新型再生透水混凝土抗暴雨内涝设计方法

牛志刚，朱平华，陈春红，王新杰，刘 惠

(常州大学环境与安全工程学院，常州 213164)

0 引 言

近年来，城市内涝灾害席卷全球，严重威胁到城市的正常运转和人们的日常生活，阻碍了人类的可持续发展。为了减少城市暴雨内涝灾害的发生并提升城市生态系统功能，全球掀起了海绵城市建设高潮[1-2]。铺装具有良好透水性能的透水混凝土路面，能够有效缓解城市“雨岛效应”，降低暴雨内涝灾害发生的概率[3-6]。而利用废弃混凝土制备高强再生透水混凝土(Recycled Pervious Concrete，RPC)是减少天然资源消耗，提高废弃混凝土利用率，解决土地占用及环境污染等问题，实现城市抗暴雨内涝的有效措施[7-8]。

中国国土面积广阔，纬度跨度较大，地势位置差异明显，导致各地区气候复杂多样。据统计[9]，2018年北京降雨量为546.6 mm，而广州降雨量则达到1 759.0 mm，南北地区降雨情况相差甚远，导致不同城市经受不同程度暴雨的侵袭。暴雨程度(按暴雨等级划分，包括暴雨、大暴雨及特大暴雨)与透水混凝土透水性能之间的关系决定了城市内涝发生的概率和程度。透水混凝土连通孔隙率越大，透水系数越大，对暴雨径流的削减效果也越佳[10-12]。Li等[13]采用恒定水压试验方法对新型直通孔透水混凝土进行了透水系数测定。结果表明，透水系数从13.02 mm/s(孔隙率为1.246%)增大到21.84 mm/s(孔隙率为2.769%)，二者呈线性关系。王俊岭等[14]研究表明，当暴雨等级为暴雨和大暴雨时，孔隙率为24%的传统透水混凝土路面对径流总量的削减率分别达60%和40%以上，雨量径流系数为0.18～0.54。但孔隙率与强度呈负相关，因此使用过大孔隙率会增加生产成本，造成资源浪费。根据暴雨作用等级铺装合理孔隙率(透水系数)范围的透水混凝土路面成为全国进行海绵城市建设，防治城市暴雨内涝的重要举措。然而迄今为止，根据暴雨作用等级确定透水混凝土目标孔隙率(透水系数)的研究鲜有涉及。

众所周知，传统透水混凝土普遍存在强度低、孔隙率大但渗透系数低等缺陷[15]。针对这些不足，Li等[13]创新性地提出了采用压力成型方式，形成上下直通的孔隙，制备出新型高强直通孔透水混凝土。这为利用再生粗骨料制备高强再生透水混凝土用于重载交通道路提供了可能。本文通过研究透水系数与孔隙率及暴雨等级之间的关系，确定不同暴雨等级的最佳孔隙率范围，结合孔隙率与强度的定量关系，提出新型再生透水混凝土抗暴雨内涝的设计方法，为不同暴雨等级及强度要求的路面透水混凝土设计提供理论依据。

1 新型再生透水混凝土设计

1.1 结构设计

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

传统透水混凝土设计的目标孔隙率与实际达到的孔隙率之间存在差距，连通孔隙率与暴雨作用程度之间的定量关系更未得到确定的结论。新型再生透水混凝土改进了以上不足，通过在初凝前预留钢筋，并在初凝后终凝前取出，以形成上下连通的直通孔(如图1所示)，解决了传统透水混凝土孔隙结构难控制、孔隙弯曲度大、易堵塞等难题。

1.2 最佳孔隙率设计

1.2.1 确定孔隙率的气象依据

透水混凝土全寿命周期内暴雨程度采用暴雨作用等级来表示。依据气象学规定[16]，暴雨可划分为暴雨、大暴雨和特大暴雨三个等级，各等级24 h内累计降雨量分别为50.0～99.9 mm、100.0～249.9 mm和≥250.0 mm。我国大陆降雨量多集中于南方地区，目前24 h最大降雨量为1 672 mm，以此作为特大暴雨降雨量最大值。根据上述依据，科学建立暴雨等级与透水混凝土透水系数、孔隙率三者之间的量化关系，以达到根据气象条件选择新型直通孔透水混凝土最佳孔隙率的目的。

1.2.2 最佳孔隙率的确定

目前，关于透水混凝土的研究均未建立暴雨等级与目标孔隙率之间的关系。透水混凝土的透水系数决定其透水性能，因此，透水系数不低于降雨速度即可满足路面排涝要求。本文将暴雨等级换算为降雨速度，同时通过前期试验得出的直通孔透水混凝土透水系数与孔隙率之间的函数关系，将暴雨等级与目标孔隙率二者有机联系起来，建立对应的函数关系。

图2 渗透系数与孔隙率的关系Fig.2 Relationship between permeabilitycoefficient and porosity

以不发生暴雨内涝灾害为前提，设定暴雨0.5 h不积水，大暴雨在0.5～1 h不积水，特大暴雨在0.5～2 h不积水作为计算降雨速度的依据。根据1.2.1节中得到的各暴雨等级24 h内累计降雨量，计算得到各暴雨等级的降雨速度，孔隙率与暴雨等级的关系如表1所示。针对暴雨等级选择的透水系数均应不小于降雨速度，且同时需满足透水混凝土透水系数的最低要求，即不低于0.5 mm/s[17]。

根据CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》[17]，测定前期试验制备的100 mm×100 mm×100 mm新型再生透水混凝土试块的透水系数，透水系数(K)与孔隙率(p)的关系如图2所示，拟合出关系式为K=8.41p1.27(R2>0.99)。根据此函数关系选取的满足暴雨、大暴雨及特大暴雨最低排水要求的透水系数为0.5～0.93 mm/s，因此，根据此函数关系选取的最佳孔隙率范围见表1，以保证不同等级暴雨作用下均具有抗暴雨内涝的能力。

因此，当新型透水混凝土实际的有效孔隙率大于表1中对应的数据时，均可满足发生暴雨、大暴雨、特大暴雨时透水混凝土路面的抗暴雨内涝要求。由此建立孔隙率与暴雨等级的量化关系式，如式(1)所示，可针对不同气象条件或路面排涝要求，选定新型透水混凝土路面的最佳孔隙率范围。直通孔透水混凝土具有低孔隙率、高透水性的特性，孔隙率为0.09%时，其透水系数约为0.5 mm/s，为满足透水混凝土透水系数的最低要求，所以孔隙率应不小于0.09%。

(1)

式中：p为透水混凝土的孔隙率，%，其中p不小于0.09%；IR为不同暴雨等级的降雨量，mm，其中，暴雨、大暴雨及特大暴雨的降雨量分别为50.0～99.9 mm、100.0～249.9 mm和≥250.0 mm；t为降雨时间，s，其中，暴雨、大暴雨及特大暴雨降雨时间分别为0.5 h、0.5～1 h、0.5～2 h。

表1 孔隙率与暴雨等级的关系Table 1 Relationship between porosity and rainstorm grade

1.2.3 预留直通孔孔径与孔分布设计

结合孔隙率与暴雨等级的定量关系，设计孔径及孔分布。针对不同暴雨等级的最佳孔隙率范围，孔径可在0.8～2 mm选择，同时根据孔隙率的大小，确定孔的数量，最后均匀分布在平面上。

1.3 抗压强度设计

Li等[13]提出了直通孔透水混凝土强度与孔隙率关系式，即式(2)：

S=S0exp(-0.141 1p)

(2)

式中：S为孔隙率(p)下的透水混凝土的强度，MPa；S0为无孔混凝土的强度，MPa；p为透水混凝土的孔隙率，%，其中p不小于0.09%。

根据GB 50688—2011《城市道路交通设施设计规范》规定[18]，混凝土预制块的抗压强度应>50 MPa，抗弯拉强度应≥5 MPa，因此不同孔隙率的新型再生透水混凝土的抗压强度均宜≥50 MPa，根据针对不同暴雨等级的孔隙率0.09%～0.2%，计算得到基体强度，如表2所示，基体强度目标设计值应高于51.4 MPa才能满足城市道路使用要求。

表2 新型再生透水混凝土基体强度Table 2 Matrix strength of novel recycled previous concrete

2 验证试验方法

2.1 新型再生透水混凝土配合比设计

本试验采用的砂为天然河砂，其粒径小于4.75 mm，表观密度为2 645 kg/m3；水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥，其表观密度和比表面积分别为3 125 kg/m3和341 m2/kg；矿物掺合料为粉煤灰和硅灰，其中，粉煤灰等级为二级，表观密度为2 500 kg/m3，比表面积为460 m2/kg，烧矢量是5.96%，硅灰等级为特级，表观密度为2 759 kg/m3，烧矢量为2.62%；外加剂为减水剂和钢纤维，其中，减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水效率可达25%，钢纤维为平直型镀铜微丝钢纤维，长度13 mm，直径0.2 mm，抗拉强度≥2 850 MPa；水为普通自来水；粗骨料为再生粗骨料，其性能参数如表3所示。

根据JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》[19]中的规定来进行配合比设计，参考表2中的计算结果，选择C50为目标强度等级，新型再生透水混凝土配合比见表4。

表3 粗骨料基本物理力学性能Table 3 Physical and mechanical properties of coarse aggregate

表4 自密实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备

针对暴雨、大暴雨和特大暴雨分别选取0.09%～0.1%、0.1%～0.11%和0.1%～0.2%作为最佳孔隙率。采用如图3(a)所示的孔径(d)及孔分布，制备不同孔隙率的新型再生透水混凝土，制备工艺如图3(b)所示。

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

2.3 力学性能试验

在28 d标准养护后取出新型再生透水混凝土试块，根据规范GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[20]要求进行力学性能试验。抗压强度试验所用试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，加载速度取0.7 MPa/s。抗弯拉强度试验所用试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，加载速度为0.07 MPa/s。

2.4 暴雨模拟试验

为了进一步确定孔隙率与暴雨等级之间定量关系的准确性，本文通过暴雨装置进行不同暴雨等级的暴雨模拟验证试验。选取广州市降雨记录中24 h降雨量253.1 mm、176.3 mm、79.5 mm分别作为特大暴雨、大暴雨及暴雨降雨依据，将24 h内实际降雨量划分为6个降雨阶段(Ⅰ～Ⅵ)，每阶段60 min，进行暴雨模拟，不同阶段降雨量分布如图4所示。将不同孔隙率的新型再生透水混凝土试块分别放置于对应暴雨等级作用下，采用图4对应的降雨过程选择各时间段的降雨量，进行暴雨模拟试验。

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

3 结果与讨论

3.1 抗压强度

图5 抗压强度与孔隙率的关系Fig.5 Relationship between compressive strength and porosity

新型再生透水混凝土试块在标准养护条件下养护28 d后，进行抗压强度试验，结果如图5所示。

孔隙率为0%～0.2%的新型再生透水混凝土的抗压强度为58.9～56.7 MPa，均大于50 MPa，满足道路混凝土对抗压强度的要求；且随着孔隙率的增大，抗压强度呈减小的趋势，抗压强度减小2.2 MPa，减小幅度为3.73%。实测抗压强度下降的趋势与理论分析的趋势在误差范围内一致，符合式(2)所示的关于抗压强度与孔隙率的定量关系。

3.2 抗弯拉强度

试验测得新型再生透水混凝土的抗弯拉强度如图6(a)所示。孔隙率为0%～0.2%的新型再生透水混凝土的抗弯拉强度为7.45～6.92 MPa，均大于5 MPa，满足道路混凝土对抗弯拉强度的要求。从图6可知:随着孔隙率的增大,抗弯拉强度呈减小的趋势；随着抗压强度的降低，抗弯拉强度同样呈减小趋势，抗弯拉强度减小0.53 MPa，幅度为7.11%。

图6 抗弯拉强度与孔隙率及抗压强度的关系Fig.6 Relationship between flexural strength and porosity, compressive strength

图7 不同暴雨等级模拟降水过程Fig.7 Simulated precipitation process of different rainstorm grades

3.3 抗暴雨内涝

试验用试块面积为100 mm×100 mm，实验室模拟时降水量单位为mL，不同暴雨等级的模拟降水过程如图7所示。

由图2可知，孔隙率为0.09%～0.1%、0.1%～0.11%和0.1%～0.2%的透水混凝土试块的实测透水系数分别为0.513～0.58 mm/s、0.58～0.65 mm/s和0.58～1.32 mm/s，而满足广州市各暴雨等级下抗内涝要求的排水速度仅分别为 0.01～0.1 mm/s、0.02～0.22 mm/s和0.03～0.29 mm/s。前者远大于后者，因此在模拟暴雨的整个过程中，混凝土表面均无积水现象。新型再生透水混凝土具有优异的抗暴雨内涝性能，能够满足城市抗暴雨内涝的要求。

4 结 论

(1)通过透水系数，建立了孔隙率与暴雨等级之间的定量关系，科学准确地确定了针对不同暴雨等级，孔隙率合理的取值范围；针对暴雨、大暴雨及特大暴雨最低排水要求的透水系数0.5～0.93 mm/s，选取的新型再生透水混凝土最佳孔隙率范围分别为0.09%～0.1%、0.1%～0.11%及0.1%～0.2%，经暴雨模拟试验验证，不同等级暴雨作用下均可达到抗暴雨内涝的效果。

(2)新型再生透水混凝土抗压强度与抗弯拉强度随着孔隙率的增大而减小，但均大于50 MPa与5 MPa，满足道路混凝土对抗压、抗弯拉强度的要求。

(3)提出的新型再生透水混凝土抗暴雨内涝孔隙设计原理及方法，实现了根据暴雨等级进行孔隙率选择，为透水混凝土设计提供可靠依据。