透水磚防堵技術(shù)研究與展望*

劉 婷 成智文 李 坤 賀曉梅 郭 偉

(咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司 陜西 咸陽(yáng) 712000)

前言

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，城市道路硬化面積不斷增大，導(dǎo)致雨季內(nèi)澇頻發(fā)，對(duì)居民生活造成嚴(yán)重影響，也給國(guó)家經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。為解決此類問題，我國(guó)提出海綿城市建設(shè)理念，先后在武漢等30個(gè)城市進(jìn)行海綿城市試點(diǎn)工作。海綿城市即指城市能夠像海綿一樣具有良好的“彈性”，適應(yīng)環(huán)境的變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的發(fā)生，下雨時(shí)滲水、蓄水、吸水、凈水，干旱缺水時(shí)“釋放”出蓄存的水并加以利用[1]，構(gòu)建“降雨-徑流-下滲-回歸”的良性循環(huán)[2]。

透水磚具有良好的透水性，可以通過(guò)增強(qiáng)降雨入滲而削減地表徑流和洪峰流量，降低雨洪風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)節(jié)局部小氣候[3～4]。目前透水磚存在著強(qiáng)度有限、易于堵塞、耐久性差等問題[5]，其中堵塞問題尤為嚴(yán)重，它能造成透水磚透水性能短時(shí)間內(nèi)大幅下降甚至喪失，嚴(yán)重縮短其使用性命，影響雨水入滲和海綿城市建設(shè)。若重復(fù)更換透水磚，不僅會(huì)浪費(fèi)人力物力財(cái)力，還妨礙城市功能的實(shí)現(xiàn)和維系；適當(dāng)采取措施減緩堵塞和定期維護(hù)，能恢復(fù)透水磚透水性能，降低工程成本，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。

筆者首先介紹透水磚的孔隙結(jié)構(gòu)和堵塞機(jī)理，重點(diǎn)綜述透水磚防堵塞技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)緩堵型透水磚研制、規(guī)范協(xié)同鋪裝和長(zhǎng)效維護(hù)機(jī)制進(jìn)行了展望，長(zhǎng)期為高效經(jīng)濟(jì)地解決透水磚堵塞的實(shí)際應(yīng)用問題提供參考。

1 透水磚的堵塞機(jī)理

1.1 透水磚的孔隙結(jié)構(gòu)

透水磚的孔隙結(jié)構(gòu)是通過(guò)骨料間顆粒的堆積而形成，孔徑的大小與骨料的粒徑相關(guān)，通常粒徑越大，孔徑就越大。透水磚中存在3種結(jié)構(gòu)的孔隙：閉口孔、開口孔和連通孔，如圖1所示。閉口孔是一種被材料完全包圍并且完全相互獨(dú)立的孔隙，開口孔是指沒有被材料完全包圍的孔隙，部分孔隙共用同一介面而且互相貫通，連通孔也是開口孔的一種，它在空間上可以分為二維連通孔和三維連通孔，每個(gè)孔隙之間互相貫通[6]。透水磚優(yōu)異的透水性和保水性主要來(lái)源于連通孔和開孔，透水磚制備中理想的孔結(jié)構(gòu)是連通孔[7]。

圖1 透水磚的孔隙結(jié)構(gòu)Fig.1 Pore structure of permeable brick

Sansalone等[8]研究指出：孔隙體積分?jǐn)?shù)、尺寸分布和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是控制透水磚性能的關(guān)鍵參數(shù)。混凝土透水磚的孔隙率通常為15%～35%，其孔隙率取決于水泥石摻量、骨料含量、級(jí)配和顆粒形狀、水灰比和壓實(shí)力等。Kuang等[9]發(fā)現(xiàn)，透水磚的透水系數(shù)不僅與材料的有效孔隙率有關(guān)，還與連通度、迂曲度等其他孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。孔隙率小于15%的透水磚，連通孔隙度不足會(huì)導(dǎo)致水透過(guò)非常緩慢；孔隙率大于35%的透水磚透水性良好，但是強(qiáng)度較弱，孔隙率增大會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降。Lian[10]基于格里菲斯斷裂理論建立了一種多孔混凝土抗壓強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了基于孔隙率和抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)配方。

1.2 透水磚的堵塞機(jī)理

透水磚使用一段時(shí)間后，都會(huì)發(fā)生不同程度的孔隙堵塞問題[11]。透水磚的堵塞是雨水徑流中顆粒積聚堵塞表面或內(nèi)部連通孔隙的復(fù)雜過(guò)程，堵塞過(guò)程受徑流中顆粒大小、濃度，透水磚的材料、孔徑結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件等諸多因素影響。

透水磚的堵塞根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可分為以下幾類，按堵塞的快慢分為快速堵塞和緩慢堵塞：快速堵塞是在泥沙量較大的徑流下發(fā)生的堵塞過(guò)程，快速堵塞可導(dǎo)致透水磚在短時(shí)間內(nèi)失去透水性能，危害較大[12]；緩慢堵塞是少量沉積物持續(xù)或循環(huán)沉積的過(guò)程。根據(jù)堵塞位置分為表面堵塞和內(nèi)部堵塞：由于徑流中顆粒大小的不同，大顆粒被透水磚截留在表面，小顆粒隨著雨水流入堵塞透水磚內(nèi)部的孔隙。國(guó)外還有學(xué)者把堵塞分為物理堵塞和生物堵塞：物理堵塞較為常見，是由表面和孔隙結(jié)構(gòu)中堆積的碎屑所引起的；生物堵塞是由藻類、細(xì)菌的繁殖和植物根系的滲透所引起的[13]，在連續(xù)的潮濕環(huán)境下，生物生長(zhǎng)的更快，生物堵塞更為嚴(yán)重。

國(guó)外對(duì)于透水磚堵塞機(jī)理研究進(jìn)行得比較早。Haselbachl[14]在覆蓋有沙層的混凝土透水磚上進(jìn)行透水試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出透水磚的透水率、沙層的透水率和磚的上表面附近的孔隙率三者之間密切相關(guān)。Alalea Kia等[15]用含有沙子和粘土的流動(dòng)水對(duì)透水磚進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，結(jié)合透水率的變化，從透水率衰減、半衰期和循環(huán)到堵塞來(lái)定義堵塞電位，從而反映透水率。

國(guó)內(nèi)對(duì)于透水磚堵塞的研究起步較晚，但隨著國(guó)家海綿城市建設(shè)進(jìn)程的加快和透水磚應(yīng)用的推廣，相關(guān)研究也日漸升溫。張娜等[16]研發(fā)了一種可以實(shí)時(shí)記錄透水磚堵塞過(guò)程中透水系數(shù)實(shí)時(shí)變化的裝置，利用電導(dǎo)率反映透水率的變化。崔新壯等[17]研究指出，透水磚的孔隙率越大，內(nèi)部連接通道的曲率越小、通道的有效直徑越大，過(guò)水阻力越小，透水磚越容易堵塞。南軒等[18]利用CT掃描技術(shù)并結(jié)合Avizo軟件，重構(gòu)透水磚內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)1～100 μm的顆粒更容易堵塞孔隙。

2 透水磚防堵塞技術(shù)

2.1 透水磚表面改性

普通的透水磚都是利用磚體內(nèi)的大孔隙透水的，表面粗糙，易被灰塵堵塞，透水時(shí)效短。為了減緩?fù)杆u的堵塞，延長(zhǎng)透水磚的使用年限，很多學(xué)者對(duì)透水磚表面進(jìn)行了改性研究，通過(guò)破壞水的表面張力，使水分子具有良好的透過(guò)性能。

表1 透水磚表面改性的研究Tab.1 Study on surface modification of permeable bricks

2.2 透水磚鋪設(shè)

隨著透水磚的廣泛應(yīng)用，透水磚的鋪設(shè)的研究顯得更加重要。提高透水磚及其周圍基質(zhì)的滲透性，可以有效緩解透水磚的堵塞。韋甦等[4]針對(duì)滲透性系數(shù)較小的軟塑性黏土，提出采用小型砂石樁來(lái)提高透水磚鋪裝蓄水能力同時(shí)改善土基承載力。韓暖[22]設(shè)計(jì)了一種以髙強(qiáng)度的不透水磚體(大磚)包圍透水磚(小磚)的組合方式，利用小磚作為滲水點(diǎn)，在鋪設(shè)地面上規(guī)則排列，來(lái)解決目前硬質(zhì)鋪裝不透水與透水路面強(qiáng)度不夠，易堵塞等問題。陳東平等[23]通過(guò)對(duì)透水磚鋪裝系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，透水磚只有和基層、墊層、土基依次鋪設(shè)組成一個(gè)整體，才能更好地發(fā)揮其滲、滯、蓄、排等功能。

不同種類的透水磚對(duì)鋪裝層結(jié)構(gòu)具有不同的要求，即使是同種類的透水磚在不同的施工條件下對(duì)鋪裝層結(jié)構(gòu)也有不同的要求[24]。因此透水磚在鋪設(shè)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》、JG/T 376—2012《砂基透水磚》、CJJ/T 188—2012《透水磚路面技術(shù)規(guī)程》及當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[25]，各層的材料選取和鋪設(shè)厚度，應(yīng)在施工前進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，采用合適的鋪設(shè)方式，進(jìn)而緩解堵塞，延長(zhǎng)透水磚的使用壽命。

2.3 透水磚應(yīng)用維護(hù)

目前透水磚堵塞的維護(hù)方法并不多，常用的有人工清掃、真空抽吸、壓力沖洗，但這幾種方法單獨(dú)使用都不能完全清除堵塞在磚內(nèi)的沉積物[26]。

表2 透水磚維護(hù)3種清洗方式的對(duì)比

透水磚維護(hù)方法的有效性取決于堵塞發(fā)生的程度和位置，當(dāng)堵塞是沉積在路面上的粗砂粒造成時(shí)，人工清掃、壓力清洗或兩者結(jié)合可以提高透水性；當(dāng)堵塞主要由堆積在磚內(nèi)或粉砂、粘砂顆粒時(shí)，僅傳統(tǒng)方法作用不大。

不同維護(hù)方法的效果還與透水磚的種類、材料配合比和使用年限等因素有關(guān)。建議透水磚的維護(hù)頻率每年至少1～4次不等，具體取決于場(chǎng)地和天氣條件。在顆粒濃度和沉積速率較高的地區(qū)，維護(hù)的頻率更高。即使定期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，但由于堵塞的累積效應(yīng)，透水磚的性能也會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降，維護(hù)只能延長(zhǎng)透水磚的使用壽命，并不能使透水率恢復(fù)初始值。

3 結(jié)論

今后，圍繞透水磚防堵塞技術(shù)，應(yīng)重點(diǎn)圍繞以下3點(diǎn)進(jìn)行研究：

(1)針對(duì)大多數(shù)透水磚存在強(qiáng)度與透水性能相互制約、容易堵塞等問題，需探究原材料的種類、配比和制造工藝，形成理想的孔隙結(jié)構(gòu)，研制高強(qiáng)度、高滲透性的緩堵型透水磚。

(2)針對(duì)透水鋪裝存在的諸多不規(guī)范問題，應(yīng)結(jié)合地面沉積物和地下土質(zhì)情況，因地制宜地構(gòu)建不同土質(zhì)地面、透水磚、基層、墊層、土基等構(gòu)成的有機(jī)整體，形成協(xié)同性良好的滲、滯、蓄、排等入滲通道，在施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照《透水磚路面技術(shù)規(guī)程》CJJ/T188-2012及當(dāng)?shù)氐胤揭?guī)范鋪設(shè)。

(3)針對(duì)普遍存在“重建設(shè)，輕管養(yǎng)”的問題，應(yīng)根據(jù)透水磚性能特點(diǎn)和當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件，研發(fā)更加經(jīng)濟(jì)有效的維護(hù)清理技術(shù)方法，探究透水磚維護(hù)清理的長(zhǎng)效工作機(jī)制。