裝配式透水混凝土人行道構(gòu)造厚度設(shè)計(jì)研究

龔 祚，胡亞軍，黃 鑫

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的迅速加快，原有道路系統(tǒng)難以承受因人口流量爆炸式增長(zhǎng)帶來(lái)的交通負(fù)荷，導(dǎo)致城區(qū)原有道路出現(xiàn)了不同程度的損壞。由于歷史原因和地理位置等因素，道路沿線分布有大量的居民小區(qū)和商鋪，道路翻新、修復(fù)等工程施工時(shí)會(huì)對(duì)周邊地塊居民出入產(chǎn)生極大的不利影響，且由于道路規(guī)模一般較小，封閉施工時(shí)會(huì)對(duì)周邊路網(wǎng)帶來(lái)極大的交通壓力，隨之產(chǎn)生的噪聲、揚(yáng)塵、尾氣等也對(duì)周邊環(huán)境造成了極大的危害。因此裝配式技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，預(yù)制裝配式技術(shù)通過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)化流程，大大縮短了現(xiàn)場(chǎng)的施工時(shí)間，保證了施工質(zhì)量，減少了對(duì)環(huán)境的污染，已成為目前路面結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)[1]。

目前應(yīng)用預(yù)制裝配式技術(shù)的車行道路面結(jié)構(gòu)主要包括車行道路的下面層和基層，而對(duì)于城市慢行系統(tǒng)即人行道和非機(jī)動(dòng)車道的研究較少[2]。現(xiàn)有人行道面層主要以預(yù)制砌塊磚為主，包括同質(zhì)磚、燒結(jié)磚和透水磚等，這些磚耐久性較差，在人行荷載和動(dòng)水荷載作用下極易出現(xiàn)松動(dòng)、變形和殘缺。而通過(guò)工廠預(yù)制大尺寸透水混凝土人行道板且在現(xiàn)場(chǎng)施工安裝，可實(shí)現(xiàn)更快的施工速度、更好的施工質(zhì)量，與預(yù)制砌塊磚相比具有更優(yōu)異的抗滑性能和耐久性能。但是與普通混凝土相比，透水混凝土孔隙率較大，強(qiáng)度較低，為了平衡透水混凝土應(yīng)用于人行道所需的強(qiáng)度和海綿城市要求的透水性能，本文從試驗(yàn)配合比入手，對(duì)透水混凝土的物理性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并基于最優(yōu)配合比，結(jié)合暴雨強(qiáng)度和透水模型等對(duì)預(yù)制裝配式透水混凝土板用于人行道時(shí)的厚度進(jìn)行研究[3]。

1 預(yù)制裝配式透水混凝土材料基本性能

1.1 原材料

采用粉煤灰、硅粉和普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料。水泥采用海螺牌P·O32.5 和42.5R 級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥性能參數(shù)見(jiàn)表1；硅粉采用SF96 級(jí)硅粉；粉煤灰采用某電廠提供的II 級(jí)粉煤灰；砂采用細(xì)度模數(shù)為2.84 的河砂，砂的性能參數(shù)見(jiàn)表2，砂的篩分結(jié)果見(jiàn)表3；骨料選用玄武巖，其篩分結(jié)果見(jiàn)表4；外摻劑采用減水劑和減縮劑。

表1 水泥性能參數(shù)

表2 砂的性能參數(shù)

表3 砂的篩分結(jié)果分析

表4 骨料的篩分結(jié)果分析

1.2 透水混凝土制備

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)確定的4 種透水混凝土配合比如表5 所示，其中配合比B 和C 為透水混凝土的普通配合比；配合比A 通過(guò)采用較低等級(jí)的水泥標(biāo)號(hào)以降低成本；配合比D 通過(guò)改變骨料和砂的比例，來(lái)研究這種改變對(duì)透水混凝土性能的影響[4]。

表5 透水混凝土4 種配合比

1.3 透水混凝土基本性能測(cè)試

1.3.1 物理性能測(cè)試

預(yù)制裝配式透水混凝土的路用性能主要取決于混凝土的力學(xué)性能。混凝土力學(xué)性能主要包括抗壓、抗折強(qiáng)度，因此對(duì)混凝土試塊進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試。由于抗折試件為非標(biāo)準(zhǔn)試件，最終確定的透水混凝土抗折強(qiáng)度均由抗折強(qiáng)度測(cè)試值乘以換算系數(shù)0.85 得到。

透水混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 透水混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6 可知：不同配合比的透水混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度并不一致；由于配合比A 采用了32.5號(hào)水泥，因此其抗壓、抗折強(qiáng)度相對(duì)小于B、C、D 這3種配合比，而采用42.5 號(hào)水泥的B、C、D 這3 種配合比的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均滿足車行道的路用要求，且其28 d 抗折強(qiáng)度均不低于5 MPa，因此也能同時(shí)滿足人行道的性能要求。在混凝土抗壓強(qiáng)度一定的情況下，抗折強(qiáng)度越高則代表混凝土性能越好，配合比也就越優(yōu)，但同時(shí)混凝土折壓比也有合理范圍，一般為0.083～0.125，因此在選擇配合比時(shí)應(yīng)充分考慮各方面因素。

透水混凝土28 d 折壓比隨配合比類型的變化見(jiàn)圖1。

圖1 透水混凝土28 d 折壓比隨配合比類型的變化

由圖1 可知，黑線對(duì)應(yīng)合理折壓比上限0.125，配合比A 和B 超出了混凝土折壓比合理區(qū)間，而配合比C 和D 在合理區(qū)間內(nèi)，因此配合比C 和D 較A和B 更好。在實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件，在試驗(yàn)配合比的基礎(chǔ)上，結(jié)合溫度、濕度等對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整，以滿足混凝土澆筑的坍落度要求，確定最終的施工配合比。

1.3.2 透水系數(shù)測(cè)試

透水系數(shù)測(cè)定樣品制備方法如下：

使用鉆芯機(jī)對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d 的透水混凝土鉆芯取樣，然后用樹(shù)脂等密封材料涂抹于試樣的圓柱面上，其上下底面保持整潔；待密封材料凝固后，將試樣放入透水系數(shù)測(cè)定裝置。待透水系數(shù)測(cè)定裝置中的水位高度穩(wěn)定、下方水槽水流平穩(wěn)時(shí)，記錄時(shí)間T 內(nèi)流出的水量。根據(jù)透水系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算后得到：配合比C 下的透水系數(shù)為0.78 mm/s，配合比D 下的透水系數(shù)為0.79 mm/s。

1.3.3 空隙率測(cè)試

采用質(zhì)量體積法測(cè)定透水混凝土的空隙率。本研究以透水混凝土的最大理論密度近似代替透水混凝土的真密度，采用真空法測(cè)定其表觀密度和最大理論密度，最后計(jì)算透水混凝土的空隙率。按照空隙率計(jì)算公式計(jì)算后得到：配合比C 的空隙率為24.9%，配合比D 的空隙率為25.1%。

2 預(yù)制裝配式透水混凝土板用于人行道時(shí)的厚度設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)人行道設(shè)計(jì)中，以經(jīng)驗(yàn)法為主，上海市目前的大部分透水人行道構(gòu)成由下往上依次為：土基+混凝土基層（厚20 cm 透水混凝土）+ 砂找平層（厚3 cm中粗砂）+砌塊磚鋪裝層（厚6 cm）。本裝配式路面不同于常規(guī)人行道設(shè)計(jì)所采用的經(jīng)驗(yàn)法，基于降雨強(qiáng)度、蓄水模型等計(jì)算出適宜的預(yù)制裝配式透水混凝土板用于人行道時(shí)的厚度。

2.1 降雨強(qiáng)度的影響

上海市地處東經(jīng)120°52'至122°12'，北緯30°40'至31°53'，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，日照充分，雨量充沛。2013年，全市年平均氣溫17.6 ℃，日照1885.9 h，降水量1173.4 mm。全年60%以上的雨量集中在5月至9月的汛期。本文采用上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《暴雨強(qiáng)度公式與設(shè)計(jì)雨型標(biāo)準(zhǔn)》（DB 31/T—1043）中的暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算式為：

式中：q 為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）；P 為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；t 為降雨歷時(shí)，min。

由式（1）可知，可通過(guò)降雨重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)確定降雨強(qiáng)度。在《北京市透水人行道設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》(北京市路政局，2007年8月)和《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50400—2016）中，規(guī)定透水地面設(shè)施的蓄水能力不宜低于重現(xiàn)期為2 a 的降雨量，并且規(guī)定1 h 的降雨量不會(huì)使得人行道產(chǎn)生地表徑流。本文參考上述規(guī)范，由式（1）可得出設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度q=54.9 mm/h[5]。

2.2 基于透水要求的結(jié)構(gòu)層厚度計(jì)算方法

人行道基層具有一定的儲(chǔ)水能力，因此通常可將基層劃分為兩部分：一部分為飽水層，此時(shí)這部分的空隙基本被水填滿；另一部分為非飽水層，此時(shí)這部分的空隙部分被水填滿。

人行道基層蓄水結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 人行道基層蓄水結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證人行道路面的力學(xué)性能，需要控制飽水層這一部分的厚度。根據(jù)地區(qū)的降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間、所在地的土基平均透水系數(shù)、透水人行道結(jié)構(gòu)層平均有效空隙率來(lái)計(jì)算路面結(jié)構(gòu)層厚度，計(jì)算公式參照《北京市透水人行道設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》：

式中：H 為透水人行道結(jié)構(gòu)層厚度，cm；i 為地區(qū)降雨強(qiáng)度，mm/h；q' 為土基的平均透水系數(shù)；t 為降雨歷時(shí)，min；v 為透水人行道結(jié)構(gòu)層平均空隙率。

根據(jù)1.3.3 節(jié)分析可知，透水混凝土面層設(shè)計(jì)的空隙率在25%左右，而級(jí)配碎石基層的空隙率一般為35%～40%，土基的平均透水系數(shù)為1×10-4cm/s，代入式（2）后可以求得透水混凝土板的厚度取值區(qū)間為13.11～21.3 cm。

2.3 板塊厚度設(shè)計(jì)

水泥混凝土板的厚度嚴(yán)重影響預(yù)制板的承載能力，為計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)際實(shí)施的上海市虹口區(qū)松花江路人行道改造工程做出如下假設(shè)[6-7]：

（1）由于所應(yīng)用道路主要為城市道路，按中等交通荷載等級(jí)進(jìn)行計(jì)算，取結(jié)構(gòu)可靠度為1.2。

（2）人行道路面結(jié)構(gòu)為板面+碎石基層（10 cm）+土基（模量≥20 MPa）。

混凝土路面板在最大溫度梯度時(shí)產(chǎn)生的溫度疲勞應(yīng)力計(jì)算式為：

式中：σt為混凝土溫度疲勞應(yīng)力；Ec為混凝土的彎拉彈性模量，GPa；αc為混凝土的線膨脹系數(shù)，αc=1×10-5/℃；ΔT 為混凝土路面板上、下層溫度差，ΔT=Tg×h，其中h 為路面板厚，最大溫度梯度值Tg推薦取值見(jiàn)表7；μc為混凝土泊松比，μc=0.15。

表7 各公路自然區(qū)劃分最大溫度梯度取值

由于是人行道的混凝土板鋪裝，計(jì)算不同預(yù)制板厚度下路面結(jié)構(gòu)荷載臨界位置在溫度荷載作用下的疲勞應(yīng)力，再乘以可靠度，所得數(shù)值即為該混凝土板的疲勞應(yīng)力，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可見(jiàn)，當(dāng)預(yù)制板厚度大于15 cm 時(shí)，預(yù)制板在臨界位置荷載、溫度荷載作用下的疲勞應(yīng)力小于透水混凝土抗彎拉強(qiáng)度（4 MPa）；同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)透水性的要求，預(yù)制板厚度取值須為13.11～21.3 cm，所以最終計(jì)算得到預(yù)制透水混凝土板厚度為15 cm。

圖3 板塊厚度與臨界位置荷載和溫度荷載作用下的疲勞應(yīng)力之關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

（1）工程應(yīng)用中推薦采用配合比C 和D，其透水性能和混凝土強(qiáng)度均能滿足使用要求。

（2）根據(jù)上海市的降雨強(qiáng)度，確定了人行道結(jié)構(gòu)層厚度的計(jì)算方法，得出預(yù)制裝配式透水混凝土面板厚度的取值區(qū)間為13.11～21.3 cm。

（3）根據(jù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求以及透水性要求，推薦上海地區(qū)預(yù)制透水混凝土板用于人行道時(shí)的厚度按15 cm 設(shè)計(jì)。