透水路面渗水系数测试方法比较研究

张　逆

(贵州省交通科学研究院股份有限公司， 贵阳　550008)



透水路面渗水系数测试方法比较研究

张逆

(贵州省交通科学研究院股份有限公司， 贵阳550008)

摘要：采用现场渗透仪、单环渗透仪与双环渗透仪3种设备对透水再生混凝土、天然级配碎石、钢渣再生粒料3组试件进行定水头与变水头的透水试验，以分析比较3种渗水系数试验方法的适用性与差异性。试验结果表明：透水再生混凝土的渗透性优于天然级配碎石及钢渣再生粒料；现场渗透仪法(对照组)与单环渗透仪试验法(控制组)所测渗水系数较为接近，可用于测定透水路面的渗水系数，但单环渗透仪试验法具有“尺寸效应”，测定渗水系数时应给予足够重视。

关键词：道路工程；透水性路面；透水试验；渗水系数

透水路面是将透水性良好、孔隙率高的材料运用于面层与基层，使雨水通过人工铺筑的多孔隙路面直接渗入路基土壤，具有让水还原于地下的功能[1-3]。其应用于公路上，除具有减少表面径流及保水功能外，还可减小城市热岛效应的影响。透水路面的材料主要有透水砖、植草砖、透水水泥混凝土及透水沥青混凝土等，其结构较传统路面的承载强度低且孔隙大，在配合比设计时不仅要考虑力学性能，还需重点验证其透水性能，而渗水系数是判定透水性能最直接有效的指标。对于透水路面现场透水系数的测定，国内目前尚无试验规范可依据，通常参考日本道路协会《铺装试验法便览》中的现场透水量试验方法，但有时也采用单环或双环变水头试验法。

本文采用定水头和变水头2种给水方式，用现场渗透仪、单环渗透仪和双环渗透仪分别进行了透水再生混凝土、天然级配碎石和钢渣再生粒料3种材料的渗透试验，并依达西定律及质量守恒定律求得了3种材料的渗水系数。

1试验原理

渗水系数是衡量材料透水性能的重要指标。在土力学中，通常采用定水头和变水头2种方法测定土壤的渗水系数，前者适用于高透水性的土壤(渗水系数大于10-4cm/s)，后者则适用于低透水性土壤(渗水系数小于10-4cm/s)[4]。

1.1定水头与变水头试验

根据试验时的供水水头变化，可将渗透试验分为定水头与变水头2类，并分别以达西定律与质量守恒定律为渗水系数的计算基准。定水头透水试验基于以下原理：当流体流经多孔隙物质时，水体流速与水头损失成正比且与流经距离成反比，即

(1)

移项处理得

(2)

式中：K为渗水系数，cm·s-1；Q为渗流量，cm3；A为试件断面面积，cm2；i为水力坡降；L为水流流经试件的长度，cm；h为水头差，cm；t为试验持续时间，s。

变水头透水试验基于质量守恒定律，即

(3)

式中：V为供水体积，cm3。

1.2现场渗透仪试验法

现场渗透仪试验方法源自日本。日本道路协会《排水性铺装技术指针》规定[5]，路面透水试验须采用现场渗透仪进行。该方法通过质量守恒定律计算渗水系数，据此评估路面的透水性能。现场渗透仪如图1所示。

图1　现场渗透仪

试验步骤如下。

1) 渗透仪外部用油性粘土包裹，并在底板上放置圆型金属环以增加重量，避免水从缝隙中渗出。

2) 在圆筒100 mL处标记X1，由X1至500 mL处标记X2，并将水注入圆筒。开始试验时，迅速将阀门全部开启，使用码表量测X1至X2的时间并将其记录为T1、T2。重复步骤2)共计3次，每次间隔约1 min，完成后取3次平均时间并纪录为T。

综上所述，可以得出透水量的计算公式：透水量(mL/15 s)=400 mL/T×15。

1.3单环渗透试验法[6]

单环渗透试验法ASTM-C1701方法是源自美国材料试验协会(ASTM)的一种方法。单环渗透试验使用管径30 cm的钢、铝或PVC等圆筒材料，设备规格如图2所示，试验步骤如下。

图2　单环渗透仪

1) 在单环渗透仪外部与路面接触处用油性粘土密封，以防止漏水。在由桶底起算1 cm及1.5 cm处分别标记。

2) 将3.6 kg水以一定速率倒入环内，并维持水头高在1～1.5 cm之间。从水倒入试件起开始计时，测试30 s内水可否完全渗入试件内。如果30 s内水渗入试件内，则采用18 kg的水量进行试验；否则采用3.6 kg的水量进行试验。

3) 记录使用水的质量M和所经过的时间t，并利用以下公式计算渗水系数：

(4)

式中：I为常数4 586 666 000；D为环内径，mm。

1.4双环渗透仪试验法[7]

双环渗透试验ASTM-D3385方法是源自美国材料试验协会(ASTM)的一种方法[7]。试验设备如图3所示，试验步骤如下。

图3　双环渗透仪

1) 内环底部与路面接触部位用粘土密封，以确保试验过程中可以保持一定水头高而不外漏，内圈装满5 cm高的水进行测试；外环底部密封方式与内圈相同，环底用粘土密封，并确保不漏水。

2) 试验时，内圈和外圈水位保持在12.5～17.5 cm之间，并使用固定水压。试验过程中如果水位上涨，则控制进水最大流量不超过25 gal/h。

3) 每隔5 min纪录1次内、外圈水位及时间，每次测试约需30～45 min，以确定路表渗水系数。

2试验方法

成型3种不同材料的透水路面试件，表面层均采用5 cm厚的透水水泥混凝土，基层分别采用40 cm厚透水再生混凝土、天然级配碎石、钢(底)渣再生粒料。分别采用日本道路协会现场渗透仪(定水头与变水头透水)试验、ASTM-C1701的单环渗透仪透水试验与ASTM-D3385的双环渗透仪进行透水试验，对3种不同透水材料试件的渗水系数进行测定。

2.1现场渗透仪透水试验

2.1.1定水头透水试验

将现场渗透仪改装成定水头型式，试验过程中，渗透仪圆桶上、下游水头差保持固定不变，量测水流流经试件10 min的渗流量Q，并根据达西定律计算各试件的渗水系数。

2.1.2变水头透水试验

利用现场渗透仪以变水头方式进行试验。渗透仪圆桶内放入定量的水，试验过程中，上、下游水头差随着水流出试样而递减，量测渗流所需时间t，并依据质量守恒原理计算各试件的渗水系数。

2.2单环渗透仪透水试验

为了解单环渗透仪内径尺寸对渗水系数的影响，采用高10 cm、管壁厚0.5～1 cm，内部直径D分别为11、15及30 cm的PVC管，并依据单环渗透仪透水试验方法进行透水试验，步骤如下。

1) 将18 kg水以一定速度倒入环内，并保持水头在1～1.5 cm之间，至水完全渗入试件为止。

2) 记录量测期间所需时间t，并按公式(4)计算各试件的渗水系数。

2.3双环渗透仪透水试验

双环渗透仪透水试验可分析单环渗透仪侧向渗流对渗水系数的影响。采用高30 cm，内径11及15 cm，外径30 cm的PVC管组成的双环渗透仪，并依据ASTM-D3385试验方法进行透水试验，步骤如下。

1) 控制外环持续进水，内、外环水头高分别维持在1～1.5、1.5～5 cm，以抑制内环下方水的横向扩散，至内环水完全渗入试件为止。

2) 记录量测期间所需时间t，并按公式(3)计算各试件的渗水系数。

3试验结果与分析

对透水再生混凝土(试件A)、天然级配碎石(试件B)、钢渣再生粒料(试件C)的透水性能进行测定，水头高介于1～1.5 cm。采用现场渗透仪(定水头及变水头)，直径D11、D15及D30的单环渗透仪，直径D11及D15的单环和双环渗透仪等共计9种不同检测法所得渗水系数为对照组，以水头高度5 cm的D30单环渗透试验结果为控制组，每组试验所测得的时间分别记为T11、T15、T30，渗水系数分别记为K11、K15、K30，试验结果见表1～5和图4～9。

表1　现场渗透仪定水头试验结果(定水头Kh=QL/hAt)

表2　现场渗透仪变水头试验结果(变水头Kf=V/At1)

表3　单环渗透仪水头高1～1.5 cm的试验结果

图4　现场渗透仪与单环渗透仪试验结果比较

图5　不同内径单环渗水仪试验结果比较

图6　对照组与控制组K30试验结果比较

试件I/109M/kgT/s单环渗透仪T11T15双环渗透仪T11'T15'K/(cm·s-1)单环渗透仪K11K15双环渗透仪K11'K15'A4.581882.8060.8484.9660.972.301.672.231.67B4.581885.0752.8484.3555.952.231.932.251.82C4.581881.9064.085.2256.972.311.592.221.79

表5　单环渗透仪水头高5 cm的试验结果

图7　单(双)环对照组与控制组K30试验结果比较

图8　单环不同水头高对照组试验结果比较

图9　所有对照组与控制组试验结果比较

3.1不同检测方法渗水系数差异性分析

从表1和表2可以看出，现场渗透仪定水头检测法所得渗水系数Kh为控制组K30的61%～65%，变水头检测法所得的渗水系数Kf为控制组K30的52%～60%，现场渗透仪试验法对照组Kh及Kf差值在5%～14%之间。从图7可以看出，单环及双环透水试验法测得的K11约为K30的2倍；K15约为K30的1.5倍，且管径越小渗水系数越高。从图8可以看出，当水头高由1～1.5 cm提高到5 cm时(水压增加)，K11、K15及K30均有大幅提升，且管径越小渗水系数越高。

试验结果表明，不论采用何种渗水试验法，水压越高或试验仪器管径越小，所测得的渗透系数就越大，表明渗透试验存在明显的尺寸效应。综合全部试验结果发现，采用现场渗透仪试验法测得的Kh及Kf较接近K30，且试验操作过程最易控制，故利用现场渗透仪法测定透水路面的渗透系数是可行的。

3.2路面材料组合对透水性能的影响

从表1～5可以看出，单环渗透试验法得到的K30、现场渗透仪定水头试验法得到的Kh、双环渗透试验得到的K15及水头高5 cm的单环K30，皆呈现

试件B>试件C>试件A的现象，且采用上述方法测得的3种材料的K值相近；采用现场渗透仪变水头试验法测得的3种材料的Kf几乎相同。

总体而言，试件B(天然级配碎石)的渗透性最佳。分析原因，有可能是天然级配碎石无结合料，故透水性最佳；在水压较高的情况下，试件C(再生钢渣粒料)渗透性最好，其原因可能是试件底部钢渣粒料具有多孔隙特性，当水分进出粒料空隙时，其受到压力作用而加速渗出。

4结论

1) 采用现场渗透仪测定路面渗水系数是目前规范规定的检测方法，试验仪器携带方便，操作容易，根据能量守恒定律换算的渗水系数与ASTM-C1701单环渗透仪试验法所得结果相近，故以其测定路面渗透系数是可行的。ASTM-C1701单环渗透仪试验法使用的设备简便且成本低廉，也可用于测定透水路面的渗水系数。

2) 就材料组合而言，试件B(天然级配碎石)渗透性最好，原因可能是天然级配碎石没有胶结料，内部粒料间空隙较多。当水压较高时，试件C(钢渣再生粒料)渗透性最高，原因可能是试件底部钢渣粒料具有多孔隙特性，当水分进出粒料空隙时，水受到压力作用而加速渗出。

3) 水压越高或试验仪器管径越小，所得透水路面的渗水系数越大。ASTM-C1701单环渗透仪试验法存在明显的“尺寸效应”，试验时应予以注意。

参 考 文 献

[1]王琼,严捍东.建筑垃圾再生骨料透水性混凝土试验研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2004，27(6)：682-686.

[2]MONTES F. Pervious concrete：Characterization of Fundamental Properties and Simulation of Microstructure[D].South Carolina：University of South Carolina，2006.

[3]邱树恒，廖秀华，李子成，等.透水性混凝土成型工艺的研究[J].新型建筑材料，2006(7)：14-16.

[4]胥吉，李平基，王慧斌.聚合物改性透水混凝土工作性研究[J].公路交通技术，2012(2)：17-19.

[5]TENNIS P D，LEMING M L，AKERS D J. Pervious Concrete Pavements[C]//EB302 Portland Cement Association Skokie Illinois and National Ready Mixed Concrete Association.Illinois：Silver Spring，2004.

[6]杨久俊，严亮，韩静宜.植生性再生混凝土的制备及研究[J].混凝土，2009(9)：119-122.

[7]SCHAEFER V R，WANG K，SULEIMAN M T，et al. Mix Design Development for Pervious Concrete in Cold Weather Climates. Final Report[C]//National Concrete Pavement Technology Center. Ames：Iowa State University，2006.

[8]NADER G，SHIVAJI D. Development of no-fines Concrete Pavement Applications[J]. J Transport Eng，1995，121(3)：283-288.

Comparison and Study on Test Methods for Water Permeability Coefficients of Permeable Pavement

ZHANG Ni

Abstract:This paper carries out water permeability tests at constant and variable water heads for 3 groups of test samples of permeable regenerative concrete, natural grading gravel and steel slag regenerative aggregates by means of field infiltrometer, single-ring infiltrometer and double-ring infiltrometer to analyze and compare applicability and difference of 3 test methods of water permeability coefficients. The test results show that the permeability of permeable regenerative concrete is superior to natural grading gravel and steel slag regenerative aggregates; the water permeability coefficients measured in field infiltrometer method (comparison group) and single-ring infiltrometer method (control group) are close to each other and can be used to determine water permeability coefficients of permeable pavement, but the test method with single-ring infiltrometer exhibits “size effect” and shall be sufficiently emphasized during determination of water permeability coefficients.

Keywords:road project; permeable pavement; water permeability test; water permeability coefficient

文章编号：1009-6477(2016)01-0006-05

中图分类号：U416.2

文献标识码：A

作者简介：张逆(1971-)，男，贵州省黔西县人，硕士，高工。

收稿日期：2015-07-21

基金项目：交通运输部西部建设科技项目(2014 318 J15 070)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.002