牛志剛，朱平華，陳春紅，王新杰，劉 惠

(常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，常州 213164)

0 引 言

近年來，城市內(nèi)澇災(zāi)害席卷全球，嚴(yán)重威脅到城市的正常運轉(zhuǎn)和人們的日常生活，阻礙了人類的可持續(xù)發(fā)展。為了減少城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生并提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能，全球掀起了海綿城市建設(shè)高潮[1-2]。鋪裝具有良好透水性能的透水混凝土路面，能夠有效緩解城市“雨島效應(yīng)”，降低暴雨內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的概率[3-6]。而利用廢棄混凝土制備高強(qiáng)再生透水混凝土(Recycled Pervious Concrete，RPC)是減少天然資源消耗，提高廢棄混凝土利用率，解決土地占用及環(huán)境污染等問題，實現(xiàn)城市抗暴雨內(nèi)澇的有效措施[7-8]。

中國國土面積廣闊，緯度跨度較大，地勢位置差異明顯，導(dǎo)致各地區(qū)氣候復(fù)雜多樣。據(jù)統(tǒng)計[9]，2018年北京降雨量為546.6 mm，而廣州降雨量則達(dá)到1 759.0 mm，南北地區(qū)降雨情況相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致不同城市經(jīng)受不同程度暴雨的侵襲。暴雨程度(按暴雨等級劃分，包括暴雨、大暴雨及特大暴雨)與透水混凝土透水性能之間的關(guān)系決定了城市內(nèi)澇發(fā)生的概率和程度。透水混凝土連通孔隙率越大，透水系數(shù)越大，對暴雨徑流的削減效果也越佳[10-12]。Li等[13]采用恒定水壓試驗方法對新型直通孔透水混凝土進(jìn)行了透水系數(shù)測定。結(jié)果表明，透水系數(shù)從13.02 mm/s(孔隙率為1.246%)增大到21.84 mm/s(孔隙率為2.769%)，二者呈線性關(guān)系。王俊嶺等[14]研究表明，當(dāng)暴雨等級為暴雨和大暴雨時，孔隙率為24%的傳統(tǒng)透水混凝土路面對徑流總量的削減率分別達(dá)60%和40%以上，雨量徑流系數(shù)為0.18～0.54。但孔隙率與強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，因此使用過大孔隙率會增加生產(chǎn)成本，造成資源浪費。根據(jù)暴雨作用等級鋪裝合理孔隙率(透水系數(shù))范圍的透水混凝土路面成為全國進(jìn)行海綿城市建設(shè)，防治城市暴雨內(nèi)澇的重要舉措。然而迄今為止，根據(jù)暴雨作用等級確定透水混凝土目標(biāo)孔隙率(透水系數(shù))的研究鮮有涉及。

眾所周知，傳統(tǒng)透水混凝土普遍存在強(qiáng)度低、孔隙率大但滲透系數(shù)低等缺陷[15]。針對這些不足，Li等[13]創(chuàng)新性地提出了采用壓力成型方式，形成上下直通的孔隙，制備出新型高強(qiáng)直通孔透水混凝土。這為利用再生粗骨料制備高強(qiáng)再生透水混凝土用于重載交通道路提供了可能。本文通過研究透水系數(shù)與孔隙率及暴雨等級之間的關(guān)系，確定不同暴雨等級的最佳孔隙率范圍，結(jié)合孔隙率與強(qiáng)度的定量關(guān)系，提出新型再生透水混凝土抗暴雨內(nèi)澇的設(shè)計方法，為不同暴雨等級及強(qiáng)度要求的路面透水混凝土設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 新型再生透水混凝土設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 直通孔透水混凝土示意圖Fig.1 Schematic diagram of pervious concreteof through hole

傳統(tǒng)透水混凝土設(shè)計的目標(biāo)孔隙率與實際達(dá)到的孔隙率之間存在差距，連通孔隙率與暴雨作用程度之間的定量關(guān)系更未得到確定的結(jié)論。新型再生透水混凝土改進(jìn)了以上不足，通過在初凝前預(yù)留鋼筋，并在初凝后終凝前取出，以形成上下連通的直通孔(如圖1所示)，解決了傳統(tǒng)透水混凝土孔隙結(jié)構(gòu)難控制、孔隙彎曲度大、易堵塞等難題。

1.2 最佳孔隙率設(shè)計

1.2.1 確定孔隙率的氣象依據(jù)

透水混凝土全壽命周期內(nèi)暴雨程度采用暴雨作用等級來表示。依據(jù)氣象學(xué)規(guī)定[16]，暴雨可劃分為暴雨、大暴雨和特大暴雨三個等級，各等級24 h內(nèi)累計降雨量分別為50.0～99.9 mm、100.0～249.9 mm和≥250.0 mm。我國大陸降雨量多集中于南方地區(qū)，目前24 h最大降雨量為1 672 mm，以此作為特大暴雨降雨量最大值。根據(jù)上述依據(jù)，科學(xué)建立暴雨等級與透水混凝土透水系數(shù)、孔隙率三者之間的量化關(guān)系，以達(dá)到根據(jù)氣象條件選擇新型直通孔透水混凝土最佳孔隙率的目的。

1.2.2 最佳孔隙率的確定

目前，關(guān)于透水混凝土的研究均未建立暴雨等級與目標(biāo)孔隙率之間的關(guān)系。透水混凝土的透水系數(shù)決定其透水性能，因此，透水系數(shù)不低于降雨速度即可滿足路面排澇要求。本文將暴雨等級換算為降雨速度，同時通過前期試驗得出的直通孔透水混凝土透水系數(shù)與孔隙率之間的函數(shù)關(guān)系，將暴雨等級與目標(biāo)孔隙率二者有機(jī)聯(lián)系起來，建立對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

圖2 滲透系數(shù)與孔隙率的關(guān)系Fig.2 Relationship between permeabilitycoefficient and porosity

以不發(fā)生暴雨內(nèi)澇災(zāi)害為前提，設(shè)定暴雨0.5 h不積水，大暴雨在0.5～1 h不積水，特大暴雨在0.5～2 h不積水作為計算降雨速度的依據(jù)。根據(jù)1.2.1節(jié)中得到的各暴雨等級24 h內(nèi)累計降雨量，計算得到各暴雨等級的降雨速度，孔隙率與暴雨等級的關(guān)系如表1所示。針對暴雨等級選擇的透水系數(shù)均應(yīng)不小于降雨速度，且同時需滿足透水混凝土透水系數(shù)的最低要求，即不低于0.5 mm/s[17]。

根據(jù)CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[17]，測定前期試驗制備的100 mm×100 mm×100 mm新型再生透水混凝土試塊的透水系數(shù)，透水系數(shù)(K)與孔隙率(p)的關(guān)系如圖2所示，擬合出關(guān)系式為K=8.41p1.27(R2>0.99)。根據(jù)此函數(shù)關(guān)系選取的滿足暴雨、大暴雨及特大暴雨最低排水要求的透水系數(shù)為0.5～0.93 mm/s，因此，根據(jù)此函數(shù)關(guān)系選取的最佳孔隙率范圍見表1，以保證不同等級暴雨作用下均具有抗暴雨內(nèi)澇的能力。

因此，當(dāng)新型透水混凝土實際的有效孔隙率大于表1中對應(yīng)的數(shù)據(jù)時，均可滿足發(fā)生暴雨、大暴雨、特大暴雨時透水混凝土路面的抗暴雨內(nèi)澇要求。由此建立孔隙率與暴雨等級的量化關(guān)系式，如式(1)所示，可針對不同氣象條件或路面排澇要求，選定新型透水混凝土路面的最佳孔隙率范圍。直通孔透水混凝土具有低孔隙率、高透水性的特性，孔隙率為0.09%時，其透水系數(shù)約為0.5 mm/s，為滿足透水混凝土透水系數(shù)的最低要求，所以孔隙率應(yīng)不小于0.09%。

(1)

式中：p為透水混凝土的孔隙率，%，其中p不小于0.09%；IR為不同暴雨等級的降雨量，mm，其中，暴雨、大暴雨及特大暴雨的降雨量分別為50.0～99.9 mm、100.0～249.9 mm和≥250.0 mm；t為降雨時間，s，其中，暴雨、大暴雨及特大暴雨降雨時間分別為0.5 h、0.5～1 h、0.5～2 h。

表1 孔隙率與暴雨等級的關(guān)系Table 1 Relationship between porosity and rainstorm grade

1.2.3 預(yù)留直通孔孔徑與孔分布設(shè)計

結(jié)合孔隙率與暴雨等級的定量關(guān)系，設(shè)計孔徑及孔分布。針對不同暴雨等級的最佳孔隙率范圍，孔徑可在0.8～2 mm選擇，同時根據(jù)孔隙率的大小，確定孔的數(shù)量，最后均勻分布在平面上。

1.3 抗壓強(qiáng)度設(shè)計

Li等[13]提出了直通孔透水混凝土強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系式，即式(2)：

S=S0exp(-0.141 1p)

(2)

式中：S為孔隙率(p)下的透水混凝土的強(qiáng)度，MPa；S0為無孔混凝土的強(qiáng)度，MPa；p為透水混凝土的孔隙率，%，其中p不小于0.09%。

根據(jù)GB 50688—2011《城市道路交通設(shè)施設(shè)計規(guī)范》規(guī)定[18]，混凝土預(yù)制塊的抗壓強(qiáng)度應(yīng)>50 MPa，抗彎拉強(qiáng)度應(yīng)≥5 MPa，因此不同孔隙率的新型再生透水混凝土的抗壓強(qiáng)度均宜≥50 MPa，根據(jù)針對不同暴雨等級的孔隙率0.09%～0.2%，計算得到基體強(qiáng)度，如表2所示，基體強(qiáng)度目標(biāo)設(shè)計值應(yīng)高于51.4 MPa才能滿足城市道路使用要求。

表2 新型再生透水混凝土基體強(qiáng)度Table 2 Matrix strength of novel recycled previous concrete

2 驗證試驗方法

2.1 新型再生透水混凝土配合比設(shè)計

本試驗采用的砂為天然河砂，其粒徑小于4.75 mm，表觀密度為2 645 kg/m3；水泥為P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度和比表面積分別為3 125 kg/m3和341 m2/kg；礦物摻合料為粉煤灰和硅灰，其中，粉煤灰等級為二級，表觀密度為2 500 kg/m3，比表面積為460 m2/kg，燒矢量是5.96%，硅灰等級為特級，表觀密度為2 759 kg/m3，燒矢量為2.62%；外加劑為減水劑和鋼纖維，其中，減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水效率可達(dá)25%，鋼纖維為平直型鍍銅微絲鋼纖維，長度13 mm，直徑0.2 mm，抗拉強(qiáng)度≥2 850 MPa；水為普通自來水；粗骨料為再生粗骨料，其性能參數(shù)如表3所示。

根據(jù)JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[19]中的規(guī)定來進(jìn)行配合比設(shè)計，參考表2中的計算結(jié)果，選擇C50為目標(biāo)強(qiáng)度等級，新型再生透水混凝土配合比見表4。

表3 粗骨料基本物理力學(xué)性能Table 3 Physical and mechanical properties of coarse aggregate

表4 自密實新型再生透水混凝土配合比Table 4 Mix proportion of self-compacting novel recycled previous concrete

2.2 新型再生透水混凝土的制備

針對暴雨、大暴雨和特大暴雨分別選取0.09%～0.1%、0.1%～0.11%和0.1%～0.2%作為最佳孔隙率。采用如圖3(a)所示的孔徑(d)及孔分布，制備不同孔隙率的新型再生透水混凝土，制備工藝如圖3(b)所示。

圖3 新型再生透水混凝土Fig.3 Novel recycled previous concrete

2.3 力學(xué)性能試驗

在28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后取出新型再生透水混凝土試塊，根據(jù)規(guī)范GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]要求進(jìn)行力學(xué)性能試驗?？箟簭?qiáng)度試驗所用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，加載速度取0.7 MPa/s。抗彎拉強(qiáng)度試驗所用試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，加載速度為0.07 MPa/s。

2.4 暴雨模擬試驗

為了進(jìn)一步確定孔隙率與暴雨等級之間定量關(guān)系的準(zhǔn)確性，本文通過暴雨裝置進(jìn)行不同暴雨等級的暴雨模擬驗證試驗。選取廣州市降雨記錄中24 h降雨量253.1 mm、176.3 mm、79.5 mm分別作為特大暴雨、大暴雨及暴雨降雨依據(jù)，將24 h內(nèi)實際降雨量劃分為6個降雨階段(Ⅰ～Ⅵ)，每階段60 min，進(jìn)行暴雨模擬，不同階段降雨量分布如圖4所示。將不同孔隙率的新型再生透水混凝土試塊分別放置于對應(yīng)暴雨等級作用下，采用圖4對應(yīng)的降雨過程選擇各時間段的降雨量，進(jìn)行暴雨模擬試驗。

圖4 暴雨、大暴雨、特大暴雨不同階段降雨量分布Fig.4 Rainfall distribution at different stages of rainstorm, heavy rain, torrential rain

3 結(jié)果與討論

3.1 抗壓強(qiáng)度

圖5 抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系Fig.5 Relationship between compressive strength and porosity

新型再生透水混凝土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，結(jié)果如圖5所示。

孔隙率為0%～0.2%的新型再生透水混凝土的抗壓強(qiáng)度為58.9～56.7 MPa，均大于50 MPa，滿足道路混凝土對抗壓強(qiáng)度的要求；且隨著孔隙率的增大，抗壓強(qiáng)度呈減小的趨勢，抗壓強(qiáng)度減小2.2 MPa，減小幅度為3.73%。實測抗壓強(qiáng)度下降的趨勢與理論分析的趨勢在誤差范圍內(nèi)一致，符合式(2)所示的關(guān)于抗壓強(qiáng)度與孔隙率的定量關(guān)系。

3.2 抗彎拉強(qiáng)度

試驗測得新型再生透水混凝土的抗彎拉強(qiáng)度如圖6(a)所示。孔隙率為0%～0.2%的新型再生透水混凝土的抗彎拉強(qiáng)度為7.45～6.92 MPa，均大于5 MPa，滿足道路混凝土對抗彎拉強(qiáng)度的要求。從圖6可知:隨著孔隙率的增大,抗彎拉強(qiáng)度呈減小的趨勢；隨著抗壓強(qiáng)度的降低，抗彎拉強(qiáng)度同樣呈減小趨勢，抗彎拉強(qiáng)度減小0.53 MPa，幅度為7.11%。

圖6 抗彎拉強(qiáng)度與孔隙率及抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between flexural strength and porosity, compressive strength

圖7 不同暴雨等級模擬降水過程Fig.7 Simulated precipitation process of different rainstorm grades

3.3 抗暴雨內(nèi)澇

試驗用試塊面積為100 mm×100 mm，實驗室模擬時降水量單位為mL，不同暴雨等級的模擬降水過程如圖7所示。

由圖2可知，孔隙率為0.09%～0.1%、0.1%～0.11%和0.1%～0.2%的透水混凝土試塊的實測透水系數(shù)分別為0.513～0.58 mm/s、0.58～0.65 mm/s和0.58～1.32 mm/s，而滿足廣州市各暴雨等級下抗內(nèi)澇要求的排水速度僅分別為 0.01～0.1 mm/s、0.02～0.22 mm/s和0.03～0.29 mm/s。前者遠(yuǎn)大于后者，因此在模擬暴雨的整個過程中，混凝土表面均無積水現(xiàn)象。新型再生透水混凝土具有優(yōu)異的抗暴雨內(nèi)澇性能，能夠滿足城市抗暴雨內(nèi)澇的要求。

4 結(jié) 論

(1)通過透水系數(shù)，建立了孔隙率與暴雨等級之間的定量關(guān)系，科學(xué)準(zhǔn)確地確定了針對不同暴雨等級，孔隙率合理的取值范圍；針對暴雨、大暴雨及特大暴雨最低排水要求的透水系數(shù)0.5～0.93 mm/s，選取的新型再生透水混凝土最佳孔隙率范圍分別為0.09%～0.1%、0.1%～0.11%及0.1%～0.2%，經(jīng)暴雨模擬試驗驗證，不同等級暴雨作用下均可達(dá)到抗暴雨內(nèi)澇的效果。

(2)新型再生透水混凝土抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減小，但均大于50 MPa與5 MPa，滿足道路混凝土對抗壓、抗彎拉強(qiáng)度的要求。

(3)提出的新型再生透水混凝土抗暴雨內(nèi)澇孔隙設(shè)計原理及方法，實現(xiàn)了根據(jù)暴雨等級進(jìn)行孔隙率選擇，為透水混凝土設(shè)計提供可靠依據(jù)。