0 引言

　　 我国水泥混凝土路面始建于20世纪60年代中期, 截至2015年, 我国的水泥混凝土路面已超过165.32万公里。这种不透水路面大多通过地表坡度将雨水引入排水系统, 最后排放到市政管网中, 不仅加重了自然水体的污染程度, 破坏了城市地表生态平衡, 阻断了雨水对地下水的补给, 同时也是导致城市内涝的主要原因之一。

　　 透水混凝土作为一种优质的“海绵体”, 能够有效解决城市路面不透水问题。其自身具有一定的孔隙, 能够使雨水渗透到地下, 起到排水、保水的作用, 在改善城市内涝问题的同时也有效地缓解了城市热岛效应。目前, 国内外对改造既有水泥混凝土路面的研究主要集中于采用加铺沥青混合料面层和加铺新水泥混凝土面层的方法来解决老旧路面承载力不足的问题, 对透水混凝土的应用与研究主要集中于新建工程及其基本性能等方面^[1,2,3,4,5], 而对利用透水混凝土改造既有水泥混凝土路面来解决路面不透水问题的研究鲜有报道。基于此, 本文提出了一种能够有效地利用透水混凝土透水性能, 实现路面透水的路面结构改造方法。如图1所示, 通过钻孔方法对原有路面面层、基层进行钻孔处理, 再向孔洞中浇筑透水混凝土并加铺一层新的透水混凝土面层以达到路面透水的目的;此种方法主要适用于住宅小区、校园等对道路等级要求较低的路面。透水混凝土加铺层与既有水泥混凝土粘结面作为一个薄弱环节, 其降低了路面结构的抗拉、抗剪强度等性能;而界面抗剪强度是衡量新老混凝土粘结好坏的关键因素, 因此对透水混凝土加铺层与既有水泥混凝土粘结面抗剪性能研究是非常必要的。

　　 水泥混凝土采用32.5级普通硅酸盐水泥, 细骨料采用中粗河砂, 粗骨料采用40%粒径为4.75～9.50mm和60%粒径为9.5～26.5mm的碎石, 配合比为水泥∶细骨料∶粗骨料∶水=1∶2.44∶3.24∶0.44, 混凝土设计强度等级为C25, 立方体抗压强度为32.30MPa。

　　 透水混凝土采用42.5级普通硅酸盐水泥, 粗骨料采用5～10mm和10～15mm两种粒径范围的碎石, 设计孔隙率为20%, 水灰比为0.3, 配合比设计参照《透水水泥混凝土路面技术规程》 (CJJ/T 135—2009) , 具体参数见表1。其中粘结料采用四川某公司生产的粉末状粘结剂, 其添加比例为水泥∶粘结料=50∶1。

　　 水泥混凝土处理面采用打磨机打磨掉表层的水泥砂浆, 使表面有粗骨料露出, 再对其表面进行凿毛, 凿毛深度为3～5mm, 最后用气囊吹净表面, 并用清水冲洗。

　　 本文参考对新老混凝土粘结面剪切性能研究的试验方法^[6,7,8], 将试件制作成150mm×150mm×150mm的标准立方体试块, 其中水泥混凝土与透水混凝土的浇筑高度均为75mm。同时, 考虑到透水混凝土浇筑到原混凝土路面孔洞中后, 其自身能起到一定的销栓作用, 会影响到粘结面的抗剪强度。因此, 在浇筑下部水泥混凝土试块时在其中间预留出圆形孔道, 试件的粘结面及剖面图如图2所示。

　　 图2 (a) 为未开孔试件, 首先浇筑下部水泥混凝土试块, 自然状态下养护两个月后再放入标准立方体试模中浇筑上部透水混凝土;图2 (b) 为开孔试件, 同样先浇筑下部水泥混凝土试块, 并预留圆形孔道, 自然状态下养护两个月后再放入标准立方体试模中浇筑T字形透水混凝土;拆模后放入标准养护室养护28d。浇筑成型后的试件如图3所示。具体设计参数见表2, 其中d为预留圆孔的直径;ϕ为水泥混凝土开孔率, 即圆孔面积与立方体截面面积的比值。

　　 试验剪切装置如图4所示, 采用液压万能试验机进行加载。加载前将立方体试件套入剪切装置中, 并将其放置在加载台中央, 然后开启试验机, 当加压头与加载装置快接触时, 再次调整试件使粘结面竖直对中, 以0.02～0.05MPa/s的速度连续均匀地加载, 直至试件破坏, 记录破坏荷载。加载现场照片如图5所示。

　　 加载初期, 透水混凝土与水泥混凝土的粘结面及试件表面均未出现裂缝。随着荷载的持续增加, 试件粘结面处有少量粉末状水泥浆脱落, 对未开孔试件组AⅠ, BⅠ, 当荷载增至极限荷载时粘结面出现裂缝并伴随着“砰”的脆响声, 试件从粘结面处被剪成两半, 破坏表现为明显的脆性破坏;对开孔试件组AⅡ, BⅡ, AⅢ, BⅢ, AⅣ, BⅣ, 当粘结面出现裂缝时试件并未立即被剪断, 而是在荷载持续增加了几秒钟后才被剪成两半, 破坏同样表现为脆性破坏。

　　 图6为试件剪切破坏断面图, 从图中可以看出, 试件均从粘结面处破坏, 破坏面较为平直, 表明透水混凝土与水泥混凝土的粘结面是一个薄弱面。图6 (a) 为未开孔试件的破坏情况, 其破坏特征为透水混凝土一侧的水泥浆被拉脱, 少量骨料被剪断。图6 (b) 为多数开孔试件的破坏情况, 其破坏特征为T字形透水混凝土从粘结面处被剪断, 破坏面处多数骨料被剪断;而图6 (c) 为试件AⅡ-3, AⅢ-3, AⅣ-3的破坏情况, 其特征表现为粘结面附近水泥浆被拉脱, 未出现骨料被剪断的现象, 这是由于浇筑过程中透水混凝土未充分插捣、压实所致。

　　 表3列出了各试件剪切试验结果。由于试件AⅡ-3, AⅢ-3, AⅣ-3在浇筑过程中透水混凝土未充分压实, 导致试件粘结面抗剪强度明显下降, 且下降幅度最高达到了156.19%, 故将这三组数据舍去;同时, 试验结果表明, 在实际工程中必须对孔道中的透水混凝土进行严格的压实处理, 否则透水混凝土与水泥混凝土粘结面的抗剪强度会明显降低, 将难以满足实际要求。

　　 由表3中的数据可以看出, 相比于未开孔试件, 开孔试件的粘结面抗剪强度均有一定幅度提高;且随着开孔率的增大, 粘结面抗剪强度也逐渐提高。这是由于T字形透水混凝土自身的销栓作用提高了试件粘结面的抗剪强度, 且随着直径的增加, 透水混凝土的抗剪强度也逐渐提高。

　　 对于A类透水混凝土, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ组开孔率试件的粘结面抗剪强度 (也称平均剪切应力) 比Ⅰ组未开孔试件的粘结面抗剪强度分别提高了18.04%, 31.62%, 45.58%;Ⅲ组开孔率试件的粘结面抗剪强度比Ⅱ组开孔率试件的粘结面抗剪强度提高了11.50%, Ⅳ组开孔率试件的粘结面抗剪强度比Ⅲ组开孔率试件的粘结面抗剪强度提高了10.61%;对于B类透水混凝土, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ组开孔率试件的粘结面抗剪强度比Ⅰ组未开孔试件的粘结面抗剪强度分别提高了13.69%, 39.74%, 47.02%;Ⅲ组开孔率试件的粘结面抗剪强度比Ⅱ组开孔率试件的粘结面抗剪强度提高了22.91%, Ⅳ组开孔率试件的粘结面抗剪强度比Ⅲ组开孔率试件的粘结面抗剪强度提高了5.21%。另外, 对于A, B类透水混凝土, Ⅳ组开孔率试件的粘结面抗剪强度的提高幅度比Ⅱ组分别提高了152.63%, 243.55%。由此可见, 钻孔后加铺透水混凝土的路面改造方法在达到路面透水目的的同时, 也有效提高了透水混凝土加铺层与既有水泥混凝土粘结面之间的抗剪强度, 且开孔率对粘结面抗剪强度的影响非常显著。

　　 由表3中的数据可以看出, 不同类型的透水混凝土对粘结面抗剪强度也存在一定影响, 随着透水混凝土骨料粒径的增加, 粘结面的抗剪强度有所降低。这主要是因为透水混凝土随着其骨料粒径的增大, 骨料间的粘结面积减小, 进而使其抗压及抗剪强度降低。因此, 随着透水混凝土强度的提高, 粘结面抗剪强度也有所提高。

　　 对于Ⅰ组未开孔试件, A类透水混凝土情况下的粘结面抗剪强度比B类提高了16.23%;对Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ组开孔试件, A类透水混凝土情况下的粘结面抗剪强度比B类分别提高了20.68%, 9.45%, 15.09%。

　　 图7是粘结面抗剪强度f_st与开孔率ϕ的关系曲线。从图中可以看出, 对于采用同一类透水混凝土浇筑的试件, 其粘结面抗剪强度与开孔率基本呈线性, 且抗剪强度随开孔率的增大而增大。对于采用A, B两类强度等级不同的透水混凝土浇筑的试件, 其粘结面抗剪强度随开孔率的增长趋势基本保持一致, 且透水混凝土强度等级越高, 粘结面抗剪强度也越高。

　　 为了更直观地反映开孔率及透水混凝土强度对粘结面抗剪强度的综合影响, 图8给出了粘结面抗剪强度f_st和透水混凝土抗压强度f_cu比值与开孔率ϕ的关系曲线, 从图中同样可以看出, 粘结面抗剪强度和透水混凝土抗压强度的比值与开孔率基本呈线性, 且比值随开孔率的增大而增大。

　　 根据图8中试验点的分布, 采用最小二乘法回归分析得出了粘结面抗剪强度和开孔率以及透水混凝土强度的关系表达式:

　　 $f{}_{\text{s}\text{t}}/f{}_{\text{c}\text{u}}=0.08571\text{ϕ}+0.05237(1)$

　　 式中:f_st为透水混凝土与水泥混凝土粘结面抗剪强度, MPa;f_cu为透水混凝土立方体抗压强度, MPa。

　　 由公式 (1) 可以看出, 随着开孔率及透水混凝土强度的增加, 粘结面抗剪强度都有所提高。为了分析这两种影响因素的显著性, 采用双因素方差分析法^[9]对其进行分析。第一种因素是水泥混凝土的开孔率, 根据开孔率的不同分为四个水平 (r=4) , 即Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ组开孔率;第二种因素是透水混凝土的强度, 根据强度的不同分为两个水平 (s=2) , 即A, B两类透水混凝土。具体数据见表4。

　　 设表4中的剪切应力服从正态分布N (μ_ij, σ²) , 且所有的数据相互独立, 则μ_ij可表示为:

　　 $\mu {}_{ij}=\mu +\alpha {}_i+\beta {}_j+\gamma {}_{ij}(i=1,2,3,4;j=1,2)$

　　 假设:

　　 $\begin{array}{c}\alpha {}_1=\alpha {}_2=\alpha {}_3=\alpha {}_4=0\hfill \\ \beta {}_1=\beta {}_2=0\hfill \\ \gamma {}_{ij}=0(i=1,2,3,4;j=1,2)\hfill \end{array}$

　　 则由数理统计方法得到方差分析表, 见表5。由表5中的数据可知:

　　 (1) F_A=11.20>F_0.01 ( (r-1) , rs (c-1) ) =7.59, 即认为开孔率对粘结面抗剪强度的影响极为显著。

　　 (2) F_0.01 ( (s-1) , rs (c-1) ) =11.26>F_B=8.15>F_0.10 ( (s-1) , rs (c-1) ) =3.46, 即认为透水混凝土强度对粘结面抗剪强度的影响显著。

　　 (3) F_L=0.156<F_0.10 ( (r-1) (s-1) , rs (c-1) ) =2.92, 即认为开孔率和透水混凝土强度的交互作用对粘结面抗剪强度影响极不显著。

　　 (1) 试件破坏均出现在粘结面, 且均表现为脆性破坏, 透水混凝土与水泥混凝土的粘结面是一个薄弱面。

　　 (2) 水泥混凝土开孔率对透水混凝土与水泥混

　　 凝土粘结面抗剪强度有显著影响, 随着开孔率的增大, 粘结面抗剪强度也逐渐提高, 其中开孔试件的粘结面抗剪强度比未开孔试件最高提高达47.02%。

　　 (3) 透水混凝土强度对透水混凝土与水泥混凝土粘结面抗剪强度有一定影响, 随着透水混凝土强度的提高, 粘结面抗剪强度也有所提高, 且提高幅度在20%以内。

　　 (4) 方差分析结果表明, 水泥混凝土开孔率和透水混凝土强度的交互作用对透水混凝土与水泥混凝土粘结面抗剪强度影响极不显著, 开孔率对粘结面抗剪强度起主要控制作用。

　　 (5) 试验结果表明, 在实际工程中必须对孔道中的透水混凝土进行严格的压实处理, 否则透水混凝土与水泥混凝土粘结面的抗剪强度会明显降低, 将难以满足实际要求。