降雨作用下陶瓷透水路面磚淤堵規(guī)律研究

魏漢林，任文淵，張愛軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

為緩解由城市化引起的城鎮(zhèn)內(nèi)澇災(zāi)害、熱島效應(yīng)、地下水位下降等環(huán)境問題[1]，海綿城市建設(shè)應(yīng)運而生[2-3]。透水道路建設(shè)是海綿城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，目前常用的透水路面鋪裝材料有透水瀝青混合料、透水混凝土和透水路面磚等[4-5]，其中陶瓷透水路面磚是透水路面磚類別中的一種新型透水路面材料，采用陶瓷廢料為原料，經(jīng)過布料、壓制、高溫?zé)Y(jié)等工藝制備而成，具備綠色環(huán)保、透水降噪、保濕防滑等良好的路用性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而透水路面材料在使用過程中通常會面臨淤堵問題，這會導(dǎo)致其滲透能力降低，使用壽命縮短[6]。目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已采用試驗、數(shù)值模擬等方法對透水路面材料的淤堵現(xiàn)象進行了一些研究：蔣瑋等[7]通過設(shè)計淤堵試驗研究了孔隙率、混合料的公稱最大粒徑以及堵塞物的粒徑大小對多孔瀝青混合料孔隙堵塞的影響規(guī)律。Afonso 等[8]在模擬降雨量為100 mm/h 的工況下，研究了不同類型堵塞材料對多孔瀝青混合料滲透能力的影響。崔新壯等[9]采用電導(dǎo)率測試方法研究了暴雨作用下透水混凝土路面快速堵塞過程，并基于Kozeny-Carman 方程得到了透水混凝土路面快速堵塞預(yù)測模型。Zhang 等[10]采用CFD-DEM 耦合法對透水混凝土的淤堵過程進行了數(shù)值模擬研究。張文靜等[11]在北京市海淀區(qū)某小區(qū)進行了混凝土透水磚的現(xiàn)場試驗，對其淤堵過程進行了研究。Coughlin 等[12]、Nichols 等[13]的研究表明，不同特征的堵塞顆粒物會對透水路面材料的淤堵現(xiàn)象產(chǎn)生不同影響。綜上所述，目前對透水混凝土和透水瀝青混合料的淤堵規(guī)律研究較多，而對透水路面磚類別中的陶瓷透水路面磚的淤堵規(guī)律研究較少；且不同地域的堵塞顆粒物特征不同，也會對其淤堵規(guī)律產(chǎn)生不同影響。

本文以西北地區(qū)作為具體研究區(qū)域，根據(jù)該地區(qū)雨水徑流所含懸浮顆粒物特征分析結(jié)果，利用黃土配制堵塞溶液，采用自行研制的陶瓷透水路面磚滲透與淤堵試驗裝置，研究了其淤堵規(guī)律，可為西北地區(qū)陶瓷透水路面磚的應(yīng)用與市政維護提供參考。

1 試驗材料

1.1 陶瓷透水路面磚

陶瓷透水路面磚：山東宜景生態(tài)科技有限公司生產(chǎn)，尺寸為200 mm×100 mm×55 mm，如圖1 所示。磚體在高度方向分為2 層，上層呈黃色，高度約為8 mm，該層的陶瓷廢料粒徑較小，為0.05～2.00 mm；下層呈灰白色，高度約為47 mm，該層的陶瓷廢料粒徑較大，為2～6 mm。這樣的磚體結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了使磚體的孔隙上小下大，在實際應(yīng)用中，可以減少路面大顆粒懸浮物進入磚體內(nèi)部，又可以使進入磚體的小顆粒懸浮物順著下層的大孔隙流出磚體，減輕淤堵程度，延長其使用壽命。

圖1 陶瓷透水路面磚試樣

1.2 堵塞溶液

為了使室內(nèi)試驗更加接近陶瓷透水路面磚實際應(yīng)用工況，本研究基于實際降雨徑流特征來配制堵塞溶液進行試驗。考慮到陶瓷透水路面磚主要應(yīng)用于人行道、小區(qū)道路、廣場等地點，因此本試驗中降雨徑流收集地點選在咸陽市楊凌區(qū)渭惠路人行道、化建家園小區(qū)、新時代廣場3 處，收集時間為降雨形成地表徑流的初期(前0.5 h)，此時徑流中的顆粒物濃度較高，所含懸浮顆粒物情況也更符合陶瓷透水路面磚在使用過程中的實際淤堵工況。

1.2.1 徑流顆粒物濃度

將每個地點的徑流收集樣攪拌均勻后分別裝入3 個250 mL 的燒杯，采用烘干法測試所含顆粒物濃度，每個地點的顆粒物最終濃度取3 個所測濃度的平均值，表1 為各采樣地點的顆粒物濃度情況。本試驗為了研究陶瓷透水路面磚在最不利工況下的淤堵情況，堵塞溶液的配制參考化建家園小區(qū)處的徑流顆粒物濃度為0.688 g/L。

表1 不同地點雨水徑流樣品懸浮顆粒物濃度

1.2.2 徑流顆粒物粒徑分布

徑流樣品中所含顆粒物粒徑采用Mastersizer 2000E 型激光粒度儀進行測試，再根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》中對土的工程分類，可將樣品中顆粒物根據(jù)粒徑大小進行分組統(tǒng)計，表2 為各樣品中顆粒物在相應(yīng)粒徑區(qū)間所占的體積百分比。

表2 不同地點雨水徑流樣品顆粒物粒徑分布

由表2 可知，各樣品懸浮顆粒物在粒徑區(qū)間為0.005～0.075 mm 中的含量最多，在1～2 mm 粒徑區(qū)間內(nèi)的顆粒物含量幾乎為0。由于本試驗選擇樣品2 的顆粒物濃度作為堵塞溶液配制的目標濃度值，所以后續(xù)堵塞溶液配制中的顆粒物稱量也將依據(jù)表2 中樣品2 的顆粒物粒徑分布統(tǒng)計結(jié)果。

1.2.3 堵塞溶液配制

針對西北黃土分布區(qū)，本試驗利用黃土篩分顆粒與蒸餾水配制堵塞溶液用于進行室內(nèi)淤堵試驗。配制堵塞溶液的具體計算步驟為：根據(jù)《陜西統(tǒng)計年鑒2019》可知，咸陽市年均降雨量為457.2 mm，而單塊陶瓷透水路面磚的上表面尺寸為200 mm×100 mm，則一年內(nèi)作用在單磚上的水量為457.2×200×100=9.144×106mm3=9.144 L。經(jīng)測試知樣品 2 的顆粒物濃度為0.688 g/L，則單磚一年的作用水量中包含顆粒物質(zhì)量為0.688×9.144=6.29 g。再根據(jù)表2 中樣品2 所含顆粒物在各粒徑區(qū)間的體積百分比，可得單磚一年作用水量中所含顆粒物在各粒徑區(qū)間的質(zhì)量，如表3 所示。

表3 單磚一年不同粒徑區(qū)間(mm)黃土篩分顆粒物質(zhì)量 g

由表3 可知，利用9.144 L 蒸餾水與計算所得單磚一年淤堵時所需各粒徑區(qū)間的黃土篩分顆粒，可配制單磚實際淤堵一年時所需的堵塞溶液，將該堵塞溶液一次性地施加于磚樣并滲透完全后，即可認為模擬了此單磚試樣實際經(jīng)歷一年淤堵后的工況。本方法將單磚面積內(nèi)一年淤堵所需堵塞溶液總量，以單次、不間斷的方式施加，忽略了一年中多次降雨的間歇影響，此種考慮為最不利情況，且能大幅縮短試驗周期。以此類推，通過施加單磚淤堵某一時間段所需堵塞溶液并經(jīng)試樣一次滲透完全后，即可認為是模擬了試樣實際經(jīng)歷該時間段淤堵后的工況。

2 試驗方法

2.1 試驗裝置

對于陶瓷透水路面磚滲透與淤堵試驗裝置，需要考慮試樣形狀、尺寸，且要防止側(cè)壁滲漏。根據(jù)達西滲透定律，采用亞克力板自行研制了針對單磚試樣的滲透與淤堵試驗裝置，其中創(chuàng)新點為選用了合適尺寸的電動車內(nèi)胎，輔以少量凡士林，對其進行充氣以產(chǎn)生足夠大的圍壓來防止側(cè)壁滲漏，試驗證明本裝置合理有效，且成本低廉，圖2 為本研究設(shè)計的試驗裝置原理示意。

圖2 滲透與淤堵試驗裝置原理示意

2.2 試驗步驟

滲透與淤堵試驗具體步驟如下：

(1)首先在試樣四周纏上一層生料帶，生料帶的作用是防止試驗過程中涂抹的少量凡士林在擠壓作用下進入磚體內(nèi)部，再將試樣放入抽真空飽和缸中進行抽氣飽和，使陶瓷透水路面磚內(nèi)部孔隙達到飽水狀態(tài)。

(2)將試樣從抽真空飽和缸中取出，然后在試樣的周側(cè)套上內(nèi)胎，內(nèi)胎內(nèi)外側(cè)需預(yù)先涂敷少量凡士林，用以加強密封效果；接著將試樣置于樣品槽中的透水板上，通過螺釘蓋上壓板并對內(nèi)胎進行充氣，使內(nèi)胎漲緊擠壓位于其內(nèi)側(cè)的試樣和其外側(cè)的樣品槽側(cè)壁，達到防止側(cè)漏的目的；最后將測試箱上、下兩部分用法蘭連接，放入水槽。

(3)向測試箱中自上而下緩慢注入蒸餾水，水流逐漸進入測試箱并經(jīng)由磚樣上下表面進行入滲至出流水槽，直至測試箱上部的溢流口開始溢流。待出流水槽上部出流口的水流穩(wěn)定時，開始滲透試驗：用量筒收集出流口在一定時間t 內(nèi)流出的水流，體積記為Q，結(jié)合溢流口和出流口之間的水位差H，根據(jù)達西定律計算試樣的滲透系數(shù)kT；并經(jīng)式(1)換算得到標準溫度(15 ℃)下的滲透系數(shù) k15，其中 ηT/η15為水的動力粘滯系數(shù)比，通過查JC/T 945—2005《透水磚》可得。

(4)在測試磚樣未淤堵時的滲透系數(shù)時，待試樣上的液柱滲透完全后，利用虹吸原理將預(yù)先配制的單磚實際淤堵0.5年所需堵塞溶液均勻地噴灑在磚樣表面，待加入的堵塞溶液經(jīng)由磚體完全滲透后，即可認為模擬了試樣在實際經(jīng)歷0.5年淤堵后的工況，然后利用蒸餾水按照試驗步驟(3)測試該淤堵程度下試樣的滲透系數(shù)。再累加實際淤堵0.5 年所需堵塞溶液，即可得到試樣在模擬淤堵時間為1 年時的滲透系數(shù)；以此類推，測試試樣在模擬淤堵時間分別為 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 年時的滲透系數(shù)，最終得到磚樣的淤堵曲線。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 淤堵曲線分析

基于堵塞溶液配制的計算結(jié)果，利用西北黃土篩分顆粒和蒸餾水配制堵塞溶液，再按照前述滲透與淤堵試驗步驟對陶瓷透水路面磚試樣進行室內(nèi)淤堵試驗，得到試樣在模擬淤堵時間分別為 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 年時的滲透系數(shù)，圖3 為2 塊試樣(1#磚與2#磚)的滲透系數(shù)隨模擬淤堵時間延長的變化規(guī)律。其中，由于2 塊試樣的初始滲透系數(shù)和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征存在差異，導(dǎo)致其完成淤堵試驗的時間不同。

由圖3 可知：

(1)隨著模擬淤堵時間的延長，2 塊試樣的滲透系數(shù)均不斷減小。試驗結(jié)束時，1#磚的滲透系數(shù)由最初的2.91×10-2cm/s減小至1.88×10-3cm/s，減小幅度為93.54%；2#磚的滲透系數(shù)由最初的2.23×10-2cm/s 減小至6.03×10-4cm/s，減小幅度為97.30%。

圖3 試樣淤堵規(guī)律曲線

(2)隨著模擬淤堵時間的延長，磚樣的滲透系數(shù)變化過程大致可分為3 個階段：快速衰減階段、緩慢衰減階段和穩(wěn)定階段。對于1#磚，從初始狀態(tài)到模擬淤堵1.5 年的階段屬于滲透系數(shù)快速衰減階段，在此階段內(nèi)，堵塞顆粒物隨著堵塞溶液入滲而滯留在試樣內(nèi)部的連通孔隙內(nèi)，造成試樣滲透系數(shù)快速衰減；模擬淤堵時間為1.5～3.0 年的階段屬于滲透系數(shù)緩慢衰減階段，此階段內(nèi)滲透系數(shù)仍不斷減小，但減小的速率較第一階段要緩慢得多，原因是經(jīng)過第一階段的快速淤堵后，試樣滲透系數(shù)大幅減小，這使得第二階段內(nèi)堵塞溶液進入磚體的速度變慢，隨之運移的堵塞顆粒物在相同時間間隔內(nèi)較第一階段大幅減少，滲透系數(shù)的衰減速率放緩；在模擬淤堵時間為3～5 年內(nèi)，滲透系數(shù)基本保持不變，屬于穩(wěn)定階段，原因是此階段內(nèi)試樣表面和內(nèi)部連通孔隙顆粒物淤積程度均很嚴重，造成堵塞溶液的入滲和流出十分緩慢，滲透系數(shù)維持在1.88×10-3cm/s 左右，此時可結(jié)束淤堵試驗。對于2#磚，因其初始滲透系數(shù)較1#磚小，且孔隙結(jié)構(gòu)特征與1#磚也存在差異，導(dǎo)致其完成淤堵試驗的時長較1#磚短，但兩者淤堵曲線的變化趨勢基本相似，2#磚的滲透系數(shù)變化過程也可分為快速衰減階段、緩慢衰減階段和穩(wěn)定階段，對應(yīng)的模擬淤堵時間分別為 0～1.0、1.0～1.5、1.5～2.5 年。

根據(jù)GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》的規(guī)定，認為當(dāng)透水路面磚的滲透系數(shù)小于1×10-2cm/s 時，透水路面磚可視為已經(jīng)基本失效。對于本試驗中的1#磚和2#磚，在模擬淤堵時間分別達到1.0 年、0.5 年時，滲透系數(shù)分別減小至 1.07×10-2cm/s、8.83×10-3cm/s，因此可以認為 2 塊試樣的正常使用年限分別為1.0 年和0.5 年。然而，上述得到的正常使用年限可能較實際情況要短，原因是本試驗沒有考慮路面會定期清潔維護、降雨時徑流的水平流動沖刷作用等實際應(yīng)用中的復(fù)雜工況條件，僅僅只考慮了堵塞顆粒物隨堵塞溶液垂直入滲進入磚體內(nèi)部導(dǎo)致的淤堵現(xiàn)象，為單磚實際應(yīng)用工況中較不利情況。

3.2 擬合分析

為了進一步分析滲透系數(shù)和淤堵時間的關(guān)系，本文進行擬合分析，將吉林大學(xué)杜新強等[14]所測得的淤堵曲線與本試驗的淤堵曲線進行對比分析。考慮到試樣的初始滲透系數(shù)存在差異，首先對淤堵曲線中的滲透系數(shù)進行歸一化處理，具體步驟為將每塊試樣在淤堵試驗中測得的滲透系數(shù)k15除以該試樣初始滲透系數(shù)k0。

在進行規(guī)律擬合時，通過查閱國內(nèi)外參考文獻，發(fā)現(xiàn)李美云等[15]、Sansalone 等[16]、Boogaard 等[6]的研究均發(fā)現(xiàn)透水鋪裝材料的滲透系數(shù)衰減過程符合指數(shù)衰減模型；同時，本文也對比了數(shù)種典型函數(shù)的擬合效果，發(fā)現(xiàn)指數(shù)型函數(shù)與2 塊試樣及杜新強等[14]所得數(shù)據(jù)的歸一化淤堵試驗結(jié)果均具有較強的擬合關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，如圖4 所示。由此可知，歸一化后的陶瓷透水路面磚淤堵曲線可用指數(shù)型函數(shù)進行擬合。

圖4 歸一化處理后的淤堵試驗結(jié)果與擬合曲線

3.3 不同部位顆粒物質(zhì)量分析

在淤堵試驗完成后，小心地將試樣取出，然后對不同部位的堵塞顆粒物進行質(zhì)量分析，具體是指陶瓷透水路面磚表面淤積的顆粒物、磚體內(nèi)部的顆粒物(包括可以反向沖洗出來的和滯留在磚體內(nèi)部難以反向沖洗出來的)、隨堵塞溶液透過磚體的顆粒物以及試驗過程中損失的顆粒物(如粘附在試驗裝置上的)。具體過程為：待試樣自然風(fēng)干后，用牙刷將試樣表面淤積的顆粒物輕輕刷下收集，可以反向沖洗出來的內(nèi)部顆粒物通過反向注水沖洗的方式收集，滯留在磚體內(nèi)部難以反向沖洗出來的顆粒物質(zhì)量通過磚樣淤堵前后的質(zhì)量差得到，隨堵塞溶液透過試樣的顆粒物通過烘干試驗用水中的沉淀物獲得，損失的顆粒物質(zhì)量通過質(zhì)量守恒定律得到，表4 為不同部位顆粒物質(zhì)量占比統(tǒng)計。

表4 不同部位堵塞顆粒物質(zhì)量占比統(tǒng)計

由表4 可知，對于淤堵試驗后的2 塊試樣，磚體表面淤積的顆粒物質(zhì)量占比最多(均超過50%)，原因是本研究在試驗過程中沒有對磚體表面進行實時清理，導(dǎo)致磚體表面的顆粒物累積增多，大大加快了滲透系數(shù)的衰減，可將此部位顆粒物造成的淤堵定義為表面淤堵。對于進入磚體內(nèi)部的顆粒物，統(tǒng)一將這部分顆粒物造成的淤堵定義為內(nèi)部淤堵，其中能反向沖洗出的顆粒物較少，且這部分堵塞顆粒物可能大多分布在離磚體上表面較淺處；對于難以反向沖洗出來的內(nèi)部堵塞顆粒物，原因可能是其位于磚體內(nèi)部較深處或磚體內(nèi)部曲折的孔隙通道內(nèi)，反向沖洗的方式很難使其流出，這說明在實際應(yīng)用中，真空抽吸的清理方式對淤堵在磚體內(nèi)部較深處的顆粒物清理效果可能不佳，為了延長陶瓷透水路面磚的使用壽命，需要經(jīng)常對其進行表面清理維護，避免長時間的不清理使較多堵塞顆粒物運移到磚體內(nèi)部較深處而難以清理。透過磚體的顆粒物大部分是在淤堵試驗前期，隨堵塞溶液的入滲而透過磚體，后期由于磚體表面的顆粒物累積增多導(dǎo)致堵塞溶液的滲透速度緩慢，透過磚體的堵塞顆粒物也大幅減少。綜上可知，在對鋪設(shè)陶瓷透水路面磚的場所進行管養(yǎng)時，經(jīng)常性地表面清理很有必要；對于淤堵到磚體內(nèi)部較深處的顆粒物，如果采用真空抽吸的方式進行清理，真空吸力的大小會影響清理效果。

3.4 不同部位顆粒物粒徑分析

淤堵試驗結(jié)束，對不同部位的堵塞顆粒物進行了粒徑分布特征分析，圖5 為2 塊試樣不同部位堵塞顆粒物的粒徑分布。其中，滯留在磚體內(nèi)部而難以反向沖洗出來的顆粒物和損失的顆粒物因難以得到，所以未對此部分顆粒物進行粒徑分析。

圖5 不同部位堵塞顆粒物粒徑分布

由圖5 可知，2 塊試樣表面淤積的顆粒物粒徑分布特征相似，反向沖洗出試樣以及透過試樣的顆粒物粒徑分布特征也較為相似，即粒徑0.005～0.075 mm 的顆粒物占比最高，粒徑1～2 mm 的顆粒物占比最低。

3.5 清理維護效果分析

在陶瓷透水路面磚的實際應(yīng)用中，通常會定期進行清理和維護，以延長其使用壽命。目前，國內(nèi)外常用的清理維護方法主要有機械清掃、真空抽吸、壓力水沖洗等[17]。本研究在進行以上結(jié)果分析后，對經(jīng)表面清理和內(nèi)部反向沖洗處理后的試樣，再次按照前述滲透試驗步驟測試其滲透系數(shù)，觀察其滲透系數(shù)恢復(fù)情況，表5 為試樣處理前后的滲透系數(shù)。

表5 試樣處理前后滲透系數(shù)

由表5 可知，1#磚經(jīng)過模擬淤堵時間5 年后，滲透系數(shù)由最初的 2.91×10-2cm/s 減小至 1.88×10-3cm/s，減小幅度為93.54%；在經(jīng)過表面清理和反向沖洗后，滲透系數(shù)又恢復(fù)為1.98×10-2cm/s，為淤堵試驗完成時滲透系數(shù)的10.5 倍，較初始滲透系數(shù)低32%。對于2#磚，經(jīng)過模擬淤堵時間2.5 年后，滲透系數(shù)由最初的2.23×10-2cm/s 減小至6.03×10-4cm/s，減小幅度為97.30%；在經(jīng)過表面清理和反向沖洗后，滲透系數(shù)又恢復(fù)為1.29×10-2cm/s，較初始滲透系數(shù)低42%。由此可知，在實際應(yīng)用中，采用表面清理和真空抽吸相結(jié)合的清理維護方式，是降低陶瓷透水路面磚的淤堵程度、延長其使用壽命較為有效的方法。

4 結(jié) 論

(1)研制的滲透與淤堵試驗裝置能夠達到防側(cè)漏的目的，能有效用于單塊陶瓷透水路面磚的室內(nèi)淤堵試驗；磚樣在淤堵過程中，其滲透系數(shù)變化過程大致可分為快速衰減階段、緩慢衰減階段和穩(wěn)定階段，且可將歸一化處理后的淤堵曲線進行指數(shù)型函數(shù)擬合。

(2)在不進行表面清理的情況下，淤堵試驗結(jié)束后，磚樣表面淤積的顆粒物最多，進入磚體內(nèi)部的堵塞顆粒物大多較難被反向沖洗出來；同時，2 塊試樣表面淤積的顆粒物粒徑分布特征相似，透過試樣以及反向沖洗出的顆粒物粒徑分布特征也較為相似。

(3)在實際應(yīng)用中，采用表面清理和真空抽吸相結(jié)合的清理維護方式對降低陶瓷透水路面磚的淤堵程度、延長其使用壽命具有較明顯的作用。