一种抗暴雨内涝再生透水混凝土路面设计方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土路面设计方法，尤其涉及一种抗暴雨内涝再生透水混凝土路面设计方法。
背景技术
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。为了减少城市暴雨内涝灾害的发生并提升生态系统功能，全球掀起了“海绵城市”建设高潮。铺装透水混凝土路面，能够快速地渗透暴雨径流，有效管理城市雨水，降低暴雨内涝灾害发生的概率，具有良好的应用前景，受到市政工程领域的广泛关注。
国内外对透水混凝土的透水性能及城市雨水管理应用方面已开展了大量研究，但传统透水混凝土的孔隙率不可以准确控制、透水能力差及透水性和强度之间存在矛盾等缺陷，从而设计出来的透水道路无法满足排涝要求，目前针对不同等级暴雨进行透水混凝土设计的研究鲜有涉及。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种抗暴雨内涝再生透水混凝土路面设计方法，该方法可根据路面需要达到的排涝要求设计混凝土的孔隙率及配合比。
本发明所采取的技术方案为：一种抗暴雨内涝再生透水混凝土路面设计方法，包括以下步骤
S01确定达到设定排水标准时，混凝土路面的透水系数K；
S02获取混凝土孔隙率P与透水系统K之间的关系式一，并根据所述关系式一确定步骤S01中的透水系数K所对应的孔隙率P；
S03获取混凝土强度与孔隙率P之间的关系式二，并根据所述关系式二确定混凝土强度；
S04根据孔隙率P与透水孔之间的关系式三进行混凝土路面透水孔设计，所述透水孔设计包括透水孔的孔径及孔分布设计；
S05根据步骤S03确定的混凝土强度进行混凝土的配合比设计。该方法可根据暴雨等级及路面需要达到的排涝要求设计透水混凝土的孔隙率及配合比。
进一步的，根据降水量确定暴雨等级，并根据暴雨等级确定相应暴雨等级下需要满足的透水系数，根据混凝土路面要承受的暴雨等级，确定步骤S01中混凝土路面的透水系数K。
进一步的，所述透水系数均应满足K≥0.5mm/s，且大于降水速度。
进一步的，所述关系式一为：K＝8.79p1.18，其中，K为透水系数,mm/s；p为孔隙率,％。
进一步的，所述关系式二为：S＝S0e-0.1397p，式中，S0为混凝土孔隙率为0时的强度,MPa；S为孔隙率为p时的强度,MPa；p为孔隙率,％。关系式二仅考虑强度与孔隙率的关系，孔隙率是变量。
进一步的，所述关系式三为：
进一步的，所述步骤S05中配合比中的水胶比根据步骤S03确定的混凝土强度计算得出，混凝土的强度与水胶比的关系为关系式四：
式中，mb为胶凝材料的质量，kg/m3；mw为水的质量，kg/m3；fce为水泥28d实测抗压强度，MPa；β为矿物掺合料占胶凝材料的质量分数；γ为矿物掺合料的胶凝系数；fcu,0为混凝土设计强度，MPa。
进一步的，所述混凝土由再生粗集料、细集料、胶凝材料、减水剂、钢纤维和水组成，所述胶凝材料由强度等级为52.5的硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰组成。
进一步的，粗集料全部采用再生粗集料；细集料采用天然砂，细集料的体积分数为0.42-0.45；粉煤灰和硅灰的质量均为胶凝材料质量的10％-20％；减水剂质量为胶凝材料质量的1.6％-2.2％；钢纤维占胶凝材料的体积分数为1.4％-1.8％。
进一步的，暴雨等级分为暴雨、大暴雨和特大暴雨，暴雨、大暴雨和特大暴雨24h内累计降雨量分别为50.0-99.9mm、100.0-249.9mm和≥250.0mm，步骤S01中透水系数根据暴雨不内涝，大暴雨0.5-1h不积水，特大暴雨0.5-2h不积水三种工况下的降水速度确定。
本发明所产生的有益效果包括：
(1)通过本发明可准确地得到不同暴雨等级时透水混凝土的最佳孔隙率范围，从而快速地根据所处地区的暴雨等级、排涝及强度要求，确定新型再生透水混凝土路面的孔隙率及配合比，实现低成本高效率的抗暴排涝，避免灾害发生。
(2)新型再生透水混凝土改善了传统透水混凝土的诸多不足，达到了低孔隙率、高渗透性、还原雨水、维持城市水循环的效果。铺装路面后，具有强度高、耐久性好、吸声降噪、提高车辆与行人行走舒适度、缓解城市热岛效应的作用，同时再生骨料的利用，可解决建筑废弃物资源化再利用问题，节约天然资源。
(3)本发明采用直通孔方式进行排涝，孔隙率容易控制，且孔隙均为有效孔隙，不容易堵塞，为城市道路排涝问题提供了一种新的解决方法。
附图说明
图1为本发明的一种新型抗暴雨内涝再生透水混凝土路面的制备流程图。
图2为透水系数与孔隙率关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明。但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
如图1，方法步骤为
1、本发明中根据降水量价格暴雨分为三个等级，分别为暴雨、大暴雨及特大暴雨；暴雨、大暴雨和特大暴雨24h内累计降雨量分别为50.0-99.9mm、100.0-249.9mm和≥250.0mm；1672mm是我国目前记录的24h最大降雨量，以此作为特大暴雨降雨量最大值。取暴雨不内涝，大暴雨0.5-1h不积水，特大暴雨0.5-2h不积水三种工况计算降水速度，降水速度为累计降水量与排水时间之比。根据降水速度，选取抗不同暴雨等级的透水系数K。透水系数均应满足透水混凝土透水系数最低要求，即K≥0.5mm/s，且大于降水速度。
孔隙率p与透水系数K之间的关系为式(1)，该关系式为大量试验得到的，试验数据中透水系数与孔隙率关系图如图2，
K＝8.79p1.18 (1)
式中，K为透水系数，mm/s；p为孔隙率，％。
确定暴雨等级、透水系数及孔隙率三者之间的定量关系，得出针对不同暴雨等级的最佳孔隙率范围。
三种暴雨等级与孔隙率之间的定量关系，见表1。
表1三种暴雨等级与孔隙率的关系
2、再根据孔隙率与强度之间的关系确定新型再生透水混凝土强度等级。混凝土的孔隙率与强度之间的关系为式(2)。
S＝S0e-0.1397p (2)
式中，S0为孔隙率为0％时的强度，MPa；S为孔隙率为p时的强度，MPa；p为孔隙率，％。
3、根据再生透水混凝土的孔隙率，进行透水孔孔径及孔分布设计。所述的新型抗暴雨内涝再生透水混凝土的透水孔为上下直通孔，混凝土浇筑前在模具中预留钢筋，在初凝后终凝前抽出钢筋，混凝土形成上下连通的孔隙，孔隙均为有效孔隙。孔形状选择均匀分散界面力最好的圆形，孔隙率计算公式为式(3)，选择适宜的孔径及孔分布，其中孔径在0.7-1.2mm之间选择。
式中，P为孔隙率，％；n为透水混凝土单位面积上的透水孔数量，个；d为透水孔的平均直径，mm，所述混凝土的透水孔采用上下连通的圆形直通孔；S为混凝土试块的单位面积，mm2。
4、由式(4)中设计强度与水胶比的关系式得到水胶比。
式中，mb为胶凝材料的质量，kg/m3；mw为水的质量，kg/m3；fce为水泥28d实测抗压强度，MPa；β为矿物掺合料占胶凝材料的质量分数，％；γ为矿物掺合料的胶凝系数；fcu,0为混凝土设计强度，MPa。
实施例1
步骤1、将暴雨工况的24h内累计降雨量除以此工况排水时间，得到暴雨的降水速度范围为0.03-0.06mm/s；根据降水速度范围，选取抗暴雨等级为大暴雨的透水系数为0.5mm/s；根据透水系数与孔隙率的关系式(1)，确定针对不同暴雨等级的最佳孔隙率范围为0.09-0.1％。
步骤2、一种新型抗暴雨内涝再生透水混凝土路面，根据暴雨的排水要求，孔径选取为0.7mm，每1平方分米上均匀布置25个透水孔，采用5×5排列方式，孔隙率为0.096％。
步骤3、确定新型再生透水混凝土强度等级为55MPa，根据设计强度等级和式(4)计算得到水胶比为0.41，进行配合比设计，水泥、水、砂、硅灰、粉煤灰、钢纤维、减水剂、再生粗骨料分别为358kg/mm3、215kg/mm3、790kg/mm3、60kg/mm3、30kg/mm3、109kg/mm3、8kg/mm3、704kg/mm3。
步骤4、将搅拌后的混凝土装入具有预留钢筋的模具中，待初凝后终凝前拔出钢筋，形成上下连通的直孔。常温静置24h后拆模，放入标准养护室(温度20±2℃、相对湿度95％RH以上)养护。
步骤5、透水混凝土标准养护28d后，进行抗压强度、抗弯拉强度及暴雨模拟试验，其中暴雨模拟时，将固定孔隙率的新型再生透水混凝土放置于暴雨装置下，选择广东市历史降雨记录中24h降雨量79.5mm作为暴雨的模拟降雨量，进行抗暴雨内涝性能测试。
实施例2
步骤1、将暴雨工况的24h内累计降雨量除以此工况排水时间，得到暴雨的降水速度范围为0.03-0.06mm/s；根据降水速度范围，选取抗暴雨等级为大暴雨的透水系数为0.5mm/s；根据透水系数与孔隙率的关系式(1)，确定针对不同暴雨等级的最佳孔隙率范围为0.09-0.1％。
步骤2、一种新型抗暴雨内涝再生透水混凝土路面，根据暴雨的排水要求，孔径选取为1mm，每1平方分米上均匀布置12个透水孔，采用3×4排列方式，孔隙率为0.094％。
步骤3、确定新型再生透水混凝土强度等级为55MPa，根据设计强度等级和式(4)计算得到水胶比为0.41，进行配合比设计，水泥、水、砂、硅灰、粉煤灰、钢纤维、减水剂、再生粗骨料分别为358kg/mm3、215kg/mm3、790kg/mm3、45kg/mm3、45kg/mm3、113kg/mm3、7kg/mm3、704kg/mm3。
步骤4、将搅拌后的混凝土装入具有预留钢筋的模具中，待初凝后终凝前拔出钢筋，形成上下连通的直孔。常温静置24h后拆模，放入标准养护室(温度20±2℃、相对湿度95％RH以上)养护。
步骤5、透水混凝土标准养护28d后，进行抗压强度、抗弯拉强度及暴雨模拟试验，其中暴雨模拟时，将固定孔隙率的新型再生透水混凝土放置于暴雨装置下，选择广东市历史降雨记录中24h降雨量79.5mm，作为暴雨的模拟降雨量，进行抗暴雨内涝性能测试。
实施例3
步骤1、将大暴雨工况的24h内累计降雨量除以此工况排水时间，得到大暴雨的降水速度范围为0.03-0.14mm/s；根据降水速度范围，选取抗暴雨等级为大暴雨的透水系数为0.5mm/s；根据透水系数与孔隙率的关系式(1)，确定针对不同暴雨等级的最佳孔隙率范围为0.1-0.11％。
步骤2、一种新型抗暴雨内涝再生透水混凝土路面，根据大暴雨的排水要求，针对大暴雨，孔径选取为0.8mm，每1平方分米上均匀布置20个透水孔，采用4×5排列方式，孔隙率为0.100％。
步骤3、确定新型再生透水混凝土强度等级为60MPa，根据设计强度等级和式(4)计算得到水胶比为0.37，进行配合比设计，水泥、水、砂、硅灰、粉煤灰、钢纤维、减水剂、再生粗骨料分别为377kg/mm3、205kg/mm3、790kg/mm3、47kg/mm3、47kg/mm3、117kg/mm3、8kg/mm3、704kg/mm3。
步骤4、将搅拌后的混凝土装入具有预留钢筋的模具中，待初凝后终凝前拔出钢筋，形成上下连通的直孔。常温静置24h后拆模，放入标准养护室(温度20±2℃、相对湿度95％RH以上)养护。
步骤5、透水混凝土标准养护28d后，进行抗压强度、抗弯拉强度及暴雨模拟试验，其中暴雨模拟时，将固定孔隙率的新型再生透水混凝土放置于暴雨装置下，选择广东市历史降雨记录中24h降雨量176.3mm，作为大暴雨的模拟降雨量，进行抗暴雨内涝性能测试。
实施例4
步骤1、将大暴雨工况的24h内累计降雨量除以此工况排水时间，得到大暴雨的降水速度范围为0.03-0.14mm/s；根据降水速度范围，选取抗暴雨等级为大暴雨的透水系数为0.5mm/s；根据透水系数与孔隙率的关系式(1)，确定针对不同暴雨等级的最佳孔隙率范围为0.1-0.11％。
步骤2、一种新型抗暴雨内涝再生透水混凝土路面，根据大暴雨的排水要求，针对大暴雨，孔径选取为0.9mm，每1平方分米上均匀布置16个透水孔，采用4×4排列方式，孔隙率为0.102％。
步骤3、确定新型再生透水混凝土强度等级为60MPa，根据设计强度等级和式(4)计算得到水胶比为0.37，进行配合比设计，水泥、水、砂、硅灰、粉煤灰、钢纤维、减水剂、再生粗骨料分别为377kg/mm3、205kg/mm3、790kg/mm3、56kg/mm3、38kg/mm3、121kg/mm3、9kg/mm3、704kg/mm3。
步骤4、将搅拌后的混凝土装入具有预留钢筋的模具中，待初凝后终凝前拔出钢筋，形成上下连通的直孔。常温静置24h后拆模，放入标准养护室(温度20±2℃、相对湿度95％RH以上)养护。
步骤5、透水混凝土标准养护28d后，进行抗压强度、抗弯拉强度及暴雨模拟试验，其中暴雨模拟时，将固定孔隙率的新型再生透水混凝土放置于暴雨装置下，选择广东市历史降雨记录中24h降雨量176.3mm，作为大暴雨的模拟降雨量，进行抗暴雨内涝性能测试。
实施例5
步骤1、将特大暴雨工况的24h内累计降雨量除以此工况作排水时间，得到暴雨等级为特大暴雨的降水速度范围为0.04-0.93mm/s；根据降水速度范围，选取抗暴雨等级为大暴雨的透水系数范围为0.5-0.93mm/s；根据透水系数与孔隙率的关系式(1)，确定针对不同暴雨等级的最佳孔隙率范围为0.1-0.2％。
步骤2、一种新型抗暴雨内涝再生透水混凝土路面，根据特大暴雨的排水要求，针对特大暴雨，孔径选取为0.9mm，每1平方分米上均匀布置20个透水孔，采用4×5排列方式，孔隙率为0.127％。
步骤3、确定新型再生透水混凝土强度等级为65MPa，根据设计强度等级和式(4)计算得到水胶比为0.34，进行配合比设计，水泥、水、砂、硅灰、粉煤灰、钢纤维、减水剂、再生粗骨料分别为392kg/mm3、195kg/mm3、790kg/mm3、49kg/mm3、49kg/mm3、125kg/mm3、9kg/mm3、704kg/mm3。
步骤4、将搅拌后的混凝土装入具有预留钢筋的模具中，待初凝后终凝前拔出钢筋，形成上下连通的直孔。常温静置24h后拆模，放入标准养护室(温度20±2℃、相对湿度95％RH以上)养护。
步骤5、透水混凝土标准养护28d后，进行抗压强度、抗弯拉强度及暴雨模拟试验，其中暴雨模拟时，将固定孔隙率的新型再生透水混凝土放置于暴雨装置下，选择广东市历史降雨记录中24h降雨量253.1mm，作为特大暴雨的模拟降雨量，进行抗暴雨内涝性能测试。
实施例6
步骤1、将特大暴雨工况的24h内累计降雨量除以此工况作排水时间，得到暴雨等级为特大暴雨的降水速度范围为0.04-0.93mm/s；根据降水速度范围，选取抗暴雨等级为大暴雨的透水系数范围为0.5-0.93mm/s；根据透水系数与孔隙率的关系式(1)，确定针对不同暴雨等级的最佳孔隙率范围为0.1-0.2％。
步骤2、一种新型抗暴雨内涝再生透水混凝土路面，根据特大暴雨的排水要求，针对特大暴雨，孔径选取为1mm，每1平方分米上均匀布置25个透水孔，采用5×5排列方式，孔隙率为0.196％。
步骤3、确定新型再生透水混凝土强度等级为65MPa，根据设计强度等级和式(4)计算得到水胶比为0.34，进行配合比设计，水泥、水、砂、硅灰、粉煤灰、钢纤维、减水剂、再生粗骨料分别为392kg/mm3、195kg/mm3、790kg/mm3、59kg/mm3、39kg/mm3、129kg/mm3、10kg/mm3、704kg/mm3。
步骤4、将搅拌后的混凝土装入具有预留钢筋的模具中，待初凝后终凝前拔出钢筋，形成上下连通的直孔。常温静置24h后拆模，放入标准养护室(温度20±2℃、相对湿度95％RH以上)养护。
步骤5、透水混凝土标准养护28d后，进行抗压强度、抗弯拉强度及暴雨模拟试验，其中暴雨模拟时，将固定孔隙率的新型再生透水混凝土放置于暴雨装置下，选择广东市历史降雨记录中24h降雨量253.1mm，作为特大暴雨的模拟降雨量，进行抗暴雨内涝性能测试。
试验结果如表2。
表2实施例1-6
结果表明，实施例中抗压强度实测值的与理论值在误差范围内一致，符合孔隙率与抗压强度的定量关系，且抗压、抗弯拉强度均满足道路透水混凝土的要求；在模拟暴雨的整个过程中，暴雨、大暴雨和特大暴雨三种工况下，新型抗暴雨内涝再生透水混凝土试件表面均无积水现象，孔隙率对积水均具有有效的消纳作用，满足抗暴雨内涝要求。通过上述分析，该发明可以全面、系统地确定不同暴雨等级的最佳孔隙率范围，可以根据所处地区的暴雨等级、排涝及强度要求，快速、可靠地进行配合比设计，有利于在实际工程中应用该新型抗暴雨内涝再生透水混凝土路面。
新型抗暴雨内涝再生透水混凝土有效地弥补了以上诸多不足，可以根据暴雨等级确定透水混凝土目标孔隙率(透水系数)，再根据目标孔隙率确定路用透水混凝土的强度，解决了透水性与强度之间的矛盾，达到有效快速的排涝目标，弥补了现阶段透水混凝土研究存在的技术空白。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。
