海绵城市理念下的透水性道路基层结构研究

杨柳青

(河南恒通工程监理咨询有限公司，河南 平顶山 467000)

1 水泥稳定碎石作为透水基层

透水性道路对雨水的处置，应采取以下措施：当遭遇强降雨时，要考虑排水系统的配套辅助系统；当降雨量适中时，还要考虑透水性道路自身的下渗结构是否能消化掉降雨量。若遇普通降雨转至强降雨，则透水性道路的排水系统可将多余的雨水排入收集池。透水性道路有较好的社会价值，能有效减缓地下水位的下降；收集到的雨水，可浇花草，改善空气质量。透水性道路总的造价成本与普通道路相差不大，却拥有生态价值优势。

1.1 透水性水泥稳定碎石材料组成设计

透水性水泥稳定碎石首先应具备透水性和足够的强度，以此设计原料构造，由于透水性水泥稳定碎石材料比一般材料的空隙率大，所以要控制好空隙率，不然强度会下落。材料组成设计主要是找到有利于透水的矿料级配和具备一定强度等级的水泥，利用实验室做渗透性和抗压强度试验，从中选择最佳配合比。

1.2 设计指标

透水性水泥稳定碎石组成，在设计时必须满足透水性强度的要求，即满足透水性的空隙率和渗透系数表征。在实验室的条件下，无侧限抗压强度养护7 d的指标最小值为16.95%。施工中拌和后的水泥浆在其表面覆盖一层水泥浆体增加了粒径，而其性质一样，重正化群理论分析同样适用于排水基层，基层的空隙率也不小于16.95%。

1.3 原材料技术指标

水泥在水泥稳定碎石混合料中的作用就好比汽油与车的关系，水泥的灰号直接影响其强度变化，水泥的用量还对水泥稳定碎石稳定性有影响，还有水泥的初凝时间也要考虑，这些因素影响到混凝土的品质，此外，从拌合站到施工现场还需要一定的时间，这些都要考虑。为进一步测试水泥碎石的透水性能，本次试验采用平顶山某品牌的普通硅酸盐478水泥，各项指标见表1。

表1 水泥各项指标

集料在水泥稳定碎石混合料中是骨架作用。粗集料的挑选也有严格的规定，首先是质地强硬、干净、无杂质和不含有害物质的碎石，其次还要考虑最大粒径≤26.5 mm不然容易产生离析，粗集料要符合表2中的规定。

表2 粗集料技术要求

2 透水性道路结构组成

正常的透水性道路结构层包含面层、下层和垫层。如果面层采用的是砖铺路面，则还需要在面层和基层设置一个2～3 cm的找平层。

2.1 透水性道路面层

透水性道路面层主要有两类：(1)跟普通的道路一样，采用透水性水泥混凝土或者透水性沥青混合料，但缺点突出，一是面层容易被杂质堵住，一是渗透系数太小了跟普通的路面就一样了；(2)预制的透水性道路面砖。透水性水泥混凝土在选择集料时一般采取的是开级配，即两头占的比重很大，主要是粗骨料占的权重相当大，主要是为透水性人行道提供足够的孔隙率，使其快速下渗到基层。使用预制砖的另一优点是施工速度快，工期短，开放交通快，强度也足够高，储存的强度也足够大，也考虑了将来外部荷载增加的因素。

在材料上，修筑透水性路面，要制作透水的砖。透水性砖首先应具备透水能力较强的特点，雨水可以直接通过砖体下渗，这将增加透水的面积。非透水性砖只能通过砖缝下渗，渗透能力弱。当使用面砖作为道路面层时，如果面层采用的是砖铺路面，则需要在面层和基层设置一个2～3 cm的找平层。

2.2 透水性道路结构设计要求

(1)面层需满足的要求

采用预制透水砖作为透水性道路的面层。由公路行业的规范对透水砖的物理性能和抗压强要求见表3、表4所示。

表3 物理性能

表4 抗压强度/MPa

由透水砖的物理性能和抗压强要求：当产品的边长/厚度≥5.1时，其抗破坏荷载不小于6 100 N。

(2)基层应满足的要求

公路路面常用的三种基层：刚性基层、运用最多的半刚性基层、柔性基层。刚性基层用的不多，但有其特定的运用范围，主要用于土基柔弱，地下铺设了大量的排水道，天然气管道，石油管道等管道；一些由于地形险峻，不能采用重型机械碾压地段，地基土硬度不稳定、难以控制平整度的地段，农村的村村通水泥路面就属刚性地基。柔性基层易修筑，主要因为他的基层相比其他优势明显，适用于平坦的地区，便于运用大型机械，改善土基强度，透水性道路也采用的这种类型的基层。半刚性基层运用广泛，无论是低等级公路还是高等级的道路。对于需要保持水土的水分、生态友好型的要求较高的地段，采用最多的是水泥稳定碎石基层。

对于透水性水泥稳定碎石基层，相关规定给出了明确的设计要求。

①透水基层必须选取与之配套的透水性面层。透水性水泥稳定碎石基层应具有很高的强度，因为要承载比较多的外部荷载，透水性是首要考虑的，混合料还要保持一定的孔隙率，利于排水畅通；

②水泥的种类多，普通硅酸盐水泥运用较多，矿渣硅酸盐水泥价格比较贵但质量很好，用在强度要求高的地方，火山灰质硅酸盐水泥跟矿渣硅酸盐水泥很类似；

③碎石级配和材质要满足标准的要求，只有透水性路面也不具备透水的效果，还要在透水基层中加入排水的设施，预防有大的降雨，不能及时排出，进而影响透水性路面的整体强度，透水性水泥稳定碎石混合料级配及碎石质量把控见表5所示。

表5 透水性水泥稳定碎石混合料级配及碎石质量把控

(3)面层与基层渗透系数关系

透水性道路首要性能是透水，在此基础上还要有一定的储水能力。对于透水性道路来说，最关键的两个部分就是面层和基层，面层和基层直接衡量道路的透水性。对于同一种的透水性路面面层和基层的渗透系数尽量相同，但不同地区的透水性路面，根据建设地区和功能的要求不同，对渗透系数也不同。

透水性道路在满足透水性特性的基础上，还应具有承受比较大的外部荷载的整体强度。面层对强度的要求要比基层的要求高，面层透水能力较强，雨水可以直接通过砖体下渗，这将大大的增加了透水的面积。

3 透水性水泥稳定碎石性能测试

3.1 力学性能

(1)击实试验

为了得到最佳含水率和最大干密度就需要做击实试验，这也是为其他实验做铺垫。由于透水性水泥稳定碎石粗集料占比较大，所以，透水性水泥集料空隙率比较大，用正常的标准击实试验时，破坏了原始级配，其结果参考价值不是太高。一方面，在得到最大干密度时空隙率都不能满足透水性的要求，渗透系数也是不能满足要求；另一方面，混合料有一定的抗压强度、抗压回弹模量，并且他们的回弹模量都比较大，主要原因是混合料的原始级配有变动。因而，集料的各方面的参数就会发生变化，这包含混合料的排水性能会减小，击实试验结果见表6。

表6 击实试验结果

击实试验有的试件破坏严重，表6中压实度和成型压力是正相关的，当他们减少时，集料被压碎的现象就会有所减弱。

(2)抗压强度试验

透水砖荷载主要来源于行人和小型车辆。抗压强度实验用到的仪器是压力试验机。其测试压力应该尽量落在1/4～3/4的量程，这样产生的误差最少，超出这个量程的与实际相差比较大。

在做抗压强度实验时，压力机的加载荷载速率要缓慢，连绵匀称，记载损坏时的荷载换用同一批次的试件重复做测量，做满五次取平均值，减少偶然误差。测试抗压强度结果如表7所示。

表7 抗压强度试验结果

经实验室标准养护7 d，试件提前24 h放到水里面。在进行抗压强度试验，根据表7试验结果，绘制抗压强度与水泥含量和级配的关系如图1。

图1 抗压强度与水泥含量级配的关系

由以上试验结果可知。

(1)透水基层必须选取与之配套的透水的面层。不然不能称之为透水性路，透水性水泥稳定碎石基层应具有很高的强度因为要承载比较多的外部荷载，透水性这是必须的，不然不能做透水材料的材料，混合料还要保持一定的孔隙率不然排水不畅通；

(2)水泥的种类有很多用的最多的就是普通硅酸盐水泥，矿渣硅酸盐水泥价格比较贵但质量很好，用在强度要求高的地方，火山灰质硅酸盐水泥跟矿渣硅酸盐水泥很类似；

(3)碎石级配和材质要满足标准的要求，路面也不具备透水的效果，还要在透水基层中加入排水的设施预防有大的降雨不能及时排出进而影响透水性路面的整体强度。

对两者关系进行回归，结果见图2。

图2 抗压强度与水泥含量回归的关系

由图2显而易见，当水泥含量介于4%～11.5%时，混合料试件抗压强度值与水泥含量具有线性回归的关系。

4 孔隙率和渗透系数测定

4.1 空隙率和有效孔隙率的测定方法

空隙率的测定有不少的方法，但根据形状的不同就要采取不同的方法测定孔隙率，测定密度有表干法，这种方法主要测定密度大的，不会吸收水分这样试件的质量不会发生变化。体积法和蜡封法主要对于体积不规则，有空隙，吸收水分。蜡封法可以测量规则式样和不定型的试件体积，但操作不当就会使蜡油进入空隙。

4.2 渗透系数

评定水泥稳定碎石基层透水能力的指标是渗透系数，数值越大，水在透水基层中滞留的时间也就越短，透水基层的渗透系数越好。渗透系数是指在同一介质中，单元水梯度的单位流量，主要说明水在孔道内渗透量，数值越大，水在透水基层中滞留的时间也就越短，透水基层的渗透系数越好。水的粘滞性和不均匀系数等。从事渗透系数研究时，在数据的处理上加入了数学统计的高科技办法，兼顾最大粒径、空隙率、渗透系数等。以上研究都与其材料的类型、实验仪器和实验成型条件有关。

4.3 渗透系数的测试要求

渗透系数的测试方法有好多种，变水头和常水头是两种最常用的测试方法。渗透系数差的要求，k<1.21 cm/s细粒土渗透系数。目前现有的测量细粒土的渗透系数的仪器精度尚达不到要求。对于砂石类材料，它的粒径比较大，因此，其渗透系数也比较大，其渗透系数一般大于0.367 cm/s。

4.4 透水性能

针对3种级配不同混合料需要经标准养护实验室养护7 d，还要将试件提前放到水里面24 h后，测试抗压强度，经测试结果如表8所示；渗透系数测试结果如表9所示。

表8 空隙率、有效空隙率测试结果 %

表9 渗透系数测试结果 (cm/s)

从以上测试结果看出来，渗透系数和有效空隙之间具有很好的函数关系。查阅相关规定，当水泥稳定碎石空隙率不小于16.5%时，其渗透系数就能满足要求。

5 总 结

通过透水性道路的面层和基层研究，确定了孔隙率和渗透系数。实验室内模拟平顶山市不同季节环境下，透水性道路结构的水泥稳定碎石空隙率16.5%以上，可达到透水性道路渗透系数的要求。本研究进行了击实试验、抗压强度试验，通过力学性能的求证，验证了新型透水性人行道设计符合相应的规范要求。尤其到夏季遇到大雨时，能明显感受到透水性道路不同寻常的透水优势。新型透水结构总的造价成本比普通的道路稍高，但其生态价值却有巨大的优势。