裝配式透水混凝土人行道構造厚度設計研究

龔 祚，胡亞軍，黃 鑫

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著我國城市化進程的迅速加快，原有道路系統難以承受因人口流量爆炸式增長帶來的交通負荷，導致城區原有道路出現了不同程度的損壞。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和商鋪，道路翻新、修復等工程施工時會對周邊地塊居民出入產生極大的不利影響，且由于道路規模一般較小，封閉施工時會對周邊路網帶來極大的交通壓力，隨之產生的噪聲、揚塵、尾氣等也對周邊環境造成了極大的危害。因此裝配式技術應運而生，預制裝配式技術通過一系列標準化流程，大大縮短了現場的施工時間，保證了施工質量，減少了對環境的污染，已成為目前路面結構研究的熱點[1]。

目前應用預制裝配式技術的車行道路面結構主要包括車行道路的下面層和基層，而對于城市慢行系統即人行道和非機動車道的研究較少[2]?，F有人行道面層主要以預制砌塊磚為主，包括同質磚、燒結磚和透水磚等，這些磚耐久性較差，在人行荷載和動水荷載作用下極易出現松動、變形和殘缺。而通過工廠預制大尺寸透水混凝土人行道板且在現場施工安裝，可實現更快的施工速度、更好的施工質量，與預制砌塊磚相比具有更優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，強度較低，為了平衡透水混凝土應用于人行道所需的強度和海綿城市要求的透水性能，本文從試驗配合比入手，對透水混凝土的物理性能進行分析評價，并基于最優配合比，結合暴雨強度和透水模型等對預制裝配式透水混凝土板用于人行道時的厚度進行研究[3]。

1 預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 級普通硅酸鹽水泥，水泥性能參數見表1；硅粉采用SF96 級硅粉；粉煤灰采用某電廠提供的II 級粉煤灰；砂采用細度模數為2.84 的河砂，砂的性能參數見表2，砂的篩分結果見表3；骨料選用玄武巖，其篩分結果見表4；外摻劑采用減水劑和減縮劑。

表1 水泥性能參數

表2 砂的性能參數

表3 砂的篩分結果分析

表4 骨料的篩分結果分析

1.2 透水混凝土制備

根據以往經驗確定的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 通過采用較低等級的水泥標號以降低成本；配合比D 通過改變骨料和砂的比例，來研究這種改變對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試

1.3.1 物理性能測試

預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性能?；炷亮W性能主要包括抗壓、抗折強度，因此對混凝土試塊進行抗壓、抗折強度測試。由于抗折試件為非標準試件，最終確定的透水混凝土抗折強度均由抗折強度測試值乘以換算系數0.85 得到。

透水混凝土力學性能試驗結果見表6。

表6 透水混凝土力學性能試驗結果

由表6 可知：不同配合比的透水混凝土抗壓強度和抗折強度并不一致；由于配合比A 采用了32.5號水泥，因此其抗壓、抗折強度相對小于B、C、D 這3種配合比，而采用42.5 號水泥的B、C、D 這3 種配合比的抗壓強度、抗折強度均滿足車行道的路用要求，且其28 d 抗折強度均不低于5 MPa，因此也能同時滿足人行道的性能要求。在混凝土抗壓強度一定的情況下，抗折強度越高則代表混凝土性能越好，配合比也就越優，但同時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應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，黑線對應合理折壓比上限0.125，配合比A 和B 超出了混凝土折壓比合理區間，而配合比C 和D 在合理區間內，因此配合比C 和D 較A和B 更好。在實際施工時，應當根據當地的氣溫條件，在試驗配合比的基礎上，結合溫度、濕度等對配合比進行調整，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 透水系數測試

透水系數測定樣品制備方法如下：

使用鉆芯機對養護28 d 的透水混凝土鉆芯取樣，然后用樹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測定裝置。待透水系數測定裝置中的水位高度穩定、下方水槽水流平穩時，記錄時間T 內流出的水量。根據透水系數計算公式計算后得到：配合比C 下的透水系數為0.78 mm/s，配合比D 下的透水系數為0.79 mm/s。

1.3.3 空隙率測試

采用質量體積法測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，采用真空法測定其表觀密度和最大理論密度，最后計算透水混凝土的空隙率。按照空隙率計算公式計算后得到：配合比C 的空隙率為24.9%，配合比D 的空隙率為25.1%。

2 預制裝配式透水混凝土板用于人行道時的厚度設計

在傳統人行道設計中，以經驗法為主，上海市目前的大部分透水人行道構成由下往上依次為：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人行道設計所采用的經驗法，基于降雨強度、蓄水模型等計算出適宜的預制裝配式透水混凝土板用于人行道時的厚度。

2.1 降雨強度的影響

上海市地處東經120°52'至122°12'，北緯30°40'至31°53'，屬亞熱帶季風性氣候，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準《暴雨強度公式與設計雨型標準》（DB 31/T—1043）中的暴雨強度公式進行計算，其計算式為：

式中：q 為設計降雨強度，L/（s·hm2）；P 為設計降雨重現期，a；t 為降雨歷時，min。

由式（1）可知，可通過降雨重現期和降雨歷時確定降雨強度。在《北京市透水人行道設計施工技術指南》(北京市路政局，2007年8月)和《建筑與小區雨水控制及利用工程技術規范》（GB 50400—2016）中，規定透水地面設施的蓄水能力不宜低于重現期為2 a 的降雨量，并且規定1 h 的降雨量不會使得人行道產生地表徑流。本文參考上述規范，由式（1）可得出設計降雨強度q=54.9 mm/h[5]。

2.2 基于透水要求的結構層厚度計算方法

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

人行道基層蓄水結構示意圖見圖2。

圖2 人行道基層蓄水結構示意圖

為了保證人行道路面的力學性能，需要控制飽水層這一部分的厚度。根據地區的降雨強度、降雨持續時間、所在地的土基平均透水系數、透水人行道結構層平均有效空隙率來計算路面結構層厚度，計算公式參照《北京市透水人行道設計施工技術指南》：

式中：H 為透水人行道結構層厚度，cm；i 為地區降雨強度，mm/h；q' 為土基的平均透水系數；t 為降雨歷時，min；v 為透水人行道結構層平均空隙率。

根據1.3.3 節分析可知，透水混凝土面層設計的空隙率在25%左右，而級配碎石基層的空隙率一般為35%～40%，土基的平均透水系數為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間為13.11～21.3 cm。

2.3 板塊厚度設計

水泥混凝土板的厚度嚴重影響預制板的承載能力，為計算結構強度，根據實際實施的上海市虹口區松花江路人行道改造工程做出如下假設[6-7]：

（1）由于所應用道路主要為城市道路，按中等交通荷載等級進行計算，取結構可靠度為1.2。

（2）人行道路面結構為板面+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產生的溫度疲勞應力計算式為：

式中：σt為混凝土溫度疲勞應力；Ec為混凝土的彎拉彈性模量，GPa；αc為混凝土的線膨脹系數，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推薦取值見表7；μc為混凝土泊松比，μc=0.15。

表7 各公路自然區劃分最大溫度梯度取值

由于是人行道的混凝土板鋪裝，計算不同預制板厚度下路面結構荷載臨界位置在溫度荷載作用下的疲勞應力，再乘以可靠度，所得數值即為該混凝土板的疲勞應力，結果如圖3 所示。

由圖3 可見，當預制板厚度大于15 cm 時，預制板在臨界位置荷載、溫度荷載作用下的疲勞應力小于透水混凝土抗彎拉強度（4 MPa）；同時根據結構對透水性的要求，預制板厚度取值須為13.11～21.3 cm，所以最終計算得到預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力之關系

3 結語

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

（2）根據上海市的降雨強度，確定了人行道結構層厚度的計算方法，得出預制裝配式透水混凝土面板厚度的取值區間為13.11～21.3 cm。

（3）根據結構的強度要求以及透水性要求，推薦上海地區預制透水混凝土板用于人行道時的厚度按15 cm 設計。