透水铺装独特的多孔结构和较大的渗透系数使其具有削减城市雨水径流、内蒙古透水砖用来补充地下水以及降低径流污染负荷等功能,其中透水砖铺装作为常见的一种铺装方式被广泛应用。然而在寒冷地区会受到冬季融雪径流渗入结构内部产生冻胀等影响,使得透水砖铺装的结构和性能极易遭到破坏,缩短了使用寿命,严重限制了其使用范围。其中透水砖的冻胀损坏实质上是因为其面层、基层等结构层具有一定的孔隙,形成一定的滞蓄容积。在冬季,融雪径流通过透水砖铺装表面渗透到孔隙里,导致其滞蓄在透水砖内部结构中,水结冰时体积膨胀产生冻胀力,当产生的冻胀力超过透水砖骨料之间或骨料内部的黏合力时,造成透水砖表面剥蚀、抗压强度衰减等后果。
透水砖冻胀损坏程度不仅与冻胀应力大小有关,而且与其材料、水饱和度、冻融次数、冻结速率等密切相关。
(1)材料。常见的透水砖铺装类型有构造透水型(缝隙式透水)、砖体自身透水型等几种形式[9]。自身透水型透水砖一般由水泥和砂石、陶瓷颗粒、建筑垃圾等骨料以及外加剂等通过振动、挤压成型。研究表明,水泥强度等级、用量、水灰比等对透水砖的抗压强度、抗折强度有明显影响;透水砖骨料的构成比例同样重要。当废陶瓷颗粒的掺加量控制在透水砖总质量的60%时,可有效改善透水砖的弹性模量,透水砖的抗压强度、抗折强度均有升高,超过《透水砖路面技术规程》(CJJT 188—2012)标准,抗冻性能明显优于未掺加废陶瓷的水泥透水砖。
(2)水饱和度。透水砖滞蓄容积中的水饱和度是透水砖损坏的决定性因素。当透水砖结构层的水饱和度超过 “临界水饱和度”时,融雪径流在地表温度低于0℃的条件下会在结构层内结冰、冻胀,造成透水砖冻胀损坏;反之,即使有冻胀力的存在,透水砖也不易受损。研究表明,不同水饱和度的透水砖铺装面层的抗压强度损失量差别较大;当内蒙古透水砖铺装面层水饱和度大于90%,其抗压强度损失值远超过其水饱和度小于90%的强度损失值。在冻融循环的作用下,滞蓄在孔隙中的径流破坏了透水砖宏观的孔隙结构且是一种不可逆的过程,面层水饱和度超过90%的条件下,水结冰时膨胀量较大且无膨胀空间,造成其内部结构粗骨料之间的黏合力衰减量较多,从而导致其抗压强度损失较大。这与SUTTER等、LEECH等提出的混凝土在饱和时易发生冻胀现象一致。透水铺装面层水饱和度超过90%时,其结构和性能变化较大,这与水结冰过程中的产生冻胀系数大小有关。
(3)冻融次数。透水砖冻胀损坏具有累积效应。在冻融循环作用下,结冰冻胀引起的透水砖结构与性能的破坏是不可逆的。透水砖抗冻耐久性Df与冻融循环次数n之间的关系可按式(1)计算
式中,DfDf为透水砖抗冻耐久性;n为冻融循环次数;Edn为冻融循坏后测得的弹性模量(MPa);Ed0为冻融循环前弹性模量初始值(MPa)。
此外,在透水砖冻胀过程中,冻结速率的快慢与冻结锋面的移动速率成正比。冻结锋面的移动速率越大,产生的冻胀力越大。氯盐型融雪剂的使用会在结构层中形成浓度差加剧冻融破坏力。防滑沙砾的使用会堵塞孔隙,减少渗透性,不利于透水砖空隙中的融雪径流及时排走。
综上所述,目前国内外针对透水砖冻胀损坏原因、材料配比、冻融次数对其抗冻性能的影响等方面展开研究,但缺乏透水砖损坏过程中,产生冻胀应力大小相关方面的研究以及数据支撑。本文通过冻胀应力试验测定透水砖完全饱和状态状态,有侧限和无侧限两种条件下产生的冻胀应力大小,提出透水砖抗冻胀损坏改进措施,内蒙古透水砖以期为提高透水砖抗冻性能、延长使用寿命和扩展应用范围提供科学支撑。