透水人行道結構層設計和應用

錢衛明，王金昌，王偉棟，黃永明

QIAN Weiming1，WANG Jinchang2，WANG Weidong3，HUANG Yongming1

(1.浙江南興建設工程檢測有限公司，浙江杭州310005;2.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州310012;3.杭州市路橋集團有限公司，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澇，又能解決不透水結構人行道容易產生道板翹曲和松動、雨后路面積水和道板的唧泥等嚴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，本文通過試驗設計出水泥穩定碎石基層和找平層配合比，進行強度和滲水試驗并通過試驗段的鋪設，確定了滿足強度和透水性要求的透水水泥穩定碎石基層、找平層和透水磚。

1 水泥穩定碎石設計

1.1 材料選型

透水人行道水泥穩定碎石基層原材料品質選擇至關重要，水泥穩定碎石滲水層的混合料結構類型為骨架空隙結構，這就要求作為形成骨架的碎石應具有較好的性能。粗集料應使用質地堅硬、耐久、潔凈、無風化、無雜質和無有害物質的碎石，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)應小于1%。細集料可選用質地堅硬、耐久、潔凈的天然砂、石屑或機制砂，含泥量(水洗＜0.075 ram 含量)應小于3%。

水泥是水泥穩定碎石中決定混合料強度的重要因素，水泥應采用325 或425 等級的普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，質量符合現行國家標準《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致強度較一般密實混合料有所下降，因此在條件允許的前提下宜選擇較大標號的水泥。

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

混合料的拌制和壓實均需要有適當的水分，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 配合比設計

透水水泥穩定碎石基層采用開級配，結構強度主要是粗集料之間的嵌擠作用和水泥漿的粘結力，在滿足強度的基礎上，應盡可能擁有較大的孔隙率，孔隙率越大，排水性能也越好。根據排水性能要求和國內外經驗，混合料的孔隙率應控制在15%～25%之間，但較大的孔隙率會使材料強度逐漸減小，因此需要保證透水水泥穩定碎石的力學強度與孔隙率都達到理想水平。為了達到盡可能大的透水能力，集料中應不含或只含有少量的細集料。

李曉磊在《透水人行道結構的研究》［1］及孫中閣等在《北京市透水人行道設計施工技術指南》［2］(以下簡稱《指南》)分別給出了透水水泥穩定碎石的建議級配，見表1 和圖1。

表1 透水水泥穩定碎石建議級配

圖1 透水水泥穩定碎石建議級配

為了評價不同骨料級配下透水水泥穩定碎石基層的材料性能，分別選擇北京規范級配和同濟級配進行對比分析，不同透水水泥穩定碎石級配組成見圖2。水泥穩定碎石基層試驗級配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)，試驗級配Ⅱ水泥含量為7%。

1.3 強度和透水性試驗

1.3.1 強度試驗 無側限抗壓強度是評價水泥穩定碎石混合料路用性能的重要指標。參考現行《公路路面基層施工技術規范(JTJ 034—2000)》［3］中，對水泥穩定類基層應用于二級及以下公路時，7 d 無側限抗壓強度規定為2.5～3.0 MPa。

圖2 不同透水水泥穩定碎石級配組成

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

表2 7d 無側限抗壓強度

因兩個級配成型的試件7 d 無側限抗壓強度均能滿足強度要求，但從成本控制的角度建議選擇試驗級配Ⅰ進行滲透試驗。

1.3.2 透水性試驗 采用浸水天平進行室內有效孔隙率的測定，通過對試驗級配Ⅰ下混合料成型試件進行標準養生7 d 后進行有效孔隙率試驗，測試結果見表3。采用公式計算得到水泥穩定碎石試件的孔隙率結果見表3，孔隙率在11%～24%之間，平均值為17%。孔隙率平均值17%滿足《指南》［2］中對水泥穩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《指南》［2］對透水基層的要求，建議透水基層滲透系數不得小于0.10 cm/s。室內滲透試驗結果見表4，滲透系數平均值為0. 106 cm/s，滿足0.01 cm/s要求。

表4 滲透系數試驗結果

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

2 找平層設計

2.1 找平層配比設計

找平層在透水人行道路面結構中起著整平、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，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，要求采用干預拌砂漿，其中黃砂性能指標見表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%，透水系數達到不小于1 ×10-2cm/s。

表5 黃砂性能指標

為選擇技術經濟合適的水泥砂漿配合比，根據文獻和以往工程經驗選用三種配比進行試驗以確定最合適配比，三種配比水泥、水、石子的質量比例分別為1∶0.5∶4、1∶0.5∶5、1∶0.5∶6。

2.2 強度和透水性試驗

根據三種配比制作三個試件進行試驗，由于黃砂中細集料幾乎沒有，水泥砂漿石屑試件表現為粗糙、孔隙大等特點，對水泥砂漿封閉后進行注水試驗，測得有效孔隙率平均值為6%。按照透水水泥穩定碎石基層滲透系數試驗原理對水泥砂漿石屑試樣完成滲透系數試驗，測得水泥砂漿石屑試樣滲透系數平均值為3.86 cm/s。在水泥∶石子比例為1∶5時其滲水系數為0.45 cm/s，強度為4.5 MPa;在水泥與石子比例為1∶6 時，滲透系數為0.96 cm/s，強度為4.0 MPa。可見，在水泥用量越大的情況下其滲水效果越不明顯，在強度方面，水泥用量越大其強度就越高，可得出滲水系數和強度是反比關系。

強度和滲透系數均滿足《指南》［2］及《道路人行道設計和施工質量驗收規范》的要求。同時也滿足《公路瀝青路面施工技術規范(JTG F40—2004)》［4］中對水泥穩定集料類材料的強度要求。故根據必選關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(透水系數不小于1 ×10-2cm/s)，物理力學指標滿足中華人民共和國建材行業標準《透水磚(JC/T 945—2005)》規定，平均抗壓強度達到30 MPa，單塊最小抗壓強度不小于25 MPa。其中，透水面層的物理指標主要包括耐磨性、保水性、透水系數、抗凍性等，在《透水磚(JC/T 945—2005)》標準中對透水磚的物理性能要求見表6，并規定:當產品的邊長/厚度≥5 時，其抗折破壞荷載應不小于6000 N。

表6 透水磚的物理性能

根據對杭州周邊透水磚生產廠家多次選型試驗比較，并與透水磚廠家溝通確定了透水磚生產配合比要求，并確定透水磚厚度規格為60 mm。

3.2 強度和透水性試驗

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

根據JC/T 945—2005 中透水磚的技術要求，采用不變水頭法(即穩定水壓法)測定透水磚透水系數，室內試驗得到透水磚滲透系數為0.15 cm/s，滿足規范《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不小于0.01 cm/s的要求，從而對透水磚的大面積推廣應用奠定基礎。

4 試驗段驗證

在杭州育英路鋪筑人行道試驗段，試驗段人行道結構設計為:60 mm 厚荷蘭透水磚+30 mm M10透水水泥砂漿結合層+200 mm 5%透水水泥穩定碎石基層+100 mm 級配碎石墊層=390 mm。具體結構見圖3。

圖3 育英路人行道斷面

本試驗段施工過程中對于路基、級配碎石、水泥穩定層施工后均進行了壓實度、彎沉檢測，以驗證結構層施工質量。同時重點對水泥穩定層、找平層、透水面磚施工后進行透水性檢測，透水系數均達到了1 ×10-2cm/s。

現場透水面層滲水試驗采用1 m×1 m 的木框，作為測試時匯水面積水壩，向滲水框內注水，計算以注入的水量到水框內的水全部下滲完畢所需要的時間為標準。

式中:Cw為路面滲水系數，mL/min;

V1為第一次計時時的水量(mL)，通常為38000 mL;

V2為第二次計時時的水量(mL)，通常為水全

部滲透完畢;

t1為第一次計時的時間，s;

t2為第二次計時的時間，s。

該式計算完畢的數據再除以滲水框的面積，即為單位面積上滲水系數。

各項檢測指標見表7。

表7 試驗段結構層檢測指標

通過鋪設試驗路段，并從對試驗路段透水試驗、現場鋪筑效果和雨天透水情況來看，達到了透水人行道的相關標準。

5 結 語

現有規范對找平層透水性沒作要求，經本課題試驗研究，確定了找平層砂漿的透水性與抗壓強度的反比關系。通過實驗室試驗與試驗路段鋪筑后的檢測，對于應用在透水人行道上所選擇的水泥穩定碎石基層、找平層材料和透水磚來說，它們既能保證強度等指標，也能滿足人行道整體透水性要求，各項指標均滿足標準要求，滿足透水人行道結構層施工要求。

［1]李曉磊.透水人行道結構的研究［D］.上海:同濟大學，2008.

［2]孫中閣，張玉輕，孫榮山，等.北京市透水人行道設計施工技術指南［M］.北京:北京市路政局，2007.

［3]交通部公路科學研究所.JTJ 034—2000 公路路面基層施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［4]交通部公路科學研究所.JTG F40—2004 公路瀝青路面施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.