透水砖防堵塞技术：透水砖孔隙结构、堵塞机理、铺设标准及维护

随着城市化建设进程不断加快，城市道路硬化面积不断增大，导致雨季内涝频发，对居民生活造成严重影响，也给国家经济带来巨大损失。为解决此类问题，我国提出海绵城市建设理念，先后在武汉等30个城市进行海绵城市试点工作。海绵城市即指城市能够像海绵一样具有良好的“弹性”，适应环境的变化和应对自然灾害的发生，下雨时渗水、蓄水、吸水、净水，干旱缺水时“释放”出蓄存的水并加以利用，构建“降雨-径流-下渗-回归”的良性循环。


透水砖具有良好的透水性，可以通过增强降雨入渗而削减地表径流和洪峰流量，降低雨洪风险，调节局部小气候。目前透水砖存在着强度有限、易于堵塞、耐久性差等问题，其中堵塞问题尤为严重，它能造成透水砖透水性能短时间内大幅下降甚至丧失，严重缩短其使用性命，影响雨水入渗和海绵城市建设。若重复更换透水砖，不仅会浪费人力物力财力，还妨碍城市功能的实现和维系；适当采取措施减缓堵塞和定期维护，能恢复透水砖透水性能，降低工程成本，促进城市可持续发展。


笔者首先介绍透水砖的孔隙结构和堵塞机理，重点综述透水砖防堵塞技术的研究进展，并对缓堵型透水砖研制、规范协同铺装和长效维护机制进行了展望，长期为高效经济地解决透水砖堵塞的实际应用问题提供参考。


1、透水砖的堵塞机理


1.1透水砖的孔隙结构


透水砖的孔隙结构是通过骨料间颗粒的堆积而形成，孔径的大小与骨料的粒径相关，通常粒径越大，孔径就越大。透水砖中存在3种结构的孔隙：闭口孔、开口孔和连通孔，如图1所示。闭口孔是一种被材料完全包围并且完全相互独立的孔隙，开口孔是指没有被材料完全包围的孔隙，部分孔隙共用同一介面而且互相贯通，连通孔也是开口孔的一种，它在空间上可以分为二维连通孔和三维连通孔，每个孔隙之间互相贯通。透水砖优异的透水性和保水性主要来源于连通孔和开孔，透水砖制备中理想的孔结构是连通孔。



Sansalone等研究指出：孔隙体积分数、尺寸分布和拓扑结构是控制透水砖性能的关键参数。混凝土透水砖的孔隙率通常为15%~35%，其孔隙率取决于水泥石掺量、骨料含量、级配和颗粒形状、水灰比和压实力等。Kuang等发现，透水砖的透水系数不仅与材料的有效孔隙率有关，还与连通度、迂曲度等其他孔隙结构参数相关。孔隙率小于15%的透水砖，连通孔隙度不足会导致水透过非常缓慢；孔隙率大于35%的透水砖透水性良好，但是强度较弱，孔隙率增大会导致强度下降。Lian基于格里菲斯断裂理论建立了一种多孔混凝土抗压强度与孔隙率关系的数学模型，预测了基于孔隙率和抗压强度的最优配方。


1.2透水砖的堵塞机理


透水砖使用一段时间后，都会发生不同程度的孔隙堵塞问题。透水砖的堵塞是雨水径流中颗粒积聚堵塞表面或内部连通孔隙的复杂过程，堵塞过程受径流中颗粒大小、浓度，透水砖的材料、孔径结构和环境条件等诸多因素影响。


透水砖的堵塞根据不同的标准可分为以下几类，按堵塞的快慢分为快速堵塞和缓慢堵塞：快速堵塞是在泥沙量较大的径流下发生的堵塞过程，快速堵塞可导致透水砖在短时间内失去透水性能，危害较大；缓慢堵塞是少量沉积物持续或循环沉积的过程。根据堵塞位置分为表面堵塞和内部堵塞：由于径流中颗粒大小的不同，大颗粒被透水砖截留在表面，小颗粒随着雨水流入堵塞透水砖内部的孔隙。国外还有学者把堵塞分为物理堵塞和生物堵塞：物理堵塞较为常见，是由表面和孔隙结构中堆积的碎屑所引起的；生物堵塞是由藻类、细菌的繁殖和植物根系的渗透所引起的，在连续的潮湿环境下，生物生长的更快，生物堵塞更为严重。


国外对于透水砖堵塞机理研究进行得比较早。Haselbachl在覆盖有沙层的混凝土透水砖上进行透水试验，通过实验结果推导出透水砖的透水率、沙层的透水率和砖的上表面附近的孔隙率三者之间密切相关。Alalea Kia等用含有沙子和粘土的流动水对透水砖进行循环测试，结合透水率的变化，从透水率衰减、半衰期和循环到堵塞来定义堵塞电位，从而反映透水率。


国内对于透水砖堵塞的研究起步较晚，但随着国家海绵城市建设进程的加快和透水砖应用的推广，相关研究也日渐升温。张娜等研发了一种可以实时记录透水砖堵塞过程中透水系数实时变化的装置，利用电导率反映透水率的变化。崔新壮等研究指出，透水砖的孔隙率越大，内部连接通道的曲率越小、通道的有效直径越大，过水阻力越小，透水砖越容易堵塞。南轩等利用CT扫描技术并结合Avizo软件，重构透水砖内部的孔隙结构，发现1~100μm的颗粒更容易堵塞孔隙。


2、透水砖防堵塞技术


2.1透水砖表面改性


普通的透水砖都是利用砖体内的大孔隙透水的，表面粗糙，易被灰尘堵塞，透水时效短。为了减缓透水砖的堵塞，延长透水砖的使用年限，很多学者对透水砖表面进行了改性研究，通过破坏水的表面张力，使水分子具有良好的透过性能。



2.2透水砖铺设


随着透水砖的广泛应用，透水砖的铺设的研究显得更加重要。提高透水砖及其周围基质的渗透性，可以有效缓解透水砖的堵塞。韦甦等针对渗透性系数较小的软塑性黏土，提出采用小型砂石桩来提高透水砖铺装蓄水能力同时改善土基承载力。韩暖设计了一种以髙强度的不透水砖体（大砖）包围透水砖（小砖）的组合方式，利用小砖作为渗水点，在铺设地面上规则排列，来解决目前硬质铺装不透水与透水路面强度不够，易堵塞等问题。陈东平等通过对透水砖铺装系统研究发现，透水砖只有和基层、垫层、土基依次铺设组成一个整体，才能更好地发挥其渗、滞、蓄、排等功能。


不同种类的透水砖对铺装层结构具有不同的要求，即使是同种类的透水砖在不同的施工条件下对铺装层结构也有不同的要求。因此透水砖在铺设过程中，应严格按照GB/T25993—2010《透水路面砖和透水路面板》、JG/T376—2012《砂基透水砖》、CJJ/T188—2012《透水砖路面技术规程》及当地相关铺设标准，各层的材料选取和铺设厚度，应在施工前进行相关计算，采用合适的铺设方式，进而缓解堵塞，延长透水砖的使用寿命。


2.3透水砖应用维护


目前透水砖堵塞的维护方法并不多，常用的有人工清扫、真空抽吸、压力冲洗，但这几种方法单独使用都不能完全清除堵塞在砖内的沉积物。



透水砖维护方法的有效性取决于堵塞发生的程度和位置，当堵塞是沉积在路面上的粗砂粒造成时，人工清扫、压力清洗或两者结合可以提高透水性；当堵塞主要由堆积在砖内或粉砂、粘砂颗粒时，仅传统方法作用不大。


不同维护方法的效果还与透水砖的种类、材料配合比和使用年限等因素有关。建议透水砖的维护频率每年至少1~4次不等，具体取决于场地和天气条件。在颗粒浓度和沉积速率较高的地区，维护的频率更高。即使定期进行养护，但由于堵塞的累积效应，透水砖的性能也会随着时间的推移而下降，维护只能延长透水砖的使用寿命，并不能使透水率恢复初始值。


3、结论


今后，围绕透水砖防堵塞技术，应重点围绕以下3点进行研究：


（1）针对大多数透水砖存在强度与透水性能相互制约、容易堵塞等问题，需探究原材料的种类、配比和制造工艺，形成理想的孔隙结构，研制高强度、高渗透性的缓堵型透水砖。


（2）针对透水铺装存在的诸多不规范问题，应结合地面沉积物和地下土质情况，因地制宜地构建不同土质地面、透水砖、基层、垫层、土基等构成的有机整体，形成协同性良好的渗、滞、蓄、排等入渗通道，在施工过程中应严格按照《透水砖路面技术规程》CJJ/T188-2012及当地地方规范铺设。


（3）针对普遍存在“重建设，轻管养”的问题，应根据透水砖性能特点和当地环境条件，研发更加经济有效的维护清理技术方法，探究透水砖维护清理的长效工作机制。


来源： 刘婷成智文等陶瓷杂志

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