陶瓷透水磚堵塞系數實驗研究

金雪莉，廖仕樂，朱俊炫，李淑晶，盧任機

（廣州番禺職業技術學院建筑工程學院，廣州511483）

1 前言

隨著經濟發展和城市化進程的加快，熱島效應、城市內澇等自然災害不斷破壞我們美麗的城市，人們研制具有透水能力的路面磚和地下蓄水系統來減緩災害對城市環境的破壞，效果顯著。

陶瓷透水磚是近幾年新推出一種透水路面鋪裝材料，它利用陶瓷原材料，經篩分選料、成型、烘干、高溫燒結而成，具有抗壓強度高、透水性好、防滑性能好、抗凍性能優異、耐久性好等優點[1]，被迅速推廣應用于廣場、人行道、停車場、公園等人流量相對密集的場所。經過幾年的投入使用，人們發現陶瓷透水磚路面出現不同情況的堵塞，這是由于細小顆粒物被人與自然風帶到磚表面，再加上下雨天雨水地表徑流的沖刷，導致細小顆粒物隨著水流進入磚內部連通孔隙，引起堵塞，大大降低了陶瓷透水磚的滲透速率，嚴重影響正常使用。

本文通過分析廣州本地雨水雜質顆粒粒徑分布特點，人工模擬降雨堵塞過程，研究陶瓷透水磚堵塞對其滲透性能的影響，為市政工程能及時更換因堵塞而失去效果的透水磚提供可行性研究數據，并為陶瓷透水磚生產提供可靠的實驗數據，幫助改進其滲透性能。

2 雨水樣品采集和顆粒分析

2.1 雨水樣品采集地點和采集方法

2.1.1 雨水采集選點

透水路面磚絕大多數鋪設在廣場、人行道、停車場等人流量相對密集的場所，本文經過廣泛調研選取了以下三個采樣地點，分別為：廣州番禺職業技術學院，番禺市橋廣場、天河花城廣場。每個地點采集700 mL的地表積聚雨水，分別裝入兩個350 mL透明礦泉水瓶中密封，并同時記錄采集樣品編號，采樣時間段、地點、當前氣溫溫度、采樣前未降雨天數等相關信息。

2.1.2 采集方法

準備若干350 mL聚丙烯塑料礦泉水瓶、一個塑料燒杯、一根適長作攪拌的棍子。同時時刻關注氣象局發出的實時天氣預告并加以記錄，待調研目標地區下雨后進行戶外現場采集地表積聚的雨水。采樣開始前要對雨水坑的樹葉等可見的雜物清理干凈，再用攪拌棒對雨水坑進行均勻攪拌，下一步用塑料燒杯盛起350 mL的雨水倒入礦泉水瓶中密封，采集完成。

2.2 樣品細小顆粒物粒徑分布測試

參考GB/T 19077-2016，用水相濕法分析細小顆粒物粒徑。將選定樣品倒入液體石蠟中，在超聲波清洗器中振蕩分散 10 min，置于銅網上，用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer 3000）進行細小顆粒物粒徑分析。

圖1是三個雨水樣品的細小顆粒物粒徑檢測報告，三份檢測報告的顆粒粒徑分布非常接近。約10%顆粒尺寸小于 13 μm（D10=13 μm），顆粒尺寸中值約為 38 μm（D50=38 μm），顆粒尺寸大于 114 μm（D90=114 μm）約占10%。

表1 細小顆粒物含量測試結果

2.3 樣品細小顆粒物含量測試

將雨水細小顆粒物樣品搖勻倒入干燥后的燒杯，用濕潤的濾紙蓋住不規則的燒杯口，防止干燥時微小顆粒物隨水蒸氣跑出燒杯外，影響實驗精度。干燥箱采用電熱鼓風干燥箱XMTD-2100，調節恒溫溫度105℃，直至肉眼判斷水分被烘干，打開干燥箱自然降溫，待干燥箱溫度接近室溫即可取出稱量，稱量完畢，再次將裝有細小顆粒物的燒杯放入干燥箱干燥30 min后稱量，多次操作直至質量數值不再變化。細小顆粒物含量測試結果見表1，由于樣品取自不同的廣場，地面潔凈程度不同，因此總細小顆粒物含量有差別，根據現場判斷廣場的清潔程度，本次實驗研究選擇雨水細小顆粒物含量為0.484 g/L。

3 模擬降雨堵塞實驗

3.1 地表雨水合成

本研究在實驗室內進行，選用級配硅砂模擬大自然中的泥土。硅砂具有穩定的物化性質，對實驗的誤差影響較小，是研究粒徑堵塞過程非常優良的材料[2]。本文結合雨水樣品1、2、3的細小顆粒物粒徑分布和含量測試結果，用五種不同粒徑的硅砂按1：2：4：2：1的比例制備了與大自然粒徑級配相似的沉積物，稱為“調整后的細顆粒物”（AFS）。AFS粒徑分布見表2。

表2 調整后的細顆粒物（AFS）粒徑分布

3.2 模擬降雨加速裝置

3.2.1 雨水模擬

根據廣州氣象年鑒近五年記錄最高降雨量為2734.8 mm，這個降雨量值被用于計算試驗所需要得雨水量。需要在陶瓷透水磚施加246 L（2734 mm×0.09 m2）的流入量來模擬相當于一年的降雨量，因此實驗室特質的不銹鐵缸需能容納300 mL的水。在實驗過程中為能使硅砂在水中處于懸浮狀態而不是沉積在缸底，在鐵缸上加裝有攪拌用的電機，下部連接直伸鐵缸底部的雙扇葉裝置。電機開啟可達到120 r/min，可滿足硅砂均勻懸浮在水中的要求。

3.2.2 降雨堵塞過程模擬

模擬降雨量的加速實驗需要一個穩定的水壓，使雨水均勻地灑在透水磚面上。實驗采用增壓泵（型號QRS25-10，最大流量 90 L/min，最高揚程 10 m），同時配合著閘閥控制出水口流量，達到模擬要求的降雨量。為了能模擬雨水及所選級配硅砂能均勻灑在透水磚面，本實驗采用300×300 mm的淋浴噴頭，淋雨噴頭正面有144個小孔，小孔直徑為3 mm，滿足硅砂順利通過噴頭小孔而不造成堵塞。

3.3 透水磚滲透速率實驗

3.3.1 實驗樣品——陶瓷透水磚（簡寫“TC”）

陶瓷透水磚具有抗壓性能高、耐風化、防火好、耐久及色彩豐富，透水性能好等特點，適用于人行道及廣場。陶瓷透水磚由陶瓷原材料燒結而成，由于其材料和制作工藝的特點，孔隙率非常高，可達到20%以上，具有良好的滲透性。本實驗用陶瓷透水磚樣品的規格為300×300×55 mm。

3.3.2 實驗原理

滲透系數是衡量透水鋪裝材料滲流能力的重要指標，該指標遵循達西定律，通常采用常水頭進行測試[3]。根據達西定律，水流過試件橫截面積時，水體流速與水頭損失成正比且與流經距離成反比，計算公式如下，

式中：K 為滲水系數，cm·s－1；Q 為滲流量，cm3；A 為試件斷面面積，cm2；L為水流流經試件的長度，cm；h為水頭差，cm；t為試驗持續時間，s。

3.3.3 實驗裝置

根據透水磚路面技術規程（CJJ/T188-2012）要求，設計測試滲透系數實驗裝置，按照本次實驗陶瓷透水磚材料尺寸進行改良，具體見圖4。

3.3.4 實驗步驟

（1）實驗預處理：先將透水磚浸泡一晚，保證透水磚內部的孔隙充滿水。

（2）初始滲透系數測試：實驗前把定水頭裝置下水口與水龍頭打開，隨著液面的上升到一定高度，多余的水從下水口與上水口同時流出，待兩個出水口流出的水穩定后使用游標卡尺測量下水面與上水面高度，計算出水頭差，再用塑料水盤從下方出水口接水，用秒表計時測量20 s的滲水量，用量筒測量出滲水量并計算定水頭初始滲透系數。

（3）堵塞后滲透系數測試：在模擬降雨堵塞加速實驗中采用降雨持續時間8 h，在雨量缸內放263 L水，將調配好比例的硅砂倒入水中，開啟電機攪拌，待電機攪拌五分鐘，水中硅砂均勻懸浮在水中后，開啟閘閥，水及水中硅砂在正增壓泵的加壓下通過多孔噴頭均勻灑在透水磚表面上。實驗結束后，重新安裝到定水頭實驗裝置，按上述步驟再次測試透水磚滲透系數。

4 實驗結果及分析

表3 陶瓷透水磚堵塞實驗結果

4.1 滲透系數測試結果

圖5是對三個陶瓷透水磚樣品TC1、TC2和TC3分別做三次滲透系數實驗后的數據對比。根據圖中數據計算，三塊樣品滲透系數測試結果平均值分別為0.0766、0.0638、0.0607 cm·m-1，三個樣品三次測試的數據均有不同，測試結果的重復性誤差和變異性誤差分別為。結果表明：重復性實驗數據有差異，但是差異較小，在可接受范圍內；測試樣品有差異，這是由于滲透系數受孔隙迂回度、孔徑尺寸及開放孔隙率等多種因素影響[4]，且透水材料實際制作過程較粗糙，造成了材料孔隙特征參數離散性較大。

4.2 堵塞系數測試結果

表3是對三個陶瓷透水磚樣品TC1、TC2和TC3模擬降雨過程淋水8 h后，測試得到的滲透系數值，可以看出實驗室合成雨水中的細小顆粒物對陶瓷透水磚造成了明顯的堵塞。三個樣品堵塞后滲透系數和初始滲透系數之比分別為32.0%、35.1%和30.0%，可見雖然陶瓷透水磚材料之間差異較大，但是堵塞行為非常接近。

5 結論

（1）本文研究了廣州本地雨水細小顆粒物粒徑分布及含量特征，在實驗室用五種不同粒徑的硅砂按配比人工合成細小顆粒物含量為0.484 g/L的雨水，用于模擬降雨過程實驗。

（2）研究根據達西定律設計了陶瓷透水磚滲透系數實驗裝置，用于堵塞實驗前后陶瓷透水磚滲透系數的測試。測試結果表明：1）雨水中的細小顆粒物對陶瓷透水磚造成了明顯的堵塞，堵塞后滲透系數約為初始滲透系數的1/3；2）實驗的重復性誤差較小，說明實驗裝置的精確度較高，實驗結果較可靠；3）不同樣品的差異性誤差較大，說明陶瓷透水磚材料孔隙特征參數離散性較大。