朱潤(rùn)田， 劉珊， 張小明， 劉富強(qiáng)， 萬(wàn)正武， 鄭木蓮

(1.珠海鶴港高速公路有限公司， 廣東 珠海 519000； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064)

為了緩解中國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)的水環(huán)境問(wèn)題，2017年提出了“海綿城市”新理念，透水鋪裝技術(shù)是從道路工程角度響應(yīng)該理念的一種具體措施[1]。海綿城市透水鋪裝對(duì)雨水主要發(fā)揮“滲”和“蓄”的作用。通過(guò)已有學(xué)者及機(jī)構(gòu)對(duì)海綿城市透水鋪裝的研究和應(yīng)用表明，隨著透水鋪裝結(jié)構(gòu)使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)滲透性能會(huì)逐漸衰減[2-11]。通過(guò)對(duì)中國(guó)已有的透水鋪裝路面進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集可知，透水鋪裝結(jié)構(gòu)使用5年后其滲透性能僅為道路初始滲透性能的10%[12]。由于路表面的灰塵或其他雜質(zhì)通過(guò)路面結(jié)構(gòu)孔隙進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，堵塞路面結(jié)構(gòu)的連通孔隙，進(jìn)而阻斷水的滲流路徑，最后造成透水鋪裝結(jié)構(gòu)的滲透性能大大降低[13-15]。目前中國(guó)對(duì)透水混凝土路面的研究主要集中在結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)層集料配比選取、不同結(jié)構(gòu)層的滲透性能等方面[16-19]。DRAKE的研究表明[20]：路面結(jié)構(gòu)在不維護(hù)的狀態(tài)下，5～6年的使用可使85%以上的透水混凝土路面透水系數(shù)≤50 mm/h。

該文通過(guò)室內(nèi)堵塞試驗(yàn)分析透水混凝土鋪裝面層、基層及組合結(jié)構(gòu)的滲透性能衰減規(guī)律及不同結(jié)構(gòu)堵塞顆粒敏感粒徑，為海綿城市透水混凝土路面鋪裝的建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 透水混凝土路面原材料與級(jí)配

(1) 水泥。采用P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2) 集料。粗集料采用干凈的石灰?guī)r碎石，技術(shù)指標(biāo)滿足JTG E42—2002[21]要求，試驗(yàn)室測(cè)得集料技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 粗集料(石灰?guī)r)技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)值

(3) 外加劑。采用萘系減水劑，減水劑摻量為0.5%，符合GB/T 8077—2012《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定[22]。

(4) 水。水是透水混凝土中必不可少的原料，參與水泥的水化反應(yīng)，拌和用水一般不作特殊要求，水中保證無(wú)油污無(wú)有害雜質(zhì)即可。

(5) 級(jí)配選擇。集料級(jí)配是影響透水混凝土強(qiáng)度形成的重要因素。該研究選取級(jí)配如表2、3所示。

表2 透水混凝土面層級(jí)配

表3 透水混凝土基層級(jí)配

1.2 堵塞材料

選擇良好的天氣，在西安市的不同路面收集堵塞物樣品。堵塞物選取地點(diǎn)和場(chǎng)所如表4所示。

表4 堵塞物選取地點(diǎn)及場(chǎng)所

通過(guò)試驗(yàn)室對(duì)收集堵塞物樣品的篩分可知，堵塞物粒徑主要集中在0.15～4.75 mm，故該文采用不同粒徑的砂組合模擬堵塞物顆粒，模擬堵塞物的級(jí)配砂配比如表5所示。

表5 砂級(jí)配組合

1.3 透水性能測(cè)試試驗(yàn)

采用自主研發(fā)設(shè)備進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。保持模擬降雨的噴頭噴灑強(qiáng)度不變，不斷等量地向降雨中撒布級(jí)配砂，每次撒布砂的質(zhì)量為5 g，每次撒完砂后測(cè)試并記錄該狀況下的滲透系數(shù)，級(jí)配砂添加20次后終止試驗(yàn)。完成試驗(yàn)后，將試驗(yàn)用水經(jīng)0.15 mm的篩過(guò)濾，然后將收集到的試驗(yàn)用砂放入不銹鋼托盤(pán)中，并將其置于烘箱，等收集到試驗(yàn)用砂完全干燥后進(jìn)行篩分、稱重[23]。

圖1 滲透性能測(cè)試試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)透水鋪裝結(jié)構(gòu)的滲透性能衰減規(guī)律，將透水殘余系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)研究透水鋪裝結(jié)構(gòu)的滲透性能衰減規(guī)律。透水殘余系數(shù)計(jì)算式見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：C為透水殘余系數(shù)(%)；Kc為未發(fā)生堵塞時(shí)的初始滲透系數(shù)(cm/s)；Kdi為每次堵塞后的滲透系數(shù)(cm/s)。

2 透水混凝土面層滲透性能衰減規(guī)律

2.1 面層滲透性能衰減規(guī)律

不同投入砂質(zhì)量下，不同級(jí)配透水混凝土面層滲透系數(shù)變化情況如圖2、3所示。

圖2 面層滲透系數(shù)衰減趨勢(shì)

圖2顯示：隨著累積投入砂質(zhì)量的增加，面層的滲透系數(shù)均逐漸減小。由圖3可知：當(dāng)累計(jì)投入砂質(zhì)量為100 g時(shí)，M1級(jí)配透水混凝土面層的透水殘余系數(shù)為初始值的72.8%，而M3級(jí)配透水混凝土面層的透水殘余系數(shù)為初始值的66.4%。M1型級(jí)配中9.5～13.2 mm及13.2～16 mm粒徑的集料占比較M3型級(jí)配高。綜合透水鋪裝面層結(jié)構(gòu)的礦料級(jí)配及透水殘余系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果可知，透水混凝土面層級(jí)配越粗，其滲透性能衰減越緩慢。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加粗集料的用量。

圖3 面層透水殘余系數(shù)衰減趨勢(shì)

透水混凝土面層透水殘余系數(shù)與砂用量間具有良好的相關(guān)關(guān)系，M1、M2、M3級(jí)配透水混凝土面層的透水殘余系數(shù)衰減公式見(jiàn)式(2)～(4)，通過(guò)該式可判斷使用該路面面層結(jié)構(gòu)路段的堵塞情況，從而制定相應(yīng)的透水混凝土面層堵塞物清除措施。

CM1=8.0×10-10m6-3.0×10-7m5+3.0×10-5m4-0.002m3+0.055 1m2-0.946 9m+100(R=0.987 9)

(2)

CM2=1.0×10-9m6-4.0×10-7m5+5.0×10-5m4-0.002 7m3+0.074 7m2-1.206m+100.36(R=0.983 6)

(3)

CM3=5.0×10-10m6-2.0×10-7m5+3.0×10-5m4-0.002m3+0.068 9m2-1.433 1m+99.945(R=0.984 2)

(4)

式中：CM1、CM2和CM3分別為面層M1、M2和M3的透水殘余系數(shù)(%);m為累積投入砂質(zhì)量(g)。

2.2 面層堵塞顆粒敏感粒徑

透水混凝土面層堵塞材料篩分結(jié)果見(jiàn)表6。不同面層級(jí)配堵塞砂占投入砂總量百分比情況見(jiàn)圖4。

表6 面層堵塞砂材料篩分結(jié)果

圖4顯示：隨著面層集料9.5～16 mm用量的增加，透水混凝土面層堵塞的砂粒敏感粒徑增大，堵塞砂粒粗顆粒的質(zhì)量占總體砂粒的比例也增大。經(jīng)篩分試驗(yàn)測(cè)定，引起透水混凝土面層不同級(jí)配下的砂粒敏感粒徑為0.3～0.6 mm。故在進(jìn)行面層級(jí)配選擇時(shí)，可適當(dāng)提高9.5～16 mm集料的用量，進(jìn)而在全壽命周期內(nèi)保持較好的滲透性能，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

圖4 面層結(jié)構(gòu)堵塞質(zhì)量占比

3 透水混凝土基層滲透性能衰減規(guī)律

3.1 基層滲透性能衰減規(guī)律

不同投入砂質(zhì)量下，不同級(jí)配透水混凝土基層滲透系數(shù)變化情況如圖5、6所示。

圖5 透水混凝土基層滲透系數(shù)衰減趨勢(shì)

圖6 透水混凝土基層透水殘余系數(shù)衰減趨勢(shì)

圖5、6顯示：不同級(jí)配透水混凝土基層材料隨著累計(jì)投入砂質(zhì)量的增加，滲透性能隨之出現(xiàn)不同程度的衰減。當(dāng)累計(jì)投入砂質(zhì)量為100 g時(shí)，G-1級(jí)配透水混凝土基層的透水殘余系數(shù)為初始值的76.8%，G-2、G-3級(jí)配透水混凝土基層的透水殘余系數(shù)分別為初始值的75.5%和71.4%。觀察G-1可發(fā)現(xiàn)，累積投入砂質(zhì)量在60 g之前，材料的滲透性能保持了較高的水平，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)降低，而投入質(zhì)量達(dá)到70 g時(shí)，材料的透水殘余系數(shù)從95.9%突然降低到80.5%，出現(xiàn)斷崖式的降低。在此種級(jí)配下形成的孔隙結(jié)構(gòu)較為特殊，在模擬堵塞時(shí)，初期粗砂進(jìn)入孔隙內(nèi)部，顆粒間彼此嵌擠，由于粗砂粒徑較大，顆粒間的間隙也較大，當(dāng)進(jìn)入孔隙的砂的質(zhì)量未達(dá)到一定量時(shí)不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的透水性能產(chǎn)生較大的影響。隨著累積砂投入質(zhì)量的增加，孔隙中的粗砂顆粒越來(lái)越多，水流的沖刷作用減弱，原本能隨水流作用沖出的細(xì)顆粒隨著孔隙中粗顆粒的累積越來(lái)越難被帶出路面結(jié)構(gòu)，細(xì)砂直接進(jìn)入孔隙中已發(fā)生堵塞的粗顆粒間隙中，將滲透通路徹底堵塞，故造成結(jié)構(gòu)滲透性能的突然下降。

透水混凝土基層透水殘余系數(shù)與砂用量間具有良好的相關(guān)關(guān)系，G-1、G-2、G-3級(jí)配透水混凝土基層的透水殘余系數(shù)衰減公式見(jiàn)式(5)～(7)，通過(guò)該式可判斷使用該路面基層結(jié)構(gòu)路段的堵塞情況，從而制定相應(yīng)的透水混凝土基層堵塞物清除措施，保證其透水性能。

CG1=-4.0×10-9m6+1.0×10-6m5-0.000 1m4+0.006m3-0.114m2+0.466 3m+99.762(R=0.970 1)

(5)

CG2=-2.0×10-9m6+6.0×10-7m5-7.0×10-5m4+0.003 7m3-0.082 3m2+0.345 5m+99.781(R=0.954)

(6)

CG3=-2.0×10-9m6+5.0×10-7m5-6.0×10-5m4+0.003 2m3-0.075 3m2+0.156 4m+100.03(R=0.928 3)

(7)

式中：CG1、CG2和CG3分別為基層G-1、G-2和G-3的透水殘余系數(shù)(%)；m為累積投入砂質(zhì)量(g)。

3.2 基層堵塞顆粒敏感粒徑

不同級(jí)配透水混凝土基層堵塞材料篩分結(jié)果見(jiàn)表7。堵塞砂占投入砂總質(zhì)量百分比結(jié)果見(jiàn)圖7。

表7 透水混凝土基層材料堵塞砂篩分表

圖7顯示：造成透水混凝土基層堵塞砂粒的粒徑越大，則透水混凝土基層級(jí)配粒徑也越粗。造成G-1、G-2和G-3級(jí)配透水混凝土基層堵塞的敏感粒徑范圍為0.3～0.6 mm，G-1級(jí)配透水混凝土基層中造成堵塞的敏感粒徑還包括0.6～1.18 mm，說(shuō)明隨著混合料中9.5 mm通過(guò)率的增加，透水混凝土基層堵塞砂粒的敏感粒徑也增大。對(duì)比G-2與G-3的試驗(yàn)結(jié)果可知：造成堵塞時(shí)的砂粒質(zhì)量分別為23.24、24.47 g，質(zhì)量占比分別為30.28%、32.40%，折線較為平緩，未發(fā)生突變現(xiàn)象，表明集料粒徑9.5 mm的通過(guò)率相差不大的基層級(jí)配下，堵塞物質(zhì)量占比較大的粒徑集中在0.3～0.6 mm，而0.6～1.18、0.15～0.3和1.18～2.36 mm的占比較小，說(shuō)明基層堵塞的敏感性較低。

圖7 有級(jí)配基層結(jié)構(gòu)堵塞質(zhì)量占比

通過(guò)對(duì)基層堵塞顆粒敏感粒徑的研究可知，在保證透水結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)增大9.5 mm集料的含量可有效提高透水鋪裝基層的滲透性能。

4 面層與基層組合透水混凝土結(jié)構(gòu)滲透性能衰減規(guī)律

4.1 組合結(jié)構(gòu)滲透性能衰減規(guī)律

為了研究面層與基層組合透水混凝土結(jié)構(gòu)的堵塞衰減規(guī)律，將不同級(jí)配的透水水泥混凝土面層結(jié)構(gòu)與15 cm厚的單粒級(jí)(9.5～16 mm)透水水泥混凝土組合(16s)進(jìn)行堵塞試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8、9所示。

由圖8可知：透水水泥混凝土組合結(jié)構(gòu)的滲透性能衰減規(guī)律與不同級(jí)配透水混凝土面層和基層滲透性能衰減規(guī)律相似。M1+16s在累積投入砂的質(zhì)量達(dá)到100 g時(shí)，擁有3種組合內(nèi)最大的透水殘余系數(shù)，約為初始滲透性能的71.33%，M2+16s與 M3+16s的透水殘余系數(shù)分別為66.99%和65.70%，單一面層結(jié)構(gòu)下M1的透水殘余系數(shù)為初始值的72.813%，M2為68.523%，M3為初始值的66.430%。

圖8 組合結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)衰減趨勢(shì)

由試驗(yàn)結(jié)果可知：透水殘余系數(shù)主要取決于面層結(jié)構(gòu)的選擇，與基層結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)關(guān)。在投入砂質(zhì)量相同時(shí)，組合結(jié)構(gòu)的透水殘余系數(shù)略低于單一面層結(jié)構(gòu)。隨著面層級(jí)配中粗顆粒的增大，結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透衰減能力也有一定程度的增加。每經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，組合結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)都會(huì)有一定程度的恢復(fù)，原本堵塞孔隙的細(xì)砂在水流的作用下從孔隙中流出。但組合結(jié)構(gòu)在透水殘余系數(shù)的突變點(diǎn)處高度要略低于單面層結(jié)構(gòu)，原因是組合結(jié)構(gòu)的厚度由原來(lái)的15 cm增加到30 cm，隨厚度的增加水流需要穿越的長(zhǎng)度也增加，勢(shì)必要消耗更多的能量，對(duì)堵塞顆粒的沖刷作用降低，導(dǎo)致組合結(jié)構(gòu)的性能恢復(fù)程度低于面層透水結(jié)構(gòu)[24-25]。

由圖9可知：透水水泥混凝土組合結(jié)構(gòu)透水殘余系數(shù)與砂用量間具有良好的相關(guān)關(guān)系，M1+16s、M2+16s、M3+16s組合結(jié)構(gòu)的透水殘余系數(shù)衰減公式見(jiàn)(8)～(10)，通過(guò)該式可判斷使用該路面結(jié)構(gòu)路段的堵塞情況，從而制定相應(yīng)的堵塞物清除措施。

圖9 組合結(jié)構(gòu)透水殘余系數(shù)趨勢(shì)

C=9.0×10-10m6-3.0×10-7m5+4.0×10-5m4-0.002 2m3+0.065 3m2-1.129 1m+100.57(R=0.987 8)

(8)

C=4.0×10-10m6-1.0×10-7m5+2.0×10-5m4-0.001 1m3+0.038m2-1.044m+100.22(R=0.989 3)

(9)

C=6.0×10-10m6-2.0×10-7m5+3.0×10-5m4-0.001 9m3+0.071m2-1.591 2m+99.696(R=0.986 9)

(10)

4.2 組合結(jié)構(gòu)堵塞顆粒敏感粒徑

不同透水水泥混凝土組合結(jié)構(gòu)的堵塞粒徑篩分結(jié)果如圖10所示。

圖10 水泥混凝土組合結(jié)構(gòu)堵塞質(zhì)量占比

由圖10可得：① 透水水泥混凝土組合結(jié)構(gòu)的堵塞敏感粒徑變化規(guī)律與透水水泥混凝土單一面層結(jié)構(gòu)下的堵塞敏感粒徑相似?；鶎咏Y(jié)構(gòu)相同時(shí)，隨面層集料9.5～16 mm用量的增加，造成堵塞透水水泥混凝土組合結(jié)構(gòu)的砂粒敏感粒徑也增大；② 造成結(jié)構(gòu)堵塞的顆?；炯性诿鎸咏Y(jié)構(gòu)中，對(duì)基層結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生影響；③ 組合結(jié)構(gòu)內(nèi)的砂粒質(zhì)量一般略高于單一面層結(jié)構(gòu)下的砂質(zhì)量，原因是組合結(jié)構(gòu)厚度大于單一面層結(jié)構(gòu)，當(dāng)孔隙被砂粒堵塞時(shí)由于結(jié)構(gòu)的厚度較大使得砂粒一旦進(jìn)入結(jié)構(gòu)較難再次被水流攜帶而出，故堵塞砂粒質(zhì)量高于單一面層結(jié)構(gòu)。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮設(shè)計(jì)合理的面層結(jié)構(gòu)，以改善透水水泥混凝土組合結(jié)構(gòu)滲透性能的衰減。

5 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)不同路面結(jié)構(gòu)層堵塞和滲透性能試驗(yàn)，分析了級(jí)配砂對(duì)不同級(jí)配面層、基層以及面層基層組合透水混凝土結(jié)構(gòu)滲透性能的影響規(guī)律，同時(shí)還分析了不同結(jié)構(gòu)層的堵塞物敏感粒徑，得到以下結(jié)論：

(1) 透水混凝土面層級(jí)配選取時(shí)，適當(dāng)提高9.5～16 mm集料用量，可使路面結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)保持較好的滲透性能。

(2) G-1級(jí)配透水混凝土的滲透系數(shù)和透水殘余系數(shù)均優(yōu)于G-2和G-3級(jí)配，表明要使透水混凝土基層具有良好的滲透性能，須選擇粗型級(jí)配。

(3) 面層與基層組合結(jié)構(gòu)下，透水殘余系數(shù)主要取決于面層結(jié)構(gòu)的選擇，與基層結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)關(guān)。在投入砂質(zhì)量相同時(shí)，組合結(jié)構(gòu)的透水殘余系數(shù)略低于單一面層結(jié)構(gòu)。

(4) 面層、基層及面層基層組合結(jié)構(gòu)的堵塞物敏感粒徑占比較大的粒徑范圍為0.3～0.6 mm。故在設(shè)計(jì)有級(jí)配透水混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，在保證強(qiáng)度的前提下可以適當(dāng)提高集料的粒徑。

(5) 通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)透水殘余系數(shù)衰減公式的回歸，得到了透水鋪裝層滲透性能衰減規(guī)律，可指導(dǎo)透水鋪裝結(jié)構(gòu)層進(jìn)行真空吸附或壓力吹掃清理維護(hù)的時(shí)機(jī)選擇，從而保證其使用性能。