微孔生态透水材料的制备及性能研究

郑莉莉

摘    要：近年来，随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也有了很大的改善。微孔生态透水材料是以环氧树脂或聚氨酯类等聚合物高分子材料为胶凝剂，以沙漠中风积砂为骨料的生态环保产品，并广泛应用于地面径流排水、吸热降噪、控制水体污染等诸多方面。海绵城市建设的源头在于铺装具有“渗、滤”功能的生态透水材料，目前关于微孔生态透水材料性能研究的文献较少。德国Polyoil公司的Berlineanu等以石英砂为骨料，以Polyoil110为粘结剂，制备了微孔生态砂浆，但其强度较低，透水性较差，不能单独作为铺装面层。清以风积砂为主要骨料，以环氧树脂为粘结剂，研制出以大孔隙水泥混凝土为基层、微孔有机材料为面层的复合透水砖，且强度较高，但透水性受表面张力的影响，未能满足GB/T25993—2010《透水路面砖和透水路面板》中关于透水系数的要求。以GCC135环氧树脂为粘结剂，以GCC137为固化剂，以分选40～70目的沙漠砂为骨料，研制了一种微孔有机透水砖，強度达到C30以上，但成本高，且透水性不稳定。

关键词：微孔生态透水材料;制备;性能研究

1  引言

城镇化是保持经济持续健康发展的强大引擎。然而，快速城镇化的同时，原有的天然植被与裸露土壤不断被各种建筑物及不透水硬化路面所取代，失去了自然积存和自然渗透功能，从而影响了降雨、蒸发、雨水产汇流等水文过程，导致一系列生态环境问题，如：城市内涝加剧、热岛效应突出、面源污染严重等诸多环境问题。微孔生态透水材料具有渗滤能力强、不易堵塞、强度高等优点，能有效地缓解城市内涝、热岛效应等难题，对提升城市形象，优化城市生态环境起到积极作用。本文从透水铺装材料的类型及应用效果入手，对比分析各类材料的路用性能，研究其在城市道路中的应用效果，总结微孔生态透水铺装路面性能，为城市道路透水铺装材料的优选提供一定的参考。

2  透水性材料的概述

渗透性材料是指铺装材料的表面可以吸收水，并且在这个过程中让水分子从表层渗入，并向下渗入基层中。根据其功能及适用场合，渗透性材料主要可分为四种：陶瓷透水砖、透水性混凝土材料、自然型透水材料和新型透水材料。在本文中，我们主要讨论陶瓷透水砖、透水性混凝土材料的发展历史以及在城市道路和建筑中的使用，包括在这个过程中所遇到的问题和思考。

2.1  透水砖的形成

渗水性材料最早是由荷兰人发明的，他们为了解决沿海建路中遇到的地面下陷、路面干涸开裂的问题，发明了最初的透水性材料———透水砖。且为了更好地解决这类问题，荷兰在透水砖的工艺上进行不断改进，最终形成了一种长宽高分别为20cm，10cm，5cm的小型路面用砖。在道路的具体建设时，工人会刻意的让砖与砖之间应保持0.2cm的间隙。这种组合设计使得雨水能够穿透砖块，尽可能的避免由于路面下方缺水引起的沉降过程。

2.2  透水性混凝土在国内的实践情况

透水混凝土的使用方法在西方一些国家已经成为一种习惯，其最早被用于路面街道，但随着透水材料的优点被更多人得知，其使用的范围也被扩展到诸如能够调节城市小气候的停车场、广场、生态公园、步行街等场所。直至现在，透水混凝土也在一些市政道路广场中大放光彩。2000年，清华大学在就透水材料的透水性和抗压性等方面的研究取得突破。在透水混凝土的原材料中加入硅粉，制备出新型的透水混凝土。虽然从总体看来我国在透水混凝土的研究中取得了一些突破，但我国对透水性水泥混凝土基础材料的科学研究起步相对较晚，所以该体系的建设至今还没有完全成熟。虽然透水性混凝土材料和其他相关材料在国内的一些项目中得到了运用，可仍需要大量的技术来支持相关科学研究。

3  微孔透水原理

微孔生态透水材料基于超亲水属性，通过官能团的配对接枝法对聚合物分子链重构，研制出具有亲水属性的聚合物胶凝剂，对水分子能够产生吸附作用，以降低流液表面张力原理来实现微孔渗透，并利用细砂骨料颗粒间几十微米的间隙，将流液中的悬浮颗粒过滤在材料表面以防止孔隙堵塞，克服了大孔隙透水易堵塞失效、强度偏低、耐久性差等系列缺陷。微孔生态透水材料中高分子组分具有一定超亲水属性，水滴在材料表面几乎完全铺展，接触角小于10°。

4  透水材料的类型及路用性能

透水铺装材料广泛研究并应用于地面径流排水、吸热降噪、控制水体污染等诸多方面，其种类繁多，总体可分为水泥混凝土透水材料、陶瓷透水材料和微孔透水材料。

4.1  水泥混凝土透水材料

水泥混凝土透水材料主要以水泥作为主要胶凝剂，以粒径2.36mm～4.75mm的碎石为骨料，通过压制成型或现场整体铺装成型。混凝土透水砖大多采用大孔隙透水结构，存在易堵塞失效、无过滤功能等系列缺陷，导致海绵城市建设配套的蓄排水系统失效，需要反复翻修，达不到海绵城市建设“渗、滞、蓄、净、用、排”对路面透水铺装的指标要求。研究人员试图降低骨料粒径，但水泥凝结时间较长，凝结过程是复杂的物理化学反应，造成小孔隙板结堵塞，有效透水时间较短。水泥胶结料粘结力不强，增加水泥用量造成透水性差。为保证透水效果，只能降低水泥用量，但势必造成透水砖的耐磨性差，这是目前这类材料暂时无法克服的缺陷。

4.2  陶瓷透水材料

陶瓷透水砖材料以黏土或氧化铝为粘结料，以陶瓷废料、玻璃碎片等为主要原料，经筛分、干燥、压制、高温烧制）1000℃，1h）等工艺制备成型。陶瓷透水砖由于主要以粘土为原料，会大量破坏土地，并且需要高温烧制，消耗煤炭资源的同时也会造成环境污染，正在逐步受到国家控制和淘汰。陶瓷透水砖表面粗糙，属于大孔隙透水，存在和水泥混凝土透水砖同样易堵塞的缺陷，透水寿命短，不满足海绵城市建设的技术指标要求。

4.3  强度高、耐久性好

微孔生态透水材料中的聚合物胶凝剂和细砂骨料通过混合压制成致密结构体，从而具有强度高、耐久性好等优良物理力学性能。经过试样检测，其力学性能均满足规范要求。微孔聚合物颗粒材料是由颗粒—界面—粘结基质构成的立体蜂窝状微孔结构，颗粒为风积砂，主要化学成分为SiO2，强度较高;粘结基质为高分子树脂，固化成型后强度高不易破壞，耐久性好。

4.4  吸音、降噪

微孔透水铺装材料内部具有大量微孔，孔与孔之间互联互通且向外敞开，使声波易进入微孔内，恰好符合多空吸声的结构特征，因而可以吸声降噪。声音的频率越高，空气质点的振动速度越快，声波传入微孔透水材料后，空气与孔壁的摩擦和热交换作用也越快，所以，微孔透水铺装对中高频声音的吸声系数大，而对低频声音的吸声系数小。影响微孔透水铺装材料吸声系数的因素主要有孔隙率、孔径大小、透水铺装厚度、含水率等。

5  结语

微孔生态透水铺装材料以沙漠中20～40目风积砂为骨料的微孔透水预制件产品具有强度高（28d抗压强度为31.8MPa）、透水性能好（2.3×10-2cm/s）、耐磨性强（磨坑长度24mm）等优点。同时，对城市路面径流污水中40μm～70μm的悬浮物SS去除率达75%以上。对比透水混凝土、聚合物混合料大孔隙透水铺装、混凝土透水砖、陶瓷透水砖，微孔生态透水砖在透水时效上、吸声降噪功能、性价比等方面具有明显优势。微孔生态透水预制件产品具有渗滤能力强、不易堵塞等优点，能够有效的控制道面水体污染，铺装效果好、功能性强，是提升沙漠中沙资源价值的有效途径，可广泛应用于海绵城市的建设中。

参考文献：

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