建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法

摘要

本发明涉及一种建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法。该建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法包括以下步骤：选择不同级配的透水路面材料；分别对不同级配的透水路面的空隙率以及有效空隙率进行试验测试，将测试结果回归得到两者的相关关系；采用渗透率测试装置分别测试不同级配的透水材料的渗透系数；对不同级配透水材料的空隙率与渗透系数进行回归，得出透水路面材料的空隙率与渗透系数关系。本发明利用渗透率测试装置分别对不同级配的透水水泥混凝土和透水沥青混合料材料单层结构及组合结构进行渗透系数的测定，回归得出材料空隙率与渗透系数的关系，为选择材料与合理级配提供数据支撑，为海绵城市透水铺装设计提供参考。

说明书

技术领域

本发明属于铺装路面技术领域，特别是涉及一种建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法。

背景技术

“海绵城市”理念最先在“2012低碳城市与区域发展科技论坛”中被提出。海绵城市意指城市像海绵一样，下雨时雨水能迅速渗透到地面下，干旱时又能释放雨季蓄存的水分，通过城市自身调节来解决城市问题。

“海绵城市”建设离不开“海绵体”。归纳起来，符合“海绵体”特征的城市地物包括河流、湖泊等水系，绿化带、花园以及可透水地面等城市配套设施。雨水降落到上述“海绵体”上可迅速下渗到地面以下，自然地表对雨水具有储蓄、净化及循环利用功能，从而减少各种城市病的发生。其中透水道路铺装，作为海绵城市建设中一项重要的举措，涵盖了城市道路、城市绿地与广场道路、小区道路、城市道路等城市各级道路。由于透水铺装结构的特殊性，自身结构与材料特点与原有道路铺装有很大的差异。在透水铺装研究过程中，国家相继颁布了《透水砖路面技术规程》、《透水沥青路面技术规程》、《透水水泥混凝土路面技术规程》等技术规程，能够在一定程度上指导城市道路透水铺装的建设。

近几年来，透水水泥混凝土路面越来越受到国家的关注，一些混凝土科技会议、部分拟建或在建工程均决定使用多孔水泥混凝土。海绵城市道路透水铺装，首先应满足道路行车要求的强度要求，其次应满足能够有效透水性能要求。而强度的大小与路面承载能力有直接的联系，这正式限制了各种透水混凝土材料在各等级道路上及城市主要干道的使用。

优良的排水性能是透水铺装路面的重要特性。采用透水铺装结构，降雨时路表的雨水可以通过路面结构内部的连通空隙迅速排走，缓解城市管网排水的压力，有效推迟地表径流洪峰值出现的时间并削减地表径流流量，极大程度降低路表积水的可能性，提高行驶的安全性与舒适性。因此，有必要对透水铺装路面渗透性能及其衰减规律展开研究。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法。

本发明的一种建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法的技术方案是：

建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法，包括以下步骤：

选择不同级配的透水路面材料；

分别对不同级配的透水路面的空隙率以及有效空隙率进行试验测试，将测试结果回归得到两者的相关关系；

采用渗透率测试装置分别测试不同级配的透水材料的渗透系数；

对不同级配透水材料的空隙率与渗透系数进行回归，得出透水路面材料的空隙率与渗透系数关系。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述渗透率测试装置包括容器，所述容器内设有套筒，所述套筒上设有第一溢流管以及排水管，所述容器上设有第二溢流管。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述渗透率测试装置的使用方法包括以下步骤：（1）将待测结构的高度用直尺量出并计算结构底部截面的面积，在测试件的上顶面四周的侧壁上均匀的包裹一层橡皮泥，随后用生料带在外侧缠绕一周，将测试件从套筒的底部放入，然后在测试件与套筒侧壁衔接处用液态石蜡密封一圈，保证侧壁不产生渗漏，若测试件为多层结构时，在测试件层间的衔接处也要进行密封处理；（2）打开模拟降雨装置，向套筒进行降雨模拟操作，水流自下而上充满整个套筒，套筒上的排水管、第一溢流管均开始产生溢流；（3）当套筒上的排水管处不再有水流出时，开始按下秒表计时，此时同时在容器的第二溢流管处放置大烧杯，用于接收透过结构的水量，一分钟后再次按下秒表记录时间，重复试验，记录各次数值，计算得到不同结构的渗透系数。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述透水路面材料包括透水沥青混合料材料以及透水水泥混凝土材料；采用量体积法对不同级配的透水路面材料的空隙率进行测试，得到不同级配的透水路面材料的空隙率和有效空隙率。

作为对上述技术方案的进一步改进，

透水沥青混合料材料的空隙率与有效空隙率之间的拟合方程为：

透水沥青混合料材料的空隙率与渗透系数之间的拟合方程为：

其中：K-透水沥青混合料材料的渗透系数；n

作为对上述技术方案的进一步改进，

透水水泥混凝土材料的空隙率与有效空隙率之间的拟合方程为：

透水水泥混凝土材料的空隙率与有效空隙率之间的拟合方程为：

其中：K-透水水泥混凝土材料的渗透系数；n

本发明提供了一种建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法，相比于现有技术，其有益效果在于：

本发明的建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法，分别对不同级配下的透水水泥混凝土和透水沥青混合料材料的空隙率以及有效空隙率进行试验测试，将测试结果回归得到两者的相关关系，为实体工程中推测有效空隙率提供数据支持。利用渗透率测试装置分别对不同级配的透水水泥混凝土和透水沥青混合料材料单层结构及组合结构进行渗透系数的测定，回归得出材料空隙率与渗透系数的关系，为选择材料与合理级配提供数据支撑，为海绵城市透水铺装结构设计提供参考。

附图说明

图1是本发明的建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法的流程图；

图2是本发明的建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法中的透水沥青混合料空隙率与有效空隙率的关系图；

图3是本发明的建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法中的透水水泥混凝土空隙率与有效空隙率的关系图；

图4是本发明的建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法中的渗透率测试装置的结构示意图；

图5是本发明的建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法中的透水沥青混合料空隙率与渗透系数的关系图；

图6是本发明的建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法中的透水水泥混凝土空隙率与渗透系数的关系图；

图中：1、容器；2、套筒；3、第一溢流管；4、排水管；5、第二溢流管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法的具体实施例，集料级配是影响透水水泥混凝土与透水沥青混合料强度形成的重要因素。为保证透水铺装结构具有良好的排水性能和与合理的强度，参考课题组前期研究成果，分别选择不同的透水沥青混合料面层级配，透水水泥混凝土面层和基层的合理级配，级配选取如表1~表3所示。

表1透水沥青混合料面层级配

表2透水水泥混凝土面层级配

表3透水水泥混凝土基层级配

空隙是混凝土在成型时除去集料与水泥胶结形成的骨架的剩余部分，它由三部分组成，即连通空隙、半连通空隙以及闭孔空隙，三者之和为全空隙。从结构排水和蓄水的功能分析，又可以将空隙分为两种，将空隙中允许水从结构中通过、排出或暂时蓄积水的空隙称为有效空隙，反之，不能实现上述功能的空隙定义为无效空隙。因此，结构中水难以进入的封闭空隙为无效空隙，允许水分进入结构的连通以及半连通空隙均为有效空隙。

全空隙率表示混合料中空隙的体积占混合料总体积的百分比，通常简称为空隙率；混合料中有效空隙占混合料总体空隙的百分比通常称为混合料有效空隙率。

采用量体积法对透水混凝土的空隙率进行测试。此种方法是一种比较简单、直接的测试方法，将成型后试件的长、宽、高的基本数据用游标卡尺测量并进行记录，为了使计算结果误差尽可能小，在测量时需进行多组测试并取平均值，然后计算得出试件体积。

透水沥青混合料空隙率

对透水沥青混合料进行试验测试，试验结果如表4所示，分析数据可得透水沥青混合料空隙率与有效空隙率的关系，见图2。

表5空隙率与有效空隙率结果

三种级配透水沥青混合料的有效空隙率与空隙率之间存在良好的线性相关性。随着空隙率增大，有效空隙率也随之线性增大。根据表4可得出不同级配下透水沥青混合料的有效空隙率与空隙率的线性关系表达式，其中PAC-13a、PAC-16、PAC-20的表达式为：

其中：有效空隙表示为n

透水水泥混凝土材料空隙率

透水水泥混凝土空隙率测试结果如表5所示，分析数据可得透水水泥混凝土材料空隙率与有效空隙率之间的关系，见图3。

表5透水水泥混凝土空隙率与有效空隙率关系

根据表5中的相关试验结果进行数据回归，得出透水水泥混凝土的空隙率与有效空隙率之间的拟合关系，公式为：

其中：有效空隙表示为n

本实施例中，渗透系数采用渗透系数测试装置进行测定。如图4所示，渗透率测试装置包括容器1，所述容器1内设有套筒2，所述套筒2上设有第一溢流管3以及排水管4，所述容器1上设有第二溢流管5。渗透率测试装置还包括秒表、米尺、游标卡尺、降雨模拟装置和温度计。

渗透系数在测试时并非直接得出结果，而是根据过水量、过水面积、水头高度以及过水时间等多个因素控制，经综合计算得到最终结果，在设备制作时要考虑多因素对结果的影响，研制过程中考虑的主要因素有侧壁防渗、内部套筒尺寸设计及溢流管口开设位置等。

渗透率测试装置的使用方法包括以下步骤：（1）将待测结构的高度用直尺量出并计算结构底部截面的面积，在测试件的上顶面四周的侧壁上均匀的包裹一层橡皮泥，随后用生料带在外侧缠绕一周，将测试件从套筒的底部放入，然后在测试件与套筒侧壁衔接处用液态石蜡密封一圈，保证侧壁不产生渗漏，若测试件为多层结构时，在测试件层间的衔接处也要进行密封处理；（2）打开模拟降雨装置，向套筒进行降雨模拟操作，水流自下而上充满整个套筒，套筒上的排水管、第一溢流管均开始产生溢流；（3）当套筒上的排水管处不再有水流出时，开始按下秒表计时，此时同时在容器的第二溢流管处放置大烧杯，用于接收透过结构的水量，一分钟后再次按下秒表记录时间，重复试验，记录各次数值，根据达西公式计算得到不同结构的渗透系数。

使用上述装置对不同级配透水沥青混合料材料的渗透系数进行试验测试，每种级配选择多个试件进行测试，测试结果见表6。

表6透水沥青混合料渗透系数

由表6可知，最大公称粒径相同时，随着级配增粗，透水沥青混合料的渗透系数呈增大的趋势，级配越粗，材料的透水性能越好。随着最大公称粒径的增大，材料的渗透系数也呈现出增大的趋势。为研究材料的空隙率与渗透系数之间的相关性，拟合材料空隙率与渗透系数的相关关系如图5所示。

由图5可知，透水沥青混合料材料的空隙率与渗透系数之间的拟合方程为：

其中：K-透水沥青混合料材料的渗透系数；n

使用上述装置对测量多个透水水泥混凝土基层的渗透系数，测试结果如表7示。

表7透水水泥混凝土基层渗透系数结果

由表7可知，随着级配粒径的增大，透水水泥混凝土材料的渗透系数呈增大的趋势，级配粒径越大，材料的透水性能越好。透水水泥混凝土材料的渗透系数、空隙率和有效空隙率的测试结果见表4.2.5。为研究透水水泥混凝土空隙率与渗透系数结果的相关性，拟合材料空隙率与渗透系数的相关关系图像如图6所示。

由图6可知，透水水泥混凝土材料的空隙率与渗透系数的回归方程为：

其中：K-透水水泥混凝土材料的渗透系数；n

本发明的建立透水路面材料的空隙率与渗透系数关系的方法，分别对不同级配下的透水水泥混凝土和透水沥青混合料材料的空隙率以及有效空隙率进行试验测试，将测试结果回归得到两者的相关关系，为实体工程中推测有效空隙率提供数据支持。利用渗透率测试装置分别对不同级配的透水水泥混凝土和透水沥青混合料材料单层结构及组合结构进行渗透系数的测定，回归得出材料空隙率与渗透系数的关系，为选择材料与合理级配提供数据支撑，为海绵城市透水铺装结构设计提供参考。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。