透水人行道结构层设计和应用

钱卫明，王金昌，王伟栋，黄永明

QIAN Weiming1，WANG Jinchang2，WANG Weidong3，HUANG Yongming1

(1.浙江南兴建设工程检测有限公司，浙江杭州310005;2.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州310012;3.杭州市路桥集团有限公司，浙江 杭州310006)

透水人行道具有吸收雨水的能力，这样既能改变气候和防止内涝，又能解决不透水结构人行道容易产生道板翘曲和松动、雨后路面积水和道板的唧泥等严重影响人行道使用性能的问题。随着人们对人行道功能要求越来越高，对透水人行道开展研究变得越来越重要，本文通过试验设计出水泥稳定碎石基层和找平层配合比，进行强度和渗水试验并通过试验段的铺设，确定了满足强度和透水性要求的透水水泥稳定碎石基层、找平层和透水砖。

1 水泥稳定碎石设计

1.1 材料选型

透水人行道水泥稳定碎石基层原材料品质选择至关重要，水泥稳定碎石渗水层的混合料结构类型为骨架空隙结构，这就要求作为形成骨架的碎石应具有较好的性能。粗集料应使用质地坚硬、耐久、洁净、无风化、无杂质和无有害物质的碎石，其压碎值不宜超过35%、针片状不大于15%、含泥量(水洗＜0.075 ram 含量)应小于1%。细集料可选用质地坚硬、耐久、洁净的天然砂、石屑或机制砂，含泥量(水洗＜0.075 ram 含量)应小于3%。

水泥是水泥稳定碎石中决定混合料强度的重要因素，水泥应采用325 或425 等级的普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，质量符合现行国家标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥(GB 175—2007)》和《矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥(GB 1344—1999)》的要求。由于混合料的空隙较大导致强度较一般密实混合料有所下降，因此在条件允许的前提下宜选择较大标号的水泥。

由于现场施工从拌和到压实需经历较长时间，因此，一般尽量选用凝结时间较长的水泥，以减小对混合料性能的影响，一般要求初凝时间大于3 h，终凝时间大于6 h，必要时可适当掺入缓凝剂来延缓水泥的凝结时间，其掺量视具体工程情况及试验确定。

混合料的拌制和压实均需要有适当的水分，以满足水泥的水化和施工的和易性，人和牲畜能饮用的水源均可使用。

1.2 配合比设计

透水水泥稳定碎石基层采用开级配，结构强度主要是粗集料之间的嵌挤作用和水泥浆的粘结力，在满足强度的基础上，应尽可能拥有较大的孔隙率，孔隙率越大，排水性能也越好。根据排水性能要求和国内外经验，混合料的孔隙率应控制在15%～25%之间，但较大的孔隙率会使材料强度逐渐减小，因此需要保证透水水泥稳定碎石的力学强度与孔隙率都达到理想水平。为了达到尽可能大的透水能力，集料中应不含或只含有少量的细集料。

李晓磊在《透水人行道结构的研究》［1］及孙中阁等在《北京市透水人行道设计施工技术指南》［2］(以下简称《指南》)分别给出了透水水泥稳定碎石的建议级配，见表1 和图1。

表1 透水水泥稳定碎石建议级配

图1 透水水泥稳定碎石建议级配

为了评价不同骨料级配下透水水泥稳定碎石基层的材料性能，分别选择北京规范级配和同济级配进行对比分析，不同透水水泥稳定碎石级配组成见图2。水泥稳定碎石基层试验级配Ⅰ水泥含量为5.5%(每立方米用量:水泥121 kg、水92 kg、碎石1900 kg)，试验级配Ⅱ水泥含量为7%。

1.3 强度和透水性试验

1.3.1 强度试验 无侧限抗压强度是评价水泥稳定碎石混合料路用性能的重要指标。参考现行《公路路面基层施工技术规范(JTJ 034—2000)》［3］中，对水泥稳定类基层应用于二级及以下公路时，7 d 无侧限抗压强度规定为2.5～3.0 MPa。

图2 不同透水水泥稳定碎石级配组成

试件成型后，经标准养护室养护7 d，测定两组级配曲线对应下的7 d 无侧限抗压强度，结果见表2。从表2 中可以看出试验级配Ⅰ和试验级配Ⅱ下7 d 无侧限抗压强度分别为3.4、6.2 MPa，均大于《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》［4］中对水泥稳定集料类基层的强度要求。说明随着水泥含量的增加，透水水泥稳定碎石基层的7 d 无侧限抗压强度呈逐渐增加的趋势，但是试验级配Ⅱ的7 d 无侧限抗压强度约为试验级配Ⅰ的2 倍，从另外一方面说明级配组成对水泥稳定碎石基层的抗压强度存在较大的影响。对比不同透水水泥稳定碎石级配，9.5～19 mm 范围内级配曲线越陡，级配分布均匀，大小骨料可以相互嵌挤，在水泥浆的粘结作用下，表现出抗压强度较大。

表2 7d 无侧限抗压强度

因两个级配成型的试件7 d 无侧限抗压强度均能满足强度要求，但从成本控制的角度建议选择试验级配Ⅰ进行渗透试验。

1.3.2 透水性试验 采用浸水天平进行室内有效孔隙率的测定，通过对试验级配Ⅰ下混合料成型试件进行标准养生7 d 后进行有效孔隙率试验，测试结果见表3。采用公式计算得到水泥稳定碎石试件的孔隙率结果见表3，孔隙率在11%～24%之间，平均值为17%。孔隙率平均值17%满足《指南》［2］中对水泥稳定碎石透水基层有效孔隙率不小于15%的要求。

表3 试件有效孔隙率

根据《指南》［2］对透水基层的要求，建议透水基层渗透系数不得小于0.10 cm/s。室内渗透试验结果见表4，渗透系数平均值为0. 106 cm/s，满足0.01 cm/s要求。

表4 渗透系数试验结果

水泥稳定碎石基层试验级配水泥含量为5.5%(每立方米用量:水泥121 kg、水92 kg、碎石1900 kg)满足要求，本试验段采用上述级配施工。

2 找平层设计

2.1 找平层配比设计

找平层在透水人行道路面结构中起着整平、为面层形成紧密嵌锁的作用，作为面层与基层之间的过渡层，必须保证一定的渗透系数，从而保证面层渗入的雨水能快速输送到基层。找平层选用水泥砂浆，找平层砂浆采用M10 干硬性砂浆，要求采用干预拌砂浆，其中黄砂性能指标见表5。砂浆配合比采取定制(采用的水泥为425#普通硅酸盐水泥)，所用黄砂采取过筛的方法控制细颗粒含量(黄砂粒径为3～5 mm)，要求砂浆孔隙率不小于10%，透水系数达到不小于1 ×10-2cm/s。

表5 黄砂性能指标

为选择技术经济合适的水泥砂浆配合比，根据文献和以往工程经验选用三种配比进行试验以确定最合适配比，三种配比水泥、水、石子的质量比例分别为1∶0.5∶4、1∶0.5∶5、1∶0.5∶6。

2.2 强度和透水性试验

根据三种配比制作三个试件进行试验，由于黄砂中细集料几乎没有，水泥砂浆石屑试件表现为粗糙、孔隙大等特点，对水泥砂浆封闭后进行注水试验，测得有效孔隙率平均值为6%。按照透水水泥稳定碎石基层渗透系数试验原理对水泥砂浆石屑试样完成渗透系数试验，测得水泥砂浆石屑试样渗透系数平均值为3.86 cm/s。在水泥∶石子比例为1∶5时其渗水系数为0.45 cm/s，强度为4.5 MPa;在水泥与石子比例为1∶6 时，渗透系数为0.96 cm/s，强度为4.0 MPa。可见，在水泥用量越大的情况下其渗水效果越不明显，在强度方面，水泥用量越大其强度就越高，可得出渗水系数和强度是反比关系。

强度和渗透系数均满足《指南》［2］及《道路人行道设计和施工质量验收规范》的要求。同时也满足《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》［4］中对水泥稳定集料类材料的强度要求。故根据必选关于找平层的水泥与石子配比建议取值范围为1∶5～1∶6 左右。

3 透水砖选择

3.1 透水砖性能要求

为达到透水人行道整体透水效果，选择了透水性能良好(透水系数不小于1 ×10-2cm/s)，物理力学指标满足中华人民共和国建材行业标准《透水砖(JC/T 945—2005)》规定，平均抗压强度达到30 MPa，单块最小抗压强度不小于25 MPa。其中，透水面层的物理指标主要包括耐磨性、保水性、透水系数、抗冻性等，在《透水砖(JC/T 945—2005)》标准中对透水砖的物理性能要求见表6，并规定:当产品的边长/厚度≥5 时，其抗折破坏荷载应不小于6000 N。

表6 透水砖的物理性能

根据对杭州周边透水砖生产厂家多次选型试验比较，并与透水砖厂家沟通确定了透水砖生产配合比要求，并确定透水砖厚度规格为60 mm。

3.2 强度和透水性试验

对透水砖进行三点弯试验，测定透水砖的弹性模量，通过试验计算得到透水砖弹性模量E=1080 MPa，其抗压强度大于30 MPa，满足《透水砖(JC/T 945—2005)》要求。

根据JC/T 945—2005 中透水砖的技术要求，采用不变水头法(即稳定水压法)测定透水砖透水系数，室内试验得到透水砖渗透系数为0.15 cm/s，满足规范《指南》(北京市政局，2007)［2］及《透水砖(JC/T 945—2005)》中对透水砖渗透系数不小于0.01 cm/s的要求，从而对透水砖的大面积推广应用奠定基础。

4 试验段验证

在杭州育英路铺筑人行道试验段，试验段人行道结构设计为:60 mm 厚荷兰透水砖+30 mm M10透水水泥砂浆结合层+200 mm 5%透水水泥稳定碎石基层+100 mm 级配碎石垫层=390 mm。具体结构见图3。

图3 育英路人行道断面

本试验段施工过程中对于路基、级配碎石、水泥稳定层施工后均进行了压实度、弯沉检测，以验证结构层施工质量。同时重点对水泥稳定层、找平层、透水面砖施工后进行透水性检测，透水系数均达到了1 ×10-2cm/s。

现场透水面层渗水试验采用1 m×1 m 的木框，作为测试时汇水面积水坝，向渗水框内注水，计算以注入的水量到水框内的水全部下渗完毕所需要的时间为标准。

式中:Cw为路面渗水系数，mL/min;

V1为第一次计时时的水量(mL)，通常为38000 mL;

V2为第二次计时时的水量(mL)，通常为水全

部渗透完毕;

t1为第一次计时的时间，s;

t2为第二次计时的时间，s。

该式计算完毕的数据再除以渗水框的面积，即为单位面积上渗水系数。

各项检测指标见表7。

表7 试验段结构层检测指标

通过铺设试验路段，并从对试验路段透水试验、现场铺筑效果和雨天透水情况来看，达到了透水人行道的相关标准。

5 结 语

现有规范对找平层透水性没作要求，经本课题试验研究，确定了找平层砂浆的透水性与抗压强度的反比关系。通过实验室试验与试验路段铺筑后的检测，对于应用在透水人行道上所选择的水泥稳定碎石基层、找平层材料和透水砖来说，它们既能保证强度等指标，也能满足人行道整体透水性要求，各项指标均满足标准要求，满足透水人行道结构层施工要求。

［1]李晓磊.透水人行道结构的研究［D］.上海:同济大学，2008.

［2]孙中阁，张玉轻，孙荣山，等.北京市透水人行道设计施工技术指南［M］.北京:北京市路政局，2007.

［3]交通部公路科学研究所.JTJ 034—2000 公路路面基层施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［4]交通部公路科学研究所.JTG F40—2004 公路沥青路面施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.