淺談透水混凝土在崇明東灘地區(qū)的應(yīng)用

沈容嘯

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433]

0 引言

傳統(tǒng)的城市道路、廣場的硬化地面設(shè)計(jì)主要關(guān)注其耐久性等技術(shù)性能指標(biāo)及視覺美觀方面的要求，因而大量地使用非透水性鋪裝作為鋪裝結(jié)構(gòu)。但是非透水性鋪裝存在明顯的生態(tài)環(huán)境缺陷，形成大量的地表徑流，加重地下管網(wǎng)的排澇壓力[1]。近年來在全國各地快速城市化的背景下，各大城市在強(qiáng)降雨季節(jié)內(nèi)澇頻發(fā)，就是這一弊端的集中體現(xiàn)。

作為“海綿城市”第二批試點(diǎn)城市，上海地區(qū)近年來逐漸加大了試點(diǎn)應(yīng)用的力度。崇明東灘地區(qū)作為上海長江門戶，又是崇明生態(tài)島建設(shè)的重要部分，地區(qū)“生態(tài)、低碳、長壽”的建設(shè)理念與“海綿城市”十分吻合。在崇明東灘地區(qū)建設(shè)中，采用透水路面作為全生命周期過程的綠色道路技術(shù)之一進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，包括：機(jī)動車道的透水瀝青混凝土路面、非機(jī)動車道的透水混凝土路面、人行道的透水磚路面。其中，非機(jī)動車道的透水混凝土為本文的討論范圍。

1 工程概述及工藝原理

1.1 工程概述

崇明東灘啟動區(qū)市政道路一期工程共有Z1（南段、北段）、Z2、S1、S2、S3共計(jì)6條道路（見圖1），全長約12km，紅線寬度40m，設(shè)計(jì)時速40～50km/h，按照4快2慢實(shí)施，工程建安費(fèi)用11.3億元。其中，非機(jī)動車道寬3.5m，采用19cm透水混凝土結(jié)構(gòu)層+15cm CTPB基層+5cm碎石墊層的結(jié)構(gòu)形式，透水混凝土試點(diǎn)應(yīng)用面積在20000m2左右。

圖1 工程總平面圖

崇明東灘地區(qū)位于長江口，屬于沖擊平原，基本為20世紀(jì)60～80年代吹填而成，地層以砂質(zhì)土層為主，土層滲透系數(shù)高，為設(shè)置透水路面的前提條件。根據(jù)區(qū)域情況，設(shè)計(jì)在工程非機(jī)動車道結(jié)構(gòu)層采用了全透水型路面。作為其中重要一環(huán)的透水混凝土面層，既要求擁有足夠的強(qiáng)度來承受車道荷載，足夠耐久性來抵抗表面磨耗，還要有足夠的滲透率來保證地表降水迅速滲入地下，還原地下水，增強(qiáng)地表排澇能力。

1.2 工藝設(shè)計(jì)原理

透水混凝土路面是指機(jī)構(gòu)上具有一定強(qiáng)度和有效空隙率，路表面水流直接通過面層結(jié)構(gòu)滲排的一種剛性路面結(jié)構(gòu)，當(dāng)雨量在一定范圍內(nèi)時，其排水完全異于重力式排水方式（見圖2）。

圖2 透水混凝土空隙示意圖

透水混凝土路面的透水透氣性能取決于其內(nèi)部的連通孔隙率及孔徑大小；力學(xué)強(qiáng)度取決于集料強(qiáng)度、膠結(jié)層強(qiáng)度、膠結(jié)層與集料的界面黏結(jié)質(zhì)量和黏結(jié)點(diǎn)數(shù)量、集料顆粒相互嵌擠形成的“拱架”結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；表面粗糙度主要取決于集料粒徑大小[2]（見圖3）。

圖3 透水混凝土結(jié)構(gòu)示意圖

透水混凝土路面最為重要的指標(biāo)是透水率，骨料通過水泥等其他材料膠結(jié)后，結(jié)構(gòu)上保留一定的孔隙，按照其透水功效可劃分為有效孔隙、半有效孔隙和無效孔隙（見圖4）。有效孔隙是指由面層到底層具有暢通通道的孔隙；半有效孔隙僅具有局部“凹坑”的存水功能而無法令水分繼續(xù)下滲；無效孔隙在結(jié)構(gòu)上是完全封閉的，無法與外部環(huán)境接觸。

圖4 透水混凝土空隙形式示意圖

透水混凝土就是基于此原理通過調(diào)節(jié)配合比、施工工藝而使成品具有10%～15%的有效空隙率，從而確保路面具有良好的透水功能，同時在強(qiáng)度上也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

崇明東灘地區(qū)地處長江口，年降雨較大，氣候潮濕，在地區(qū)開發(fā)過程中，成體系地采用了透水路面的形式。考慮到崇明東灘地區(qū)的特殊情況，在實(shí)施中需要研究解決如下的問題：

（1）路床土壤土層為松散填土，透水性大，如不經(jīng)處理，是不適合采用透水混凝土路面的。

（2）東灘地區(qū)原址為大量農(nóng)用地，市政道路建設(shè)后，部分機(jī)耕路將無法直接進(jìn)入主路部分，需要借用部分非機(jī)動車道，屆時將有部分載重車輛行駛在透水混凝土結(jié)構(gòu)上，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。

（3）應(yīng)避免非機(jī)動車道滲水影響到機(jī)動車道路床強(qiáng)度。

針對以上問題，該項(xiàng)目主要采取了以下措施：

（1）在路基設(shè)計(jì)上，該項(xiàng)目機(jī)動車道及非機(jī)動車道采用了HEC土體固結(jié)技術(shù)，使用HEC高強(qiáng)高耐水土體固結(jié)劑混合料作為路基。其特點(diǎn)是:無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高，水穩(wěn)定性好，可固結(jié)各類骨料。對固結(jié)體的技術(shù)要求不高（寬級配要求），HEC固結(jié)混合料具有較高整體剛度，在地下水位較高和土體較軟弱地區(qū)作為路面底基層是一種理想的選擇。

（2）在非機(jī)動車道HEC固結(jié)土路基頂部設(shè)置20cm厚級配碎石層（見圖5）。級配碎石透水性強(qiáng)，在底部HEC固結(jié)土透水性低的情況下，通過2%橫坡的設(shè)置，將水引至機(jī)非分隔帶側(cè)，避免了路基路床泡水情況的出現(xiàn)。

圖5 非機(jī)動車道道路結(jié)構(gòu)示意圖

（3）在級配碎石底部靠近機(jī)非分隔帶縱向位置設(shè)置了軟式透水管。通過此軟式透水管吸收了級配碎石層的排水，再通過橫向管將水排至雨水收集口窨井中，從而也避免了非機(jī)動車道排水影響到機(jī)動車道路床強(qiáng)度。

（4）透水混凝土采用42.5硅酸鹽水泥，集料必須采用堅(jiān)硬、耐久、密實(shí)的碎石料。其設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30，耐磨性即磨坑長度≤30mm，可滿足部分載重車輛的行駛要求。

透水混凝土的施工主要包括拌制、攤鋪、成型、表面及接縫處理、養(yǎng)護(hù)等工序。

2.1 透水混凝土的拌制

透水混凝土的投料順序采用先將水泥、摻合料、骨料投入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌1min，再加入外加劑和一半的水量攪拌1min，最后投入剩余水量，攪拌均勻后出機(jī)[3]，適用于混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸（見圖6）。

圖6 透水混凝土生產(chǎn)工藝流程圖

該透水混凝土位于非機(jī)動車道，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30MPa，膠結(jié)材料選用42.5硅酸鹽水泥。

水泥用量的確定：

以設(shè)計(jì)提供的參考水泥摻量值（水泥與集料比C/A=11.6%）為中值，上下浮動±2%，±4%，得到5種不同的水泥摻量進(jìn)行試驗(yàn)。集料采用直徑5～15mm磨圓石子。水泥摻量分別為7.6%、9.6%、11.6%、13.6%、15.6%，水灰比均為0.4。根據(jù)集料、水泥的密度，采用上述調(diào)整的合成級配，計(jì)算透水混凝土的理論最大毛體積密度，以20%孔隙率為目標(biāo)計(jì)算每個試件應(yīng)添加的集料質(zhì)量，采用靜壓成型的方法分別成型五組試件，每組6個試件，測試試件的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

表1 不同水泥摻量下透水混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，水泥用量（C/A）為9.6%時，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求（≥3MPa）。此結(jié)果為試驗(yàn)室數(shù)據(jù)，考慮施工中材料質(zhì)量的變異性，為保證施工質(zhì)量，選定水泥用量為10%。

2.2 透水混凝土的施工及成品保護(hù)

透水混凝土攤鋪主要是控制鋪面的平整度，保證形成設(shè)計(jì)縱橫坡。同時，在該工程中，考慮到了東灘地區(qū)的鋪面耐久度的問題，在鋪面表面設(shè)置彩色涂裝，由透水混凝土增強(qiáng)劑+無機(jī)色粉組成。

透水混凝土主要施工機(jī)具包括：透水混凝土振動夯、面層磨光機(jī)、鏟車等。攤鋪工藝包括：現(xiàn)場放樣-攤鋪粗平-振動壓實(shí)-面層細(xì)平-修平-表面養(yǎng)護(hù)-切縫-再養(yǎng)護(hù)-表面噴漆。

（1）放樣：根據(jù)墊層已經(jīng)切好的橫縱縫在模板外側(cè)拉直線并做好標(biāo)記，并將面層分層進(jìn)行彈線標(biāo)記。

（2）底層粗平：凡是在澆筑區(qū)域操作的施工人員必須穿上施工鞋?，F(xiàn)場配備一名指揮人員負(fù)責(zé)粗平質(zhì)量及安全，粗平工具使用鐵锨或刮板（見圖7）。

（3）振動、壓實(shí)：施工工具為振動機(jī)，從施工頂端開始振動壓實(shí)，移動速度不宜過快，相鄰振動面須搭接平板振動板長的1/4到1/3，軌跡如圖8所示。

面層攤鋪需要嚴(yán)格控制好水灰比，防止因過干而離散的現(xiàn)象，過濕產(chǎn)生結(jié)漿影響透水率，并保持好平整度和表面密度，特別控制好膨脹縫。

圖7 透水混凝土鋪平作業(yè)之實(shí)景

圖8 透水混凝土碾壓順序圖

（4）面層細(xì)平：在道路兩側(cè)收邊結(jié)束后進(jìn)行細(xì)平，使用刮尺、抹子等進(jìn)行細(xì)處理。邊口處理時，用路緣石做參照，平放在磚頂面，讓抹子找平時先高出壓實(shí)面2～3mm，再用抹子壓實(shí)、抹勻（見圖9、圖10所示）。

圖9 面層細(xì)平示意圖

圖10 透水混凝土細(xì)平作業(yè)之實(shí)景

（5）修平：使用磨光機(jī)進(jìn)行表面處理后，安排專人對缺陷處進(jìn)行補(bǔ)缺。對于翻漿處，將該塊翻挖再平整，并進(jìn)行人工壓實(shí)。

（6）表面養(yǎng)護(hù)：使用噴淋設(shè)施對表面進(jìn)行濕潤，之后進(jìn)行薄膜覆蓋，確保薄膜貼壓密實(shí)，后用彩條布覆蓋在薄膜上方，周邊用重物壓?。ㄒ妶D11）。

圖11 透水混凝土養(yǎng)護(hù)之實(shí)景

（7）切縫：混凝土終凝后按25m設(shè)置一根脹縫，每5m設(shè)縱向或橫向收縮縫，縮縫間距為5m?？s縫頂部應(yīng)鋸切槽口，深度為面層厚度的1/3～1/2，寬度為3～8mm，槽內(nèi)填塞填縫材料。當(dāng)透水混凝土面層施工長度超過20～30m（夏季為50m）或與其他構(gòu)筑物連接處〔如側(cè)溝、建筑物、窨井或其他鋪面（連鎖砌塊、瀝青鋪面等）〕應(yīng)設(shè)置脹縫。脹縫構(gòu)造如圖12下圖所示。

圖12 上圖為縮縫構(gòu)造圖、下圖為脹縫構(gòu)造圖

（8）再養(yǎng)護(hù)：切縫后，對表面進(jìn)行清理，重新覆蓋養(yǎng)護(hù)（見圖13）。

圖13 重新覆蓋養(yǎng)護(hù)之實(shí)景

（9）噴漆：混凝土經(jīng)過15d養(yǎng)護(hù)，并無返堿現(xiàn)象后，可按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行噴漆處理。完工路面需要養(yǎng)護(hù)2～3d方可上人通行。為保護(hù)路面不受污染，保護(hù)膜應(yīng)在噴漆后重新覆蓋，盡量保護(hù)到綠化覆土或者周邊污染源施工結(jié)束后才去除，非機(jī)動車需要在完工后28d才準(zhǔn)予通行。

2.3 實(shí)施檢驗(yàn)

抗折強(qiáng)度是透水混凝土的重要指標(biāo)[4]，設(shè)計(jì)要求28d齡期的抗折強(qiáng)度≥3.5MPa。現(xiàn)場實(shí)施時，每400m取一組試塊（3個）檢驗(yàn)其抗折強(qiáng)度。通過前期的配合比試驗(yàn)及之后的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施，現(xiàn)場的透水混凝土抗折強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，詳見表2所列。

表2 透水混凝土抗折強(qiáng)度檢測匯總表

3 結(jié)論及建議

崇明東灘市政道路一期工程的非機(jī)動車道透水混凝土，在建成后，從道路成型后的質(zhì)量及后續(xù)使用情況來看，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)的使用功能，施工結(jié)合現(xiàn)場情況具備可操作性，為后續(xù)推廣創(chuàng)造了條件（見圖14）。但是受材料本身的特性及環(huán)境條件的制約，透水混凝土路面還是存在一定的問題，結(jié)合現(xiàn)場總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下：

（1）透水混凝土在強(qiáng)度形成前十分脆弱，應(yīng)嚴(yán)格限制設(shè)備車輛，甚至人員上路，否則除了在結(jié)構(gòu)表面容易產(chǎn)生裂縫之外，由于透水混凝土的空隙結(jié)構(gòu)特性，表面骨料在達(dá)到強(qiáng)度前極易離析剝落。后續(xù)開放交通后，也需要設(shè)置限載標(biāo)志來限制重載車輛。

（2）透水混凝土目前只是應(yīng)用于低等級道路、慢車道或者步道等區(qū)域。重載道路使用受到限制，需要進(jìn)一步對透水混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

（3）透水混凝土的管養(yǎng)要求高。如管養(yǎng)不到位，透水混凝土在使用過程中，其排水性能會較快下降，后續(xù)應(yīng)總結(jié)出一套行之有效的管養(yǎng)辦法。

（4）透水混凝土的抗凍融性能比普通混凝土要差，漲縮率和普通混凝土有很大的差別，在東灘這類遠(yuǎn)郊日夜溫差較大的地區(qū)，其耐久性需要進(jìn)一步觀察。

圖14 非機(jī)動車道建成后，其效果之實(shí)景