透水混凝土路面的設(shè)計與施工研究

夏 楓，鄒志翔

中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010

越來越多的學(xué)者和工程技術(shù)人員開始利用數(shù)值計算、室內(nèi)試驗(yàn)等手段分析透水混凝土路面的排水性能，并取得了一些有價值的研究成果。但是，許多工程師在建設(shè)透水混凝土路面時仍以工程類比法為主，使得建設(shè)方案偏保守，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。因此，研究透水混凝土路面設(shè)計與施工是十分必要的。

1 透水混凝土路面分類及組成

1.1 透水混凝土路面分類

目前城市道路中常見的透水混凝土路面根據(jù)透水能力的不同可劃分成三種：排水型路面、半透水式路面、全透水式路面[1]。

排水型路面是僅在其面層設(shè)置透水材料，基層一般選擇不透水或透水性較差的材料。地表匯集的水分在滲入面層之后就會沿著基層排出路基范圍，最終排放至沿線的排水設(shè)施中，避免路基受到雨水下滲的影響。

半透水式路面的面層和基層均設(shè)置透水性好的材料，墊層采用不透水或透水性較差的材料，并在路基頂部鋪一層防滲土工膜。地表雨水依次滲進(jìn)面層、基層后，會沿著墊層排出路基，最后至沿線的排水設(shè)施中，降低雨水下滲對路基力學(xué)性能和使用性能的影響。

全透水式路面指的是整個路面結(jié)構(gòu)都是透水性較好的材料，同時在路基頂部設(shè)置一層土工網(wǎng)格布來提高路基承載力，以充分發(fā)揮其支撐作用。全透水式路面要求路基填料的滲透系數(shù)大于7×10-5cm/s，否則雨水滲入路基之后容易滯留在路基內(nèi)部，影響路基土體的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。同時，為了避免路基發(fā)生水毀病害，全透水式路面的路基在飽和狀態(tài)下應(yīng)當(dāng)具有足夠的強(qiáng)度。

1.2 透水混凝土路面組成

（1）透水面層。進(jìn)行透水混凝土面層設(shè)計時要綜合考慮道路所在區(qū)域的降雨特征及需要接納的排水面積，然后進(jìn)行合理的布置。同時，運(yùn)營期間應(yīng)對透水混凝土路面加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，這是因?yàn)橥杆炷猎陂L期排水過程中，水流中的細(xì)小顆粒容易在其空隙內(nèi)部沉積，并堵塞孔隙，從而降低混凝土的排水能力。

（2）透水基層。城市道路的透水基層應(yīng)滿足以下要求：①基層滲透能力強(qiáng)，能快速排出從地表滲進(jìn)路面結(jié)構(gòu)的雨水；②基層強(qiáng)度較高，能確保路面在反復(fù)車輛荷載作用下不損傷；③基層具有較大的儲水能力，可以暫時儲存未能排出的地表水。

城市道路的透水基層一般采用級配碎石、水泥穩(wěn)定碎石等。在確定透水基層厚度時，應(yīng)以其透水能力作為計算標(biāo)準(zhǔn)。同時，基層厚度還要滿足路面設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的最小厚度和適宜厚度要求，如表1所示。

表1 不同材料基層厚度

（3）透水墊層。在路面結(jié)構(gòu)層下方設(shè)置透水墊層的目的是提高路面水穩(wěn)性與抗凍脹能力、增強(qiáng)路面透水能力，并作為反濾層避免土基材料進(jìn)入透水路面。透水墊層常用的材料為開級配集料（如粗砂、砂礫、碎石等），厚度約為150～200mm，對于凍脹嚴(yán)重地區(qū)和過濕路段可適當(dāng)增加透水墊層的厚度[2]。

2 透水混凝土路面設(shè)計

2.1 工程概況

案例工程為羊山新區(qū)紅廉基地片區(qū)路網(wǎng)工程。羊山新區(qū)成立已有十余年，在建設(shè)初期以基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為主，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足早期的交通需求。但是，隨著新區(qū)的不斷發(fā)展，地塊持續(xù)開發(fā)，人口日益增長，目前新區(qū)的部分道路已達(dá)到或接近設(shè)計使用年限，無法繼續(xù)滿足使用需求，需要改建或新建道路。同時，早期羊山新區(qū)的道路以滿足使用功能為主，未來應(yīng)著力于提升道路使用品質(zhì)，改善道路周邊環(huán)境，完善區(qū)域配套設(shè)施，創(chuàng)建城市居民生活、工作、學(xué)習(xí)、就醫(yī)、休憩、購物等的完整生態(tài)圈。為使紅廉基地片區(qū)路網(wǎng)與北湖郊野公園景觀有機(jī)融合，創(chuàng)建生態(tài)宜居城市，打造高品質(zhì)綠色慢行道路，提高居民出行的幸福指數(shù)，將在紅廉基地片區(qū)道路上增設(shè)慢行透水性綠道。

2.2 透水性路面設(shè)計步驟

（1）確定設(shè)計條件。第一，降雨條件。降雨條件主要是指降水量，即一定時間段內(nèi)降至路面的雨水深度。城市道路的降雨條件可利用實(shí)地雨水監(jiān)測數(shù)據(jù)或查詢多年氣象資料得到，如果缺乏相關(guān)資料，還可以通過降雨強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式來估算，如下式：

式中：q為降雨強(qiáng)度，mm/h；P為降雨重現(xiàn)期，年；t為降雨歷時，h。

第二，交通荷載。紅廉基地片區(qū)的透水綠道主要是行駛非機(jī)動車或軸間距小于3m的小型車輛以及行人等，交通荷載較小，在設(shè)計使用年限內(nèi)的累計軸載不超過30萬次。

（2）確定理論滲透系數(shù)。丁立[3]對城市道路中不同級配和粒徑的透水混凝土滲透性開展了統(tǒng)計調(diào)查，并擬合得到了透水混凝土滲透系數(shù)與其空隙率間的函數(shù)模型，相關(guān)系數(shù)R2為0.9432，相關(guān)程度較好，見下式：

式中：k為透水混凝土滲透系數(shù)，cm/s；n為透水混凝土空隙率，%。

綠道面層的透水混凝土設(shè)計空隙率不宜過高，也不宜過低，取值范圍通常為18%～23%。如果混凝土的空隙率＜18%，滲透系數(shù)較小，則透水性不能滿足路面的排水需求；如果混凝土的空隙率＞23%，可能導(dǎo)致面層的強(qiáng)度較差，在道路運(yùn)營期間出現(xiàn)損傷。因此，建議透水混凝土的空隙率取目標(biāo)空隙率的均值20.5%，此時滲透系數(shù)計算值為2.73cm/s。

（3）綠道路面結(jié)構(gòu)組合及驗(yàn)算。綜上所述，筆者最終擬采用的路面組合為C25透水混凝土（10cm）+透水級配碎石（20cm）+防滲土工膜+壓實(shí)路基，如圖1所示。

圖1 綠道路面結(jié)構(gòu)組合

路面透水混凝土的面層材料配比為4～6mm石子2000kg/m3、42.5標(biāo)號水泥300kg/m3、膠結(jié)料15kg/m3、潔凈水100kg/m3；底層配比為粗骨料2000kg/m3、42.5標(biāo)號水泥300kg/m3、膠結(jié)料5kg/m3、潔凈水100kg/m3。路面結(jié)構(gòu)確定之后，采用URPDS2012對路面的彎沉值和容許拉應(yīng)力進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果滿足路面規(guī)范的要求。

3 透水混凝土路面施工技術(shù)

透水混凝土路面的主要施工流程為前期準(zhǔn)備工作（平整、置模）→配料攪拌→澆筑→振搗→輥壓→養(yǎng)護(hù)。（1）配料攪拌。透水混凝土的水泥漿稠度較大，宜選擇強(qiáng)制式攪拌機(jī)來攪拌，攪拌時間不少于5min，確保水泥漿均勻附著在骨料表面，無花白料。（2）澆筑。為了避免透水混凝土快速失水而導(dǎo)致骨料間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，應(yīng)當(dāng)在澆筑透水混凝土之前將路基用水濕潤后再攤鋪平整。（3）振搗。透水混凝土振搗可采用平板振動器，不得劇烈振搗，振搗頻率不宜過快，否則會降低透水混凝土空隙率，導(dǎo)致材料透水性變差。（4）輥壓。透水混凝土在振搗之后需要用實(shí)心鋼管或輕型壓路機(jī)進(jìn)行多次輥壓，輥壓前應(yīng)采取一定的措施避免輥?zhàn)羽そY(jié)骨料。同時，輥壓后還應(yīng)用機(jī)器抹平混凝土表面，使其平整度滿足要求。（5）養(yǎng)護(hù)。透水混凝土孔洞數(shù)量多、失水速度快，必須注重早期養(yǎng)護(hù)。透水混凝土可采用灑水養(yǎng)護(hù)的方式（養(yǎng)護(hù)時間最少7d），但灑水時不能直接將壓力水柱沖向混凝土表面，以免沖走水泥砂漿，在混凝土表面形成薄弱部位。

4 結(jié)論

（1）透水混凝土路面根據(jù)透水能力的不同可劃分成排水型路面、半透水式路面、全透水式路面三種。（2）透水混凝土路面的設(shè)計應(yīng)基于當(dāng)?shù)氐慕邓?、交通荷載、外部環(huán)境等條件，合理選擇材料滲透系數(shù)和空隙率，最終得到路面結(jié)構(gòu)組合。（3）透水混凝土路面的主要施工流程包括前期準(zhǔn)備工作、配料攪拌、澆筑、振搗、輥壓、養(yǎng)護(hù)等。