基于海綿城市建設(shè)的新型陶瓷透水磚材料測(cè)試與分析

余太平，何延召,*，蔡 洪，鐘 敏

(1.湖北省城建設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北武漢 430051；2.武漢理工大學(xué)市政工程系，湖北武漢 430070)

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程加快，城市路面硬化程度加大，路面透水、保水能力大大下降，城市內(nèi)澇問(wèn)題日益加劇[1]；由于阻礙了與地面之間的熱濕交換，缺乏對(duì)溫度和濕度的調(diào)節(jié)能力，不透水道路材料易使城市形成“熱島效應(yīng)”[2]，影響生活質(zhì)量。當(dāng)降水量增大時(shí)，排水不及時(shí)易形成城市內(nèi)澇，引發(fā)災(zāi)害，尤其像武漢這樣的臨江城市，降水及時(shí)排放的問(wèn)題不容忽視。因此，加強(qiáng)海綿城市建設(shè)，恢復(fù)城市道路透水、保水能力刻不容緩。海綿城市可以實(shí)現(xiàn)滲水、蓄水、釋水功能，主要利用透水材料鋪裝、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施等減少雨水下滲量，再利用蓄水池、雨水罐、濕塘、雨水濕地等將降水進(jìn)行收集利用，最終達(dá)到降水減排、資源化利用的目的[3]。目前，市面上常用的普通陶瓷透水磚具有較好的透水性能，可減緩產(chǎn)流，減小下水道排水壓力，但強(qiáng)度差、易風(fēng)化。新型陶瓷透水磚在此基礎(chǔ)上不僅提高了透水性能，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度也相較改善。針對(duì)海綿城市中透水道路材料的滲透性能，從微觀結(jié)構(gòu)上測(cè)試材料的孔隙率大小、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究其對(duì)材料滲透性能的影響，達(dá)到有效改善材料透水能力的目的。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

市面上普通陶瓷透水磚的制備原料既可以是陶瓷原料，也可以是自燃過(guò)的工業(yè)垃圾煤矸石、廢瓷磚、石英、長(zhǎng)石、高嶺土和粘土等原料，另需加入結(jié)合劑、助熔劑等[4]。

新型陶瓷透水磚以陶瓷廢料為主要原料，厚度約為100 mm[5]；此外，需外加鈉長(zhǎng)石、高嶺土、滑石粉，莫來(lái)石晶須(晶須摻量約為40%)[6]。

由于新型陶瓷透水磚成分中添加了莫來(lái)石晶須，材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的變化，從而使得材料在宏觀性能上表現(xiàn)為抗壓、抗折強(qiáng)度以及滲透性能的提高。基于此觀點(diǎn)，試驗(yàn)以材料滲透性能為主要研究?jī)?nèi)容，對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試探究。

1.2 透水性材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度測(cè)試

本文采用WDW-50KN型數(shù)顯式電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)普通陶瓷透水磚和新型陶瓷透水磚進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試試件尺寸均采用200 mm×100 mm×30 mm，先進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，再用斷裂后的試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度Tab.1 Compressive Strength and Bending Strength of Materials

1.3 材料的滲透性測(cè)試

1.3.1 滲透性測(cè)試原理

利用達(dá)西定律對(duì)同一批普通陶瓷透水磚和新型陶瓷透水磚的透水系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試原理如式(1)，測(cè)試裝置如圖1所示。

(1)

其中:k——透水系數(shù)，mm/s；

Q——試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的滲出水量，mm3/s；

A——試樣上表面的面積，mm2；

J——水力坡度；

L——試樣厚度，mm；

h——測(cè)試前后水位差，mm。

圖1 透水系數(shù)測(cè)試裝置圖Fig.1 Testing Device of Permeability Coefficient

測(cè)試試件尺寸均采用200 mm×100 mm×30 mm，測(cè)試計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 材料的孔隙率與透水系數(shù)Tab.2 Porosity and Permeability Coefficient of Materials

1.3.2 滲透性影響因素探究

材料內(nèi)部孔隙是影響其滲透性能的關(guān)鍵因素，包括孔隙率大小、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，如孔隙的分形維數(shù)、比表面積、迂曲度。基于此理論基礎(chǔ)，對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性的試驗(yàn)探究。

(1)孔隙率大小

孔隙率大小是影響材料滲透性能的主要因素，對(duì)上述進(jìn)行透水系數(shù)測(cè)試的同一批普通陶瓷透水磚和新型陶瓷透水磚進(jìn)行孔隙率的測(cè)試，測(cè)試試件尺寸均采用200 mm×100 mm×30 mm，測(cè)試方法原理如式(2)，結(jié)果如表2所示。

(2)

其中：P——孔隙率；

ρ——真密度，g/cm3；

ρα——表觀密度，g/cm3。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果提出假設(shè)：孔隙率越大，滲透性能越好。但在相同孔隙率條件下，同一材料的滲透性是否存在差異，即孔隙分布的均勻性是否對(duì)材料的滲透性能也有一定的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，另設(shè)2組試驗(yàn)，利用同一批新型陶瓷透水磚，探究在同一孔隙率條件下，孔隙分布的豎向均勻性和橫向均勻性對(duì)材料滲透性能的影響。取同一批新型陶瓷透水磚試件3件，記為a、b、c，試件尺寸為200 mm×100 mm×30 mm，試件孔隙分布如圖2所示。對(duì)上述a、b、c試件進(jìn)行透水系數(shù)測(cè)試，方法如1.3.1節(jié)所述，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖2 試件孔隙分布掃描電鏡圖Fig.2 Scanning Electron Micrograph of Pore Distribution of Specimens

(2)孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)

鑒于上述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)新型陶瓷透水磚的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步深入探究，即研究其孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料透水能力的影響。利用計(jì)盒維數(shù)法對(duì)孔隙分形維數(shù)進(jìn)行測(cè)試計(jì)算，計(jì)算方法如式(3)；采用BSD-PM1型高性能比表面積及微孔分析儀，對(duì)同一批新型陶瓷透水磚進(jìn)行孔隙分析；利用Matlab對(duì)二值化后的速度云圖進(jìn)行細(xì)化操作，并根據(jù)式(4)對(duì)孔隙迂曲度進(jìn)行計(jì)算。試件尺寸均采用200 mm×100 mm×30 mm。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)孔隙率、分形維數(shù)、比表面積、迂曲度、透水系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，結(jié)果如圖3～圖5所示。

(3)

其中：D——孔隙分形維數(shù)；

M——被測(cè)物體盒子個(gè)數(shù)；

(4)

其中：τ——孔隙迂曲度；

Lε——水流流動(dòng)的實(shí)際長(zhǎng)度，mm；

L——試件的宏觀長(zhǎng)度，mm。

圖3 材料分形維數(shù)與孔隙率(a)和透水系數(shù)(b)的相關(guān)性Fig.3 Correlation of Fractal Dimension with Porosity(a) and Permeability Coefficient(b)

2 結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度

由表1可知，與普通陶瓷透水磚相比，新型陶瓷透水磚的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都有明顯的提高，其抗壓強(qiáng)度是普通陶瓷透水磚的2倍左右，抗折強(qiáng)度則是普通陶瓷透水磚的3.4倍左右。這是由于莫來(lái)

圖4 材料比表面積與孔隙率(a)和透水系數(shù)(b)的相關(guān)性Fig.4 Correlation of Specific Surface Area with Porosity(a) and Permeability Coefficient(b)

圖5 材料迂曲度與孔隙率(a)和透水系數(shù)(b)的相關(guān)性Fig.5 Correlation of Tortuosity with Porosity(a) and Permeability Coefficient(b)

石晶須摻入之后，可較好地分散于陶瓷基體中，形成晶須骨架，其橋聯(lián)、增強(qiáng)作用有效地阻止了陶瓷本身的裂紋擴(kuò)展，從而起到了增韌陶瓷基體的作用，即表現(xiàn)為整體強(qiáng)度和斷裂韌性的提高[6]。

2.2 滲透性能

2.2.1 2種材料的透水系數(shù)

由表2可知，新型陶瓷透水磚的透水系數(shù)是普通陶瓷透水磚的2倍左右，透水能力大幅度提升。這是由于莫來(lái)石晶須加入后，形成的晶須骨架可有效阻礙陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中的致密化和體積收縮，這種作用使得新型陶瓷透水磚的氣孔率(即孔隙率)大于普通陶瓷透水磚，從而表現(xiàn)為材料滲透性能，即透水系數(shù)的提高[7]。

2.2.2 孔隙率大小對(duì)滲透性能的影響

由表2可知，材料孔隙率的大小直接影響材料的滲透性，材料孔隙率越大，其滲透性越好；在相同孔隙率的情況下，孔隙分布更均勻者，滲透性更好。這是由于孔隙分布更均勻者，水流過(guò)孔隙的流速更快、水力條件更好，孔隙相對(duì)不易發(fā)生堵塞，材料的滲透性能更好[8]。

2.2.3 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)滲透性能的影響

(1)分形維數(shù)

由圖3可知，新型陶瓷透水磚的孔隙分形維數(shù)隨孔隙率的增大而增大，呈相關(guān)性較大的線性正相關(guān)；透水系數(shù)隨孔隙分形維數(shù)增大而增大，呈相關(guān)性較大的線性正相關(guān)。這是由于分形維數(shù)可以反映空間占有能力，隨著孔隙率增大，孔隙的分形維數(shù)也增大，材料的滲水能力相應(yīng)增強(qiáng)，即透水系數(shù)增大[9]。

(2)比表面積

由圖4可知，新型陶瓷透水磚的孔隙率與比表面積、比表面積與滲水性能均呈現(xiàn)相關(guān)性較大的正相關(guān)。一般認(rèn)為孔隙比表面積大，吸附性強(qiáng)，流動(dòng)阻力大，滲水性能差[10]，這與本文結(jié)果相差很大，這是由于比表面積并不是唯一變量，材料的孔隙率也在發(fā)生變化。新型陶瓷透水磚的比表面積的影響因素為孔徑分布與孔隙率，試驗(yàn)中隨機(jī)模型的孔隙均為大孔隙，不存在微孔，各隨機(jī)模型孔徑分布較為均勻。因此，比表面積的影響因素只有孔隙率，即孔隙率增大，單位體積內(nèi)孔隙面積增大，比表面積增大，材料滲透性能增大。

(3)迂曲度

由圖5可知，新型陶瓷透水磚的孔隙率與迂曲度之間幾乎沒(méi)有相關(guān)關(guān)系，而透水系數(shù)與迂曲度呈相關(guān)性不高的負(fù)相關(guān)。這可以理解為：當(dāng)材料的迂曲度較大時(shí)，雨水在材料內(nèi)部的流行時(shí)間長(zhǎng)，雨水不能及時(shí)透過(guò)排出，則表現(xiàn)為滲水能力較差；反之，迂曲度較小時(shí)，雨水可以相對(duì)較快地透過(guò)排出，表現(xiàn)為滲水能力相對(duì)較好。

2.3 材料評(píng)估與建議

根據(jù)調(diào)研及試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)上述透水材料做出如下評(píng)估與建議。

(1)與普通陶瓷透水磚相比，新型陶瓷透水磚的孔隙率較大，滲透性能更優(yōu)，可以減小雨水管道直徑和雨水調(diào)蓄池容積。此外，新型陶瓷透水磚孔隙率較大，與普通陶瓷透水磚相比，攔截水中懸浮物時(shí)不易堵塞。因此，可以相對(duì)延長(zhǎng)反沖洗周期、減小反沖洗強(qiáng)度，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，新型陶瓷透水磚具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)雖然新型陶瓷透水磚的抗折強(qiáng)度在普通陶瓷透水磚基礎(chǔ)上已經(jīng)明顯提高，但其抗折強(qiáng)度仍然不夠高。因此，可以考慮將其選擇性地進(jìn)行道路鋪裝，即可以應(yīng)用于人行道、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、公園等承載力要求較低的場(chǎng)合，在充分發(fā)揮其材料效益的條件下，延長(zhǎng)其使用壽命。

(3)生產(chǎn)廠家可以通過(guò)提高透水材料的孔隙率，或改善孔隙結(jié)構(gòu)，來(lái)提高其滲透性能。同時(shí)，考慮在制備原料上進(jìn)行優(yōu)化，如加入莫來(lái)石晶須，來(lái)提高其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)由于莫來(lái)石晶須的加入，材料孔隙率增大的同時(shí)，抗壓、抗折強(qiáng)度以及滲透性能亦有所提高。

(2)材料孔隙率越大，材料滲透性能越好；孔隙的分形維數(shù)、比表面積與材料的滲透性能呈正相關(guān)，孔隙的迂曲度與材料的滲透性能呈負(fù)相關(guān)。

(3)同一孔隙率條件下，孔隙分布均勻性越好，材料的滲透性能越好，且孔隙豎向分布均勻性比橫向分布均勻性的影響程度更大。