透水人行道結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)和應(yīng)用

錢衛(wèi)明，王金昌，王偉棟，黃永明

QIAN Weiming1，WANG Jinchang2，WANG Weidong3，HUANG Yongming1

(1.浙江南興建設(shè)工程檢測有限公司，浙江杭州310005;2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310012;3.杭州市路橋集團(tuán)有限公司，浙江 杭州310006)

透水人行道具有吸收雨水的能力，這樣既能改變氣候和防止內(nèi)澇，又能解決不透水結(jié)構(gòu)人行道容易產(chǎn)生道板翹曲和松動(dòng)、雨后路面積水和道板的唧泥等嚴(yán)重影響人行道使用性能的問題。隨著人們對人行道功能要求越來越高，對透水人行道開展研究變得越來越重要，本文通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)出水泥穩(wěn)定碎石基層和找平層配合比，進(jìn)行強(qiáng)度和滲水試驗(yàn)并通過試驗(yàn)段的鋪設(shè)，確定了滿足強(qiáng)度和透水性要求的透水水泥穩(wěn)定碎石基層、找平層和透水磚。

1 水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)

1.1 材料選型

透水人行道水泥穩(wěn)定碎石基層原材料品質(zhì)選擇至關(guān)重要，水泥穩(wěn)定碎石滲水層的混合料結(jié)構(gòu)類型為骨架空隙結(jié)構(gòu)，這就要求作為形成骨架的碎石應(yīng)具有較好的性能。粗集料應(yīng)使用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈、無風(fēng)化、無雜質(zhì)和無有害物質(zhì)的碎石，其壓碎值不宜超過35%、針片狀不大于15%、含泥量(水洗＜0.075 ram 含量)應(yīng)小于1%。細(xì)集料可選用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈的天然砂、石屑或機(jī)制砂，含泥量(水洗＜0.075 ram 含量)應(yīng)小于3%。

水泥是水泥穩(wěn)定碎石中決定混合料強(qiáng)度的重要因素，水泥應(yīng)采用325 或425 等級的普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥(GB 175—2007)》和《礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥及粉煤灰硅酸鹽水泥(GB 1344—1999)》的要求。由于混合料的空隙較大導(dǎo)致強(qiáng)度較一般密實(shí)混合料有所下降，因此在條件允許的前提下宜選擇較大標(biāo)號的水泥。

由于現(xiàn)場施工從拌和到壓實(shí)需經(jīng)歷較長時(shí)間，因此，一般盡量選用凝結(jié)時(shí)間較長的水泥，以減小對混合料性能的影響，一般要求初凝時(shí)間大于3 h，終凝時(shí)間大于6 h，必要時(shí)可適當(dāng)摻入緩凝劑來延緩水泥的凝結(jié)時(shí)間，其摻量視具體工程情況及試驗(yàn)確定。

混合料的拌制和壓實(shí)均需要有適當(dāng)?shù)乃?，以滿足水泥的水化和施工的和易性，人和牲畜能飲用的水源均可使用。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

透水水泥穩(wěn)定碎石基層采用開級配，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要是粗集料之間的嵌擠作用和水泥漿的粘結(jié)力，在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能擁有較大的孔隙率，孔隙率越大，排水性能也越好。根據(jù)排水性能要求和國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，混合料的孔隙率應(yīng)控制在15%～25%之間，但較大的孔隙率會使材料強(qiáng)度逐漸減小，因此需要保證透水水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)強(qiáng)度與孔隙率都達(dá)到理想水平。為了達(dá)到盡可能大的透水能力，集料中應(yīng)不含或只含有少量的細(xì)集料。

李曉磊在《透水人行道結(jié)構(gòu)的研究》［1］及孫中閣等在《北京市透水人行道設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》［2］(以下簡稱《指南》)分別給出了透水水泥穩(wěn)定碎石的建議級配，見表1 和圖1。

表1 透水水泥穩(wěn)定碎石建議級配

圖1 透水水泥穩(wěn)定碎石建議級配

為了評價(jià)不同骨料級配下透水水泥穩(wěn)定碎石基層的材料性能，分別選擇北京規(guī)范級配和同濟(jì)級配進(jìn)行對比分析，不同透水水泥穩(wěn)定碎石級配組成見圖2。水泥穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)級配Ⅰ水泥含量為5.5%(每立方米用量:水泥121 kg、水92 kg、碎石1900 kg)，試驗(yàn)級配Ⅱ水泥含量為7%。

1.3 強(qiáng)度和透水性試驗(yàn)

1.3.1 強(qiáng)度試驗(yàn) 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評價(jià)水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能的重要指標(biāo)。參考現(xiàn)行《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范(JTJ 034—2000)》［3］中，對水泥穩(wěn)定類基層應(yīng)用于二級及以下公路時(shí)，7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度規(guī)定為2.5～3.0 MPa。

圖2 不同透水水泥穩(wěn)定碎石級配組成

試件成型后，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d，測定兩組級配曲線對應(yīng)下的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表2。從表2 中可以看出試驗(yàn)級配Ⅰ和試驗(yàn)級配Ⅱ下7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為3.4、6.2 MPa，均大于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》［4］中對水泥穩(wěn)定集料類基層的強(qiáng)度要求。說明隨著水泥含量的增加，透水水泥穩(wěn)定碎石基層的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈逐漸增加的趨勢，但是試驗(yàn)級配Ⅱ的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為試驗(yàn)級配Ⅰ的2 倍，從另外一方面說明級配組成對水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓強(qiáng)度存在較大的影響。對比不同透水水泥穩(wěn)定碎石級配，9.5～19 mm 范圍內(nèi)級配曲線越陡，級配分布均勻，大小骨料可以相互嵌擠，在水泥漿的粘結(jié)作用下，表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度較大。

表2 7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

因兩個(gè)級配成型的試件7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均能滿足強(qiáng)度要求，但從成本控制的角度建議選擇試驗(yàn)級配Ⅰ進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

1.3.2 透水性試驗(yàn) 采用浸水天平進(jìn)行室內(nèi)有效孔隙率的測定，通過對試驗(yàn)級配Ⅰ下混合料成型試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d 后進(jìn)行有效孔隙率試驗(yàn)，測試結(jié)果見表3。采用公式計(jì)算得到水泥穩(wěn)定碎石試件的孔隙率結(jié)果見表3，孔隙率在11%～24%之間，平均值為17%?？紫堵势骄?7%滿足《指南》［2］中對水泥穩(wěn)定碎石透水基層有效孔隙率不小于15%的要求。

表3 試件有效孔隙率

根據(jù)《指南》［2］對透水基層的要求，建議透水基層滲透系數(shù)不得小于0.10 cm/s。室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果見表4，滲透系數(shù)平均值為0. 106 cm/s，滿足0.01 cm/s要求。

表4 滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

水泥穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)級配水泥含量為5.5%(每立方米用量:水泥121 kg、水92 kg、碎石1900 kg)滿足要求，本試驗(yàn)段采用上述級配施工。

2 找平層設(shè)計(jì)

2.1 找平層配比設(shè)計(jì)

找平層在透水人行道路面結(jié)構(gòu)中起著整平、為面層形成緊密嵌鎖的作用，作為面層與基層之間的過渡層，必須保證一定的滲透系數(shù)，從而保證面層滲入的雨水能快速輸送到基層。找平層選用水泥砂漿，找平層砂漿采用M10 干硬性砂漿，要求采用干預(yù)拌砂漿，其中黃砂性能指標(biāo)見表5。砂漿配合比采取定制(采用的水泥為425#普通硅酸鹽水泥)，所用黃砂采取過篩的方法控制細(xì)顆粒含量(黃砂粒徑為3～5 mm)，要求砂漿孔隙率不小于10%，透水系數(shù)達(dá)到不小于1 ×10-2cm/s。

表5 黃砂性能指標(biāo)

為選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)合適的水泥砂漿配合比，根據(jù)文獻(xiàn)和以往工程經(jīng)驗(yàn)選用三種配比進(jìn)行試驗(yàn)以確定最合適配比，三種配比水泥、水、石子的質(zhì)量比例分別為1∶0.5∶4、1∶0.5∶5、1∶0.5∶6。

2.2 強(qiáng)度和透水性試驗(yàn)

根據(jù)三種配比制作三個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，由于黃砂中細(xì)集料幾乎沒有，水泥砂漿石屑試件表現(xiàn)為粗糙、孔隙大等特點(diǎn)，對水泥砂漿封閉后進(jìn)行注水試驗(yàn)，測得有效孔隙率平均值為6%。按照透水水泥穩(wěn)定碎石基層滲透系數(shù)試驗(yàn)原理對水泥砂漿石屑試樣完成滲透系數(shù)試驗(yàn)，測得水泥砂漿石屑試樣滲透系數(shù)平均值為3.86 cm/s。在水泥∶石子比例為1∶5時(shí)其滲水系數(shù)為0.45 cm/s，強(qiáng)度為4.5 MPa;在水泥與石子比例為1∶6 時(shí)，滲透系數(shù)為0.96 cm/s，強(qiáng)度為4.0 MPa?？梢姡谒嘤昧吭酱蟮那闆r下其滲水效果越不明顯，在強(qiáng)度方面，水泥用量越大其強(qiáng)度就越高，可得出滲水系數(shù)和強(qiáng)度是反比關(guān)系。

強(qiáng)度和滲透系數(shù)均滿足《指南》［2］及《道路人行道設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求。同時(shí)也滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》［4］中對水泥穩(wěn)定集料類材料的強(qiáng)度要求。故根據(jù)必選關(guān)于找平層的水泥與石子配比建議取值范圍為1∶5～1∶6 左右。

3 透水磚選擇

3.1 透水磚性能要求

為達(dá)到透水人行道整體透水效果，選擇了透水性能良好(透水系數(shù)不小于1 ×10-2cm/s)，物理力學(xué)指標(biāo)滿足中華人民共和國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《透水磚(JC/T 945—2005)》規(guī)定，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到30 MPa，單塊最小抗壓強(qiáng)度不小于25 MPa。其中，透水面層的物理指標(biāo)主要包括耐磨性、保水性、透水系數(shù)、抗凍性等，在《透水磚(JC/T 945—2005)》標(biāo)準(zhǔn)中對透水磚的物理性能要求見表6，并規(guī)定:當(dāng)產(chǎn)品的邊長/厚度≥5 時(shí)，其抗折破壞荷載應(yīng)不小于6000 N。

表6 透水磚的物理性能

根據(jù)對杭州周邊透水磚生產(chǎn)廠家多次選型試驗(yàn)比較，并與透水磚廠家溝通確定了透水磚生產(chǎn)配合比要求，并確定透水磚厚度規(guī)格為60 mm。

3.2 強(qiáng)度和透水性試驗(yàn)

對透水磚進(jìn)行三點(diǎn)彎試驗(yàn)，測定透水磚的彈性模量，通過試驗(yàn)計(jì)算得到透水磚彈性模量E=1080 MPa，其抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，滿足《透水磚(JC/T 945—2005)》要求。

根據(jù)JC/T 945—2005 中透水磚的技術(shù)要求，采用不變水頭法(即穩(wěn)定水壓法)測定透水磚透水系數(shù)，室內(nèi)試驗(yàn)得到透水磚滲透系數(shù)為0.15 cm/s，滿足規(guī)范《指南》(北京市政局，2007)［2］及《透水磚(JC/T 945—2005)》中對透水磚滲透系數(shù)不小于0.01 cm/s的要求，從而對透水磚的大面積推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4 試驗(yàn)段驗(yàn)證

在杭州育英路鋪筑人行道試驗(yàn)段，試驗(yàn)段人行道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為:60 mm 厚荷蘭透水磚+30 mm M10透水水泥砂漿結(jié)合層+200 mm 5%透水水泥穩(wěn)定碎石基層+100 mm 級配碎石墊層=390 mm。具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 育英路人行道斷面

本試驗(yàn)段施工過程中對于路基、級配碎石、水泥穩(wěn)定層施工后均進(jìn)行了壓實(shí)度、彎沉檢測，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)層施工質(zhì)量。同時(shí)重點(diǎn)對水泥穩(wěn)定層、找平層、透水面磚施工后進(jìn)行透水性檢測，透水系數(shù)均達(dá)到了1 ×10-2cm/s。

現(xiàn)場透水面層滲水試驗(yàn)采用1 m×1 m 的木框，作為測試時(shí)匯水面積水壩，向滲水框內(nèi)注水，計(jì)算以注入的水量到水框內(nèi)的水全部下滲完畢所需要的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)。

式中:Cw為路面滲水系數(shù)，mL/min;

V1為第一次計(jì)時(shí)時(shí)的水量(mL)，通常為38000 mL;

V2為第二次計(jì)時(shí)時(shí)的水量(mL)，通常為水全

部滲透完畢;

t1為第一次計(jì)時(shí)的時(shí)間，s;

t2為第二次計(jì)時(shí)的時(shí)間，s。

該式計(jì)算完畢的數(shù)據(jù)再除以滲水框的面積，即為單位面積上滲水系數(shù)。

各項(xiàng)檢測指標(biāo)見表7。

表7 試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)層檢測指標(biāo)

通過鋪設(shè)試驗(yàn)路段，并從對試驗(yàn)路段透水試驗(yàn)、現(xiàn)場鋪筑效果和雨天透水情況來看，達(dá)到了透水人行道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語

現(xiàn)有規(guī)范對找平層透水性沒作要求，經(jīng)本課題試驗(yàn)研究，確定了找平層砂漿的透水性與抗壓強(qiáng)度的反比關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與試驗(yàn)路段鋪筑后的檢測，對于應(yīng)用在透水人行道上所選擇的水泥穩(wěn)定碎石基層、找平層材料和透水磚來說，它們既能保證強(qiáng)度等指標(biāo)，也能滿足人行道整體透水性要求，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足透水人行道結(jié)構(gòu)層施工要求。

［1]李曉磊.透水人行道結(jié)構(gòu)的研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.

［2]孫中閣，張玉輕，孫榮山，等.北京市透水人行道設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南［M］.北京:北京市路政局，2007.

［3]交通部公路科學(xué)研究所.JTJ 034—2000 公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［4]交通部公路科學(xué)研究所.JTG F40—2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.