海綿城市理念下的透水性道路基層結構研究

楊柳青

(河南恒通工程監理咨詢有限公司，河南 平頂山 467000)

1 水泥穩定碎石作為透水基層

透水性道路對雨水的處置，應采取以下措施：當遭遇強降雨時，要考慮排水系統的配套輔助系統；當降雨量適中時，還要考慮透水性道路自身的下滲結構是否能消化掉降雨量。若遇普通降雨轉至強降雨，則透水性道路的排水系統可將多余的雨水排入收集池。透水性道路有較好的社會價值，能有效減緩地下水位的下降；收集到的雨水，可澆花草，改善空氣質量。透水性道路總的造價成本與普通道路相差不大，卻擁有生態價值優勢。

1.1 透水性水泥穩定碎石材料組成設計

透水性水泥穩定碎石首先應具備透水性和足夠的強度，以此設計原料構造，由于透水性水泥穩定碎石材料比一般材料的空隙率大，所以要控制好空隙率，不然強度會下落。材料組成設計主要是找到有利于透水的礦料級配和具備一定強度等級的水泥，利用實驗室做滲透性和抗壓強度試驗，從中選擇最佳配合比。

1.2 設計指標

透水性水泥穩定碎石組成，在設計時必須滿足透水性強度的要求，即滿足透水性的空隙率和滲透系數表征。在實驗室的條件下，無側限抗壓強度養護7 d的指標最小值為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 原材料技術指標

水泥在水泥穩定碎石混合料中的作用就好比汽油與車的關系，水泥的灰號直接影響其強度變化，水泥的用量還對水泥穩定碎石穩定性有影響，還有水泥的初凝時間也要考慮，這些因素影響到混凝土的品質，此外，從拌合站到施工現場還需要一定的時間，這些都要考慮。為進一步測試水泥碎石的透水性能，本次試驗采用平頂山某品牌的普通硅酸鹽478水泥，各項指標見表1。

表1 水泥各項指標

集料在水泥穩定碎石混合料中是骨架作用。粗集料的挑選也有嚴格的規定，首先是質地強硬、干凈、無雜質和不含有害物質的碎石，其次還要考慮最大粒徑≤26.5 mm不然容易產生離析，粗集料要符合表2中的規定。

表2 粗集料技術要求

2 透水性道路結構組成

正常的透水性道路結構層包含面層、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置一個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，但缺點突出，一是面層容易被雜質堵住，一是滲透系數太小了跟普通的路面就一樣了；(2)預制的透水性道路面磚。透水性水泥混凝土在選擇集料時一般采取的是開級配，即兩頭占的比重很大，主要是粗骨料占的權重相當大，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。使用預制磚的另一優點是施工速度快，工期短，開放交通快，強度也足夠高，儲存的強度也足夠大，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。透水性磚首先應具備透水能力較強的特點，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。當使用面磚作為道路面層時，如果面層采用的是磚鋪路面，則需要在面層和基層設置一個2～3 cm的找平層。

2.2 透水性道路結構設計要求

(1)面層需滿足的要求

采用預制透水磚作為透水性道路的面層。由公路行業的規范對透水磚的物理性能和抗壓強要求見表3、表4所示。

表3 物理性能

表4 抗壓強度/MPa

由透水磚的物理性能和抗壓強要求：當產品的邊長/厚度≥5.1時，其抗破壞荷載不小于6 100 N。

(2)基層應滿足的要求

公路路面常用的三種基層：剛性基層、運用最多的半剛性基層、柔性基層。剛性基層用的不多，但有其特定的運用范圍，主要用于土基柔弱，地下鋪設了大量的排水道，天然氣管道，石油管道等管道；一些由于地形險峻，不能采用重型機械碾壓地段，地基土硬度不穩定、難以控制平整度的地段，農村的村村通水泥路面就屬剛性地基。柔性基層易修筑，主要因為他的基層相比其他優勢明顯，適用于平坦的地區，便于運用大型機械，改善土基強度，透水性道路也采用的這種類型的基層。半剛性基層運用廣泛，無論是低等級公路還是高等級的道路。對于需要保持水土的水分、生態友好型的要求較高的地段，采用最多的是水泥穩定碎石基層。

對于透水性水泥穩定碎石基層，相關規定給出了明確的設計要求。

①透水基層必須選取與之配套的透水性面層。透水性水泥穩定碎石基層應具有很高的強度，因為要承載比較多的外部荷載，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，普通硅酸鹽水泥運用較多，礦渣硅酸鹽水泥價格比較貴但質量很好，用在強度要求高的地方，火山灰質硅酸鹽水泥跟礦渣硅酸鹽水泥很類似；

③碎石級配和材質要滿足標準的要求，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施，預防有大的降雨，不能及時排出，進而影響透水性路面的整體強度，透水性水泥穩定碎石混合料級配及碎石質量把控見表5所示。

表5 透水性水泥穩定碎石混合料級配及碎石質量把控

(3)面層與基層滲透系數關系

透水性道路首要性能是透水，在此基礎上還要有一定的儲水能力。對于透水性道路來說，最關鍵的兩個部分就是面層和基層，面層和基層直接衡量道路的透水性。對于同一種的透水性路面面層和基層的滲透系數盡量相同，但不同地區的透水性路面，根據建設地區和功能的要求不同，對滲透系數也不同。

透水性道路在滿足透水性特性的基礎上，還應具有承受比較大的外部荷載的整體強度。面層對強度的要求要比基層的要求高，面層透水能力較強，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 透水性水泥穩定碎石性能測試

3.1 力學性能

(1)擊實試驗

為了得到最佳含水率和最大干密度就需要做擊實試驗，這也是為其他實驗做鋪墊。由于透水性水泥穩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，用正常的標準擊實試驗時，破壞了原始級配，其結果參考價值不是太高。一方面，在得到最大干密度時空隙率都不能滿足透水性的要求，滲透系數也是不能滿足要求；另一方面，混合料有一定的抗壓強度、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配有變動。因而，集料的各方面的參數就會發生變化，這包含混合料的排水性能會減小，擊實試驗結果見表6。

表6 擊實試驗結果

擊實試驗有的試件破壞嚴重，表6中壓實度和成型壓力是正相關的，當他們減少時，集料被壓碎的現象就會有所減弱。

(2)抗壓強度試驗

透水磚荷載主要來源于行人和小型車輛。抗壓強度實驗用到的儀器是壓力試驗機。其測試壓力應該盡量落在1/4～3/4的量程，這樣產生的誤差最少，超出這個量程的與實際相差比較大。

在做抗壓強度實驗時，壓力機的加載荷載速率要緩慢，連綿勻稱，記載損壞時的荷載換用同一批次的試件重復做測量，做滿五次取平均值，減少偶然誤差。測試抗壓強度結果如表7所示。

表7 抗壓強度試驗結果

經實驗室標準養護7 d，試件提前24 h放到水里面。在進行抗壓強度試驗，根據表7試驗結果，繪制抗壓強度與水泥含量和級配的關系如圖1。

圖1 抗壓強度與水泥含量級配的關系

由以上試驗結果可知。

(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，透水性水泥穩定碎石基層應具有很高的強度因為要承載比較多的外部荷載，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，礦渣硅酸鹽水泥價格比較貴但質量很好，用在強度要求高的地方，火山灰質硅酸鹽水泥跟礦渣硅酸鹽水泥很類似；

(3)碎石級配和材質要滿足標準的要求，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施預防有大的降雨不能及時排出進而影響透水性路面的整體強度。

對兩者關系進行回歸，結果見圖2。

圖2 抗壓強度與水泥含量回歸的關系

由圖2顯而易見，當水泥含量介于4%～11.5%時，混合料試件抗壓強度值與水泥含量具有線性回歸的關系。

4 孔隙率和滲透系數測定

4.1 空隙率和有效孔隙率的測定方法

空隙率的測定有不少的方法，但根據形狀的不同就要采取不同的方法測定孔隙率，測定密度有表干法，這種方法主要測定密度大的，不會吸收水分這樣試件的質量不會發生變化。體積法和蠟封法主要對于體積不規則，有空隙，吸收水分。蠟封法可以測量規則式樣和不定型的試件體積，但操作不當就會使蠟油進入空隙。

4.2 滲透系數

評定水泥穩定碎石基層透水能力的指標是滲透系數，數值越大，水在透水基層中滯留的時間也就越短，透水基層的滲透系數越好。滲透系數是指在同一介質中，單元水梯度的單位流量，主要說明水在孔道內滲透量，數值越大，水在透水基層中滯留的時間也就越短，透水基層的滲透系數越好。水的粘滯性和不均勻系數等。從事滲透系數研究時，在數據的處理上加入了數學統計的高科技辦法，兼顧最大粒徑、空隙率、滲透系數等。以上研究都與其材料的類型、實驗儀器和實驗成型條件有關。

4.3 滲透系數的測試要求

滲透系數的測試方法有好多種，變水頭和常水頭是兩種最常用的測試方法。滲透系數差的要求，k<1.21 cm/s細粒土滲透系數。目前現有的測量細粒土的滲透系數的儀器精度尚達不到要求。對于砂石類材料，它的粒徑比較大，因此，其滲透系數也比較大，其滲透系數一般大于0.367 cm/s。

4.4 透水性能

針對3種級配不同混合料需要經標準養護實驗室養護7 d，還要將試件提前放到水里面24 h后，測試抗壓強度，經測試結果如表8所示；滲透系數測試結果如表9所示。

表8 空隙率、有效空隙率測試結果 %

表9 滲透系數測試結果 (cm/s)

從以上測試結果看出來，滲透系數和有效空隙之間具有很好的函數關系。查閱相關規定，當水泥穩定碎石空隙率不小于16.5%時，其滲透系數就能滿足要求。

5 總 結

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。實驗室內模擬平頂山市不同季節環境下，透水性道路結構的水泥穩定碎石空隙率16.5%以上，可達到透水性道路滲透系數的要求。本研究進行了擊實試驗、抗壓強度試驗，通過力學性能的求證，驗證了新型透水性人行道設計符合相應的規范要求。尤其到夏季遇到大雨時，能明顯感受到透水性道路不同尋常的透水優勢。新型透水結構總的造價成本比普通的道路稍高，但其生態價值卻有巨大的優勢。