强度和孔 隙率试验 以 验证设 计 的多孔 混 凝 土 具 有 足 够 的强 度 和 渗 透 性 。 根据 A S T M C 3 9对 三个 直 径 为 1 0 0 m m， 高 度 为 2 0 0 m m的圆柱体试样进行抗压强度测试。三个直径为 1 5 0 m m， 高度 为 1 0 0 m m 的试样用于进行孔 隙率试 验。在孔隙率试验 中， 采用 C o r e L o k设备用 于测量 孑 L 隙率 ， 这与渗透性密切相关 。C o r e l o k真空密封方 法常用于确定具有高孔 隙率 ( 如 O G F C ) 沥青混合料 的密度 ， 且 已成 功应 用于 多孔混 凝 土 中。 4 3 Ca n t a b r o试 验 C a n t a b r o试验包括记 录单个试样 的初始 质量， 放置于 洛杉矶磨耗 仪 中， 以 3 0 r m i n的转速旋 转 3 0 0次。对每个混凝土进行三次试验。C a n t a b r o试 验后的质量损失 ( 称 为磨耗 损失 ) 采用方程 ( 1 ) 计 算 ： 磨耗损失 ： 1 0 0 ( 1 ) 磨耗损失 = () 2 其 中： 磨耗损失为质量损失 ， ； W。 为试样 的初始质 量 ， g ； W 2 为试 样 的最 终质 量 ， g 。 4 4 负荷轮 磨耗 试验 在负荷轮磨耗试验中使用的试样大小为 3 0 0 1 2 5 X 7 5 mm 的梁 。在 3 0 01 2 5 mm表 面摩 擦 面积 为 1 0 5 c m ( 图 5所示 ) 。对每个多孔混凝 土对三个 试样进行测试 。清理完试样表面测量初始质量后将 试样放置于 A P A中， 测试 5 5 0 0个循环。同样使用 方 程 ( 1 ) 计 算 该 试 验 的 质 量 损 失 ， 以评 估 多 孔 混 凝 土的耐磨耗性。 4 5表 面磨 耗试 验 3 0 01 2 5 X 7 5 m m 的梁 试件 用于 进行表 面 磨耗 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 王根虎 ： 多孔 混凝土磨耗性试 验方法对 比研究 1 9 7 试验 ， 磨损 圆面 的直 径 为 8 2 5 m m， 面积 为 5 3 5 c m 。法 向恒 定荷 载 为 9 8 N， 转 速 为 2 0 0次 m i n ， 测 试时间为6 m i n 。清理完试样表面， 且测量初始质量 后将试样固定于磨损设备上进行试验。该磨耗试验 中采用方程 ( 1 ) 来计算质量 损失， 以评估多孔混凝 土 的耐磨 性 。 4 6磨 耗 试验 的 灵敏 度 和 重复性 灵敏度为一个是否一个试验能够对具有不同特 性测试试样进行区分的指标 。在该研究 中， 对三个 试验的灵敏度进行了 比较。变异系数( C V) 为标准 差与平均值之比， 且可用于 比较具有不 同单位数据 的变化。该研究中对磨耗试验结果得 到的变异系数 进行了计算 ， 以评估这三个试验的重复性 。变异系 数越低表 明试验方法的可重复性越高。 5结果和讨 论 5 1 强 度 和 孔 隙 结 果 一 般多孔混凝土刚好有足够的水泥浆体裹覆粗 集料颗粒 ， 同时保持连通的孔隙。因此 ， 与常规的水 泥混凝土相 比， 多孑 L 混凝土通常具有较低 的抗压强 度( 2 81 0 MP a ) I s 。图 6给 出了多孔混凝土抗压 强度结果 。可以看 出， 该研究 中使用 的多孔混凝土 抗压强度范 围为 51 5 MP a 。添加乳胶和纤维和 或同时使用小粒径 的集料( 4 7 5 m m) 一般能够提高 抗压强度 。通常 ， 较高抗压强度的混凝 土具有较高 的耐磨性 。因此 ， 添加乳胶和纤维和 或使用小粒径 集料( 4 7 5 mm) 将可能提高多孔混凝土的耐磨性。 2 O 日 1 6 兰 蟊 罾s 4 0 对 照 组 纤 维 乳 胶 纤 维 + 乳 胶 图 6抗压强度试验结 果 Fi g u r e 6 Co mpr e s s i v e s t r e n g t h t es t r e s u l t s 一 般 ， 多孑 L 混凝土的孔隙率范围在 1 5 一 2 5 之间 ， 以确保具有足够的渗透性 。图 7给出了本研 究 中使甩的多孔混凝土的孔隙率试验结果。可以看 出， 孔隙率在 2 0 一3 0 之间 ， 这表 明所设计 的多 孔混凝土具有可按受的渗透性 。 5 2 Ca n t a b r o试 验 图 8给出了 C a n t a b r o磨耗损失结果。从 图 8可 50 4 0 堡 3 0 2 O l O 对 照 组 纤 维 乳 胶 纤 维 + 乳 股 图 7孑 L 隙 率试 验 结 果 Fi g u r e 7 Po r o s i t y t es t r e s u l t s 以看出： C a n t a b r o试 验可 以区分不 同多 孔混凝 土。 然而 ， 在 C a n t a b r o试验 中多孔混凝土之间表现出来 的差别 并 不 反 映多 孔 混凝 土 的耐磨 性。原 因是 C a n t a b r o试验过程中试样发生的破坏是 由于试样块 与洛杉矶磨耗仪 内部壁之间的冲击引起 ， 而不是表 面磨耗( 见图 1 ) 。同样 可以看 出， 使用小粒径集料 ( 4 7 5 m m) 和 或 添加 乳胶 和 纤维 一般 能够 降低 C a n t a b r o损失值 ， 这与抗压强度试验结果一致。 l O 0 望 8 0 饕6 0 昌 4 0 0 2 0 O 对冀 镘 组 纤维 乳胶 纤维+ 乳胶 图 8 C a n t a b r o 磨耗试验 结果 F i g u r e 8 C a n t a l r o l o s s t e s t r e s u l t s 与 O G F C混合 料的 C a n t a b r o磨 耗损 失不超过 2 0 相 比， 多孑 L 混凝 土的 C a n t a b r o损失值 的范围在 3 5 8 0 之间。这表 明， 在对一些多孔混凝 土测 试过程 中， 试样质量损失几乎超过一半。可能的原 因是一些试样完全松散 ， 是 由于本身试样的强度较 低不 足 以抵抗试 验 中 的冲 击 作用 ， 而不 是 由于 集料 颗粒从试样表面磨损 剥落。在这个情况下， 转数为 3 0 0的试验条件可能对多孔混凝 土而 言太过苛刻。 建议 在 以后 的研 究 中减 少 C a n t a b r o试验 的转数 ， 以 减少质量损失值从而提高该试验的有效性。合适的 转 数 可 以根据 只要 能 区分所 测试 的混凝 土试样 的原 则来 确定 。 5 3 负荷 轮磨耗 试 验 图 9显示 了负荷轮磨耗试验的结果 。与 C a n t a b r o 试验相似 ， 负荷 轮磨耗试验也可以清楚地显示 出本研 究 中多 孑 L 混 凝土 之问 的差异 。从 图 9可 以明 显地看 出 ： 使用 较小 粒径集 料 ( 4 7 5 m i t t ) 和 或 添加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 8 公路工程 4 O卷 乳胶和纤维能够降低多孔混凝 土的质量损失 ， 这一 点与强度和 C a n t a b r o 试验结果几乎一致。该试验的 质量损失值范围为 0 5 2 。较低 的质量损失 主要是 由 于与试 样大 小相 比具 有相 对较 小 的磨耗 面 积( 1 1 6 c r h ) ( 如图 5所示) 。 25 2 冰 1 5 蚓1 略 O_ 5 O 对照 组 纤维 乳 胶 纤 维+ 乳胶 圈 9负荷轮磨 耗试 验 F i g u r e 9 L o a de d whe e l a br a s i o n t e s t r e s ul t s 5 4表 面磨耗 试 验 表面磨耗试验的结果如图 1 0所示。从 图 1 0可 以看出： 该试验可 以将对照组混泥 土从其他三种混 凝土中区分出来 ， 但是并不能区分含有乳胶和 或纤 维的多孑 L 混凝土。使用较小粒径的集料 ( 4 7 5 m m) 能够略微降低质量损失 ， 从 而提高 多孔混凝土的耐 磨耗性( 除 了乳胶改性混凝土 ) 。质量损 失值 的范 围在 0 2 0 5 之 间 。从 测 试 的 试 样 表 面 可 以 看出， 仅一些小颗粒的集料颗 粒从试样表面磨耗剥 落。由于质量损失值 较低 ， 可能导致表面磨耗试验 不 能够 很好 地 区分 含 有 纤 维 和 或乳 胶 的多 孔 混 凝 土 。 O 8 o 咖 O 2 O 对 照组 纤 维 乳胶 纤 维+ 乳 胶 图 1 O表 面磨 耗试 验结果 Fi g ur e 1 0 S u rfa c e a b r a s i o n t e s t r e s u l t s 6结 论 和 建 议 对 C a n t a b r o 试验、 改进的负荷轮 以及表 面磨耗 试验进行 了评估和比较 。且对采用不同粒径粗集料 和不同外加剂 ( 乳胶 和纤 维) 的八种多孔混凝 土进 行了试验和评估 ， 从 中可以得到以下结论 ： 在 3个试验当中， 改进的负载轮磨耗试验具 有最佳 的灵敏度和可重复性。采用焊接钢钉的钢轮 和提高负载轮荷载可 以加速磨耗， 更好地模拟现场 情况 。 表面磨耗试验 可以有效地将对照组混凝 土 从其他混凝土中区分出来 ， 然而 ， 需要对该试验或试 样进行改进以产生更多 的磨耗 ， 从而可能对含有纤 维和 或乳 胶 的多 孔 混 凝 土 进行 区分 。建 议 延 长该 试 验 的 测 试 时 间和 或 扩 大 磨 耗 面 积 ， 从 而加 剧 磨 耗 ， 提高 试验 的有 效性 。 C a n t a b r o 试验具有较好的灵敏度和重复性。 然而 ， 其得到的质量损失值较高 ， 因此不能有效地评 估多孔混凝土的耐磨性。这是 由于该试验 中， 试样 破坏 是 由冲击 而不 是磨 耗所 引起 。建 议采用 较少 的 旋转次数 ， 以提高试验的有效性。 参考文献 1 A me r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e P e r v i o u s c o n c r e t e R F a r m i n g t o n Hi l l s： Ame r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e， 2 0 0 6 2 He n d e r s o n， V ， T i g h e ， S L ， a n d No r r i s ， J P e r v i o u s c o n c r e t e p a v e me n t i n t e g r a t e d l a b o r a t o r y a n d fi e l d s t u d y J T r a n s p o r ta t i o n R e s e a r c h Re c o r d。 2 0 0 9， 2 1 1 3： l 3 2 1 3 K e v e r n ， J T ( 2 0 0 8) “ A d v a n c e m e n t s i n p e r v i o u s c o n c r e t e ” Ph D d i s s e r t a ti o n， I o wa S t a te Un i v e r s i t y ， Ame s ， I A ， 8 59 9 4 D e o ， O ， a n d N e i t h a l a t h， N C o m p r e s s i v e r e s p o n s e o f p e r v i o u s c o n c r e t e s p r o p o r t i o n e d f o r d e s i r e d p o r o s i t i e s J C o n s t r u c t i o n a n d B u il d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 1 ， 2 5 ( 1 1 ) ： 4 1 8 l一 4 l 8 9 5 K a y h a n i a n ， M ， A n d e r s o n ， D ， H a e y ， J T ， J o n e s ， D ， a n d Mu h u n t h a n， B P e r me a b i l it y me a s u r e me n t a n d s c a n i ma g i n g t o a s s e s s c l o g g i n g o f p e r v i o u s c o n c r e t e p a v e m e n t s i n p a r k i n g l o t s J J o u r n a l o f E n v i r o n me n t a l Ma n a g e me n t ， 2 0 1 2， 9 5 ( 1 ) ： 1 1 41 2 3 6 A me r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ( AC I ) ( 2 0 0 8 ) “ S p e c i fi c a t i o n f o r p e r v i o u s c o n c r e t e ” ACI t e c h n i c a l c o mmi t t e e d o c u me n t 5 2 2 l 一 08， F a r mi n g t o n Hi l l s ， MI 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m