海綿城市理念下的透水性道路基層結(jié)構(gòu)研究

楊柳青

(河南恒通工程監(jiān)理咨詢有限公司，河南 平頂山 467000)

1 水泥穩(wěn)定碎石作為透水基層

透水性道路對(duì)雨水的處置，應(yīng)采取以下措施：當(dāng)遭遇強(qiáng)降雨時(shí)，要考慮排水系統(tǒng)的配套輔助系統(tǒng)；當(dāng)降雨量適中時(shí)，還要考慮透水性道路自身的下滲結(jié)構(gòu)是否能消化掉降雨量。若遇普通降雨轉(zhuǎn)至強(qiáng)降雨，則透水性道路的排水系統(tǒng)可將多余的雨水排入收集池。透水性道路有較好的社會(huì)價(jià)值，能有效減緩地下水位的下降；收集到的雨水，可澆花草，改善空氣質(zhì)量。透水性道路總的造價(jià)成本與普通道路相差不大，卻擁有生態(tài)價(jià)值優(yōu)勢(shì)。

1.1 透水性水泥穩(wěn)定碎石材料組成設(shè)計(jì)

透水性水泥穩(wěn)定碎石首先應(yīng)具備透水性和足夠的強(qiáng)度，以此設(shè)計(jì)原料構(gòu)造，由于透水性水泥穩(wěn)定碎石材料比一般材料的空隙率大，所以要控制好空隙率，不然強(qiáng)度會(huì)下落。材料組成設(shè)計(jì)主要是找到有利于透水的礦料級(jí)配和具備一定強(qiáng)度等級(jí)的水泥，利用實(shí)驗(yàn)室做滲透性和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，從中選擇最佳配合比。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

透水性水泥穩(wěn)定碎石組成，在設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足透水性強(qiáng)度的要求，即滿足透水性的空隙率和滲透系數(shù)表征。在實(shí)驗(yàn)室的條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)7 d的指標(biāo)最小值為16.95%。施工中拌和后的水泥漿在其表面覆蓋一層水泥漿體增加了粒徑，而其性質(zhì)一樣，重正化群理論分析同樣適用于排水基層，基層的空隙率也不小于16.95%。

1.3 原材料技術(shù)指標(biāo)

水泥在水泥穩(wěn)定碎石混合料中的作用就好比汽油與車的關(guān)系，水泥的灰號(hào)直接影響其強(qiáng)度變化，水泥的用量還對(duì)水泥穩(wěn)定碎石穩(wěn)定性有影響，還有水泥的初凝時(shí)間也要考慮，這些因素影響到混凝土的品質(zhì)，此外，從拌合站到施工現(xiàn)場(chǎng)還需要一定的時(shí)間，這些都要考慮。為進(jìn)一步測(cè)試水泥碎石的透水性能，本次試驗(yàn)采用平頂山某品牌的普通硅酸鹽478水泥，各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 水泥各項(xiàng)指標(biāo)

集料在水泥穩(wěn)定碎石混合料中是骨架作用。粗集料的挑選也有嚴(yán)格的規(guī)定，首先是質(zhì)地強(qiáng)硬、干凈、無雜質(zhì)和不含有害物質(zhì)的碎石，其次還要考慮最大粒徑≤26.5 mm不然容易產(chǎn)生離析，粗集料要符合表2中的規(guī)定。

表2 粗集料技術(shù)要求

2 透水性道路結(jié)構(gòu)組成

正常的透水性道路結(jié)構(gòu)層包含面層、下層和墊層。如果面層采用的是磚鋪路面，則還需要在面層和基層設(shè)置一個(gè)2～3 cm的找平層。

2.1 透水性道路面層

透水性道路面層主要有兩類：(1)跟普通的道路一樣，采用透水性水泥混凝土或者透水性瀝青混合料，但缺點(diǎn)突出，一是面層容易被雜質(zhì)堵住，一是滲透系數(shù)太小了跟普通的路面就一樣了；(2)預(yù)制的透水性道路面磚。透水性水泥混凝土在選擇集料時(shí)一般采取的是開級(jí)配，即兩頭占的比重很大，主要是粗骨料占的權(quán)重相當(dāng)大，主要是為透水性人行道提供足夠的孔隙率，使其快速下滲到基層。使用預(yù)制磚的另一優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，工期短，開放交通快，強(qiáng)度也足夠高，儲(chǔ)存的強(qiáng)度也足夠大，也考慮了將來外部荷載增加的因素。

在材料上，修筑透水性路面，要制作透水的磚。透水性磚首先應(yīng)具備透水能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，雨水可以直接通過磚體下滲，這將增加透水的面積。非透水性磚只能通過磚縫下滲，滲透能力弱。當(dāng)使用面磚作為道路面層時(shí)，如果面層采用的是磚鋪路面，則需要在面層和基層設(shè)置一個(gè)2～3 cm的找平層。

2.2 透水性道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

(1)面層需滿足的要求

采用預(yù)制透水磚作為透水性道路的面層。由公路行業(yè)的規(guī)范對(duì)透水磚的物理性能和抗壓強(qiáng)要求見表3、表4所示。

表3 物理性能

表4 抗壓強(qiáng)度/MPa

由透水磚的物理性能和抗壓強(qiáng)要求：當(dāng)產(chǎn)品的邊長/厚度≥5.1時(shí)，其抗破壞荷載不小于6 100 N。

(2)基層應(yīng)滿足的要求

公路路面常用的三種基層：剛性基層、運(yùn)用最多的半剛性基層、柔性基層。剛性基層用的不多，但有其特定的運(yùn)用范圍，主要用于土基柔弱，地下鋪設(shè)了大量的排水道，天然氣管道，石油管道等管道；一些由于地形險(xiǎn)峻，不能采用重型機(jī)械碾壓地段，地基土硬度不穩(wěn)定、難以控制平整度的地段，農(nóng)村的村村通水泥路面就屬剛性地基。柔性基層易修筑，主要因?yàn)樗幕鶎酉啾绕渌麅?yōu)勢(shì)明顯，適用于平坦的地區(qū)，便于運(yùn)用大型機(jī)械，改善土基強(qiáng)度，透水性道路也采用的這種類型的基層。半剛性基層運(yùn)用廣泛，無論是低等級(jí)公路還是高等級(jí)的道路。對(duì)于需要保持水土的水分、生態(tài)友好型的要求較高的地段，采用最多的是水泥穩(wěn)定碎石基層。

對(duì)于透水性水泥穩(wěn)定碎石基層，相關(guān)規(guī)定給出了明確的設(shè)計(jì)要求。

①透水基層必須選取與之配套的透水性面層。透水性水泥穩(wěn)定碎石基層應(yīng)具有很高的強(qiáng)度，因?yàn)橐休d比較多的外部荷載，透水性是首要考慮的，混合料還要保持一定的孔隙率，利于排水暢通；

②水泥的種類多，普通硅酸鹽水泥運(yùn)用較多，礦渣硅酸鹽水泥價(jià)格比較貴但質(zhì)量很好，用在強(qiáng)度要求高的地方，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥跟礦渣硅酸鹽水泥很類似；

③碎石級(jí)配和材質(zhì)要滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，只有透水性路面也不具備透水的效果，還要在透水基層中加入排水的設(shè)施，預(yù)防有大的降雨，不能及時(shí)排出，進(jìn)而影響透水性路面的整體強(qiáng)度，透水性水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配及碎石質(zhì)量把控見表5所示。

表5 透水性水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配及碎石質(zhì)量把控

(3)面層與基層滲透系數(shù)關(guān)系

透水性道路首要性能是透水，在此基礎(chǔ)上還要有一定的儲(chǔ)水能力。對(duì)于透水性道路來說，最關(guān)鍵的兩個(gè)部分就是面層和基層，面層和基層直接衡量道路的透水性。對(duì)于同一種的透水性路面面層和基層的滲透系數(shù)盡量相同，但不同地區(qū)的透水性路面，根據(jù)建設(shè)地區(qū)和功能的要求不同，對(duì)滲透系數(shù)也不同。

透水性道路在滿足透水性特性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具有承受比較大的外部荷載的整體強(qiáng)度。面層對(duì)強(qiáng)度的要求要比基層的要求高，面層透水能力較強(qiáng)，雨水可以直接通過磚體下滲，這將大大的增加了透水的面積。

3 透水性水泥穩(wěn)定碎石性能測(cè)試

3.1 力學(xué)性能

(1)擊實(shí)試驗(yàn)

為了得到最佳含水率和最大干密度就需要做擊實(shí)試驗(yàn)，這也是為其他實(shí)驗(yàn)做鋪墊。由于透水性水泥穩(wěn)定碎石粗集料占比較大，所以，透水性水泥集料空隙率比較大，用正常的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，破壞了原始級(jí)配，其結(jié)果參考價(jià)值不是太高。一方面，在得到最大干密度時(shí)空隙率都不能滿足透水性的要求，滲透系數(shù)也是不能滿足要求；另一方面，混合料有一定的抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量，并且他們的回彈模量都比較大，主要原因是混合料的原始級(jí)配有變動(dòng)。因而，集料的各方面的參數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，這包含混合料的排水性能會(huì)減小，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

擊實(shí)試驗(yàn)有的試件破壞嚴(yán)重，表6中壓實(shí)度和成型壓力是正相關(guān)的，當(dāng)他們減少時(shí)，集料被壓碎的現(xiàn)象就會(huì)有所減弱。

(2)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

透水磚荷載主要來源于行人和小型車輛?？箟簭?qiáng)度實(shí)驗(yàn)用到的儀器是壓力試驗(yàn)機(jī)。其測(cè)試壓力應(yīng)該盡量落在1/4～3/4的量程，這樣產(chǎn)生的誤差最少，超出這個(gè)量程的與實(shí)際相差比較大。

在做抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)，壓力機(jī)的加載荷載速率要緩慢，連綿勻稱，記載損壞時(shí)的荷載換用同一批次的試件重復(fù)做測(cè)量，做滿五次取平均值，減少偶然誤差。測(cè)試抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表7所示。

表7 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，試件提前24 h放到水里面。在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)表7試驗(yàn)結(jié)果，繪制抗壓強(qiáng)度與水泥含量和級(jí)配的關(guān)系如圖1。

圖1 抗壓強(qiáng)度與水泥含量級(jí)配的關(guān)系

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知。

(1)透水基層必須選取與之配套的透水的面層。不然不能稱之為透水性路，透水性水泥穩(wěn)定碎石基層應(yīng)具有很高的強(qiáng)度因?yàn)橐休d比較多的外部荷載，透水性這是必須的，不然不能做透水材料的材料，混合料還要保持一定的孔隙率不然排水不暢通；

(2)水泥的種類有很多用的最多的就是普通硅酸鹽水泥，礦渣硅酸鹽水泥價(jià)格比較貴但質(zhì)量很好，用在強(qiáng)度要求高的地方，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥跟礦渣硅酸鹽水泥很類似；

(3)碎石級(jí)配和材質(zhì)要滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，路面也不具備透水的效果，還要在透水基層中加入排水的設(shè)施預(yù)防有大的降雨不能及時(shí)排出進(jìn)而影響透水性路面的整體強(qiáng)度。

對(duì)兩者關(guān)系進(jìn)行回歸，結(jié)果見圖2。

圖2 抗壓強(qiáng)度與水泥含量回歸的關(guān)系

由圖2顯而易見，當(dāng)水泥含量介于4%～11.5%時(shí)，混合料試件抗壓強(qiáng)度值與水泥含量具有線性回歸的關(guān)系。

4 孔隙率和滲透系數(shù)測(cè)定

4.1 空隙率和有效孔隙率的測(cè)定方法

空隙率的測(cè)定有不少的方法，但根據(jù)形狀的不同就要采取不同的方法測(cè)定孔隙率，測(cè)定密度有表干法，這種方法主要測(cè)定密度大的，不會(huì)吸收水分這樣試件的質(zhì)量不會(huì)發(fā)生變化。體積法和蠟封法主要對(duì)于體積不規(guī)則，有空隙，吸收水分。蠟封法可以測(cè)量規(guī)則式樣和不定型的試件體積，但操作不當(dāng)就會(huì)使蠟油進(jìn)入空隙。

4.2 滲透系數(shù)

評(píng)定水泥穩(wěn)定碎石基層透水能力的指標(biāo)是滲透系數(shù)，數(shù)值越大，水在透水基層中滯留的時(shí)間也就越短，透水基層的滲透系數(shù)越好。滲透系數(shù)是指在同一介質(zhì)中，單元水梯度的單位流量，主要說明水在孔道內(nèi)滲透量，數(shù)值越大，水在透水基層中滯留的時(shí)間也就越短，透水基層的滲透系數(shù)越好。水的粘滯性和不均勻系數(shù)等。從事滲透系數(shù)研究時(shí)，在數(shù)據(jù)的處理上加入了數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的高科技辦法，兼顧最大粒徑、空隙率、滲透系數(shù)等。以上研究都與其材料的類型、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)成型條件有關(guān)。

4.3 滲透系數(shù)的測(cè)試要求

滲透系數(shù)的測(cè)試方法有好多種，變水頭和常水頭是兩種最常用的測(cè)試方法。滲透系數(shù)差的要求，k<1.21 cm/s細(xì)粒土滲透系數(shù)。目前現(xiàn)有的測(cè)量細(xì)粒土的滲透系數(shù)的儀器精度尚達(dá)不到要求。對(duì)于砂石類材料，它的粒徑比較大，因此，其滲透系數(shù)也比較大，其滲透系數(shù)一般大于0.367 cm/s。

4.4 透水性能

針對(duì)3種級(jí)配不同混合料需要經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)7 d，還要將試件提前放到水里面24 h后，測(cè)試抗壓強(qiáng)度，經(jīng)測(cè)試結(jié)果如表8所示；滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果如表9所示。

表8 空隙率、有效空隙率測(cè)試結(jié)果 %

表9 滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果 (cm/s)

從以上測(cè)試結(jié)果看出來，滲透系數(shù)和有效空隙之間具有很好的函數(shù)關(guān)系。查閱相關(guān)規(guī)定，當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石空隙率不小于16.5%時(shí)，其滲透系數(shù)就能滿足要求。

5 總 結(jié)

通過透水性道路的面層和基層研究，確定了孔隙率和滲透系數(shù)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬平頂山市不同季節(jié)環(huán)境下，透水性道路結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石空隙率16.5%以上，可達(dá)到透水性道路滲透系數(shù)的要求。本研究進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過力學(xué)性能的求證，驗(yàn)證了新型透水性人行道設(shè)計(jì)符合相應(yīng)的規(guī)范要求。尤其到夏季遇到大雨時(shí)，能明顯感受到透水性道路不同尋常的透水優(yōu)勢(shì)。新型透水結(jié)構(gòu)總的造價(jià)成本比普通的道路稍高，但其生態(tài)價(jià)值卻有巨大的優(yōu)勢(shì)。