降雨作用下陶瓷透水路面砖淤堵规律研究

2021-07-01魏汉林任文渊张爱军

新型建筑材料 2021年6期

魏汉林，任文渊，张爱军

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

0 引言

为缓解由城市化引起的城镇内涝灾害、热岛效应、地下水位下降等环境问题[1]，海绵城市建设应运而生[2-3]。透水道路建设是海绵城市建设的重要环节，目前常用的透水路面铺装材料有透水沥青混合料、透水混凝土和透水路面砖等[4-5]，其中陶瓷透水路面砖是透水路面砖类别中的一种新型透水路面材料，采用陶瓷废料为原料，经过布料、压制、高温烧结等工艺制备而成，具备绿色环保、透水降噪、保湿防滑等良好的路用性能，具有广阔的应用前景。

然而透水路面材料在使用过程中通常会面临淤堵问题，这会导致其渗透能力降低，使用寿命缩短[6]。目前，国内外相关学者已采用试验、数值模拟等方法对透水路面材料的淤堵现象进行了一些研究：蒋玮等[7]通过设计淤堵试验研究了孔隙率、混合料的公称最大粒径以及堵塞物的粒径大小对多孔沥青混合料孔隙堵塞的影响规律。Afonso 等[8]在模拟降雨量为100 mm/h 的工况下，研究了不同类型堵塞材料对多孔沥青混合料渗透能力的影响。崔新壮等[9]采用电导率测试方法研究了暴雨作用下透水混凝土路面快速堵塞过程，并基于Kozeny-Carman 方程得到了透水混凝土路面快速堵塞预测模型。Zhang 等[10]采用CFD-DEM 耦合法对透水混凝土的淤堵过程进行了数值模拟研究。张文静等[11]在北京市海淀区某小区进行了混凝土透水砖的现场试验，对其淤堵过程进行了研究。Coughlin 等[12]、Nichols 等[13]的研究表明，不同特征的堵塞颗粒物会对透水路面材料的淤堵现象产生不同影响。综上所述，目前对透水混凝土和透水沥青混合料的淤堵规律研究较多，而对透水路面砖类别中的陶瓷透水路面砖的淤堵规律研究较少；且不同地域的堵塞颗粒物特征不同，也会对其淤堵规律产生不同影响。

本文以西北地区作为具体研究区域，根据该地区雨水径流所含悬浮颗粒物特征分析结果，利用黄土配制堵塞溶液，采用自行研制的陶瓷透水路面砖渗透与淤堵试验装置，研究了其淤堵规律，可为西北地区陶瓷透水路面砖的应用与市政维护提供参考。

1 试验材料

1.1 陶瓷透水路面砖

陶瓷透水路面砖：山东宜景生态科技有限公司生产，尺寸为200 mm×100 mm×55 mm，如图1 所示。砖体在高度方向分为2 层，上层呈黄色，高度约为8 mm，该层的陶瓷废料粒径较小，为0.05～2.00 mm；下层呈灰白色，高度约为47 mm，该层的陶瓷废料粒径较大，为2～6 mm。这样的砖体结构设计是为了使砖体的孔隙上小下大，在实际应用中，可以减少路面大颗粒悬浮物进入砖体内部，又可以使进入砖体的小颗粒悬浮物顺着下层的大孔隙流出砖体，减轻淤堵程度，延长其使用寿命。

图1 陶瓷透水路面砖试样

1.2 堵塞溶液

为了使室内试验更加接近陶瓷透水路面砖实际应用工况，本研究基于实际降雨径流特征来配制堵塞溶液进行试验。考虑到陶瓷透水路面砖主要应用于人行道、小区道路、广场等地点，因此本试验中降雨径流收集地点选在咸阳市杨凌区渭惠路人行道、化建家园小区、新时代广场3 处，收集时间为降雨形成地表径流的初期(前0.5 h)，此时径流中的颗粒物浓度较高，所含悬浮颗粒物情况也更符合陶瓷透水路面砖在使用过程中的实际淤堵工况。

1.2.1 径流颗粒物浓度

将每个地点的径流收集样搅拌均匀后分别装入3 个250 mL 的烧杯，采用烘干法测试所含颗粒物浓度，每个地点的颗粒物最终浓度取3 个所测浓度的平均值，表1 为各采样地点的颗粒物浓度情况。本试验为了研究陶瓷透水路面砖在最不利工况下的淤堵情况，堵塞溶液的配制参考化建家园小区处的径流颗粒物浓度为0.688 g/L。

表1 不同地点雨水径流样品悬浮颗粒物浓度

1.2.2 径流颗粒物粒径分布

径流样品中所含颗粒物粒径采用Mastersizer 2000E 型激光粒度仪进行测试，再根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》中对土的工程分类，可将样品中颗粒物根据粒径大小进行分组统计，表2 为各样品中颗粒物在相应粒径区间所占的体积百分比。

表2 不同地点雨水径流样品颗粒物粒径分布

由表2 可知，各样品悬浮颗粒物在粒径区间为0.005～0.075 mm 中的含量最多，在1～2 mm 粒径区间内的颗粒物含量几乎为0。由于本试验选择样品2 的颗粒物浓度作为堵塞溶液配制的目标浓度值，所以后续堵塞溶液配制中的颗粒物称量也将依据表2 中样品2 的颗粒物粒径分布统计结果。

1.2.3 堵塞溶液配制

针对西北黄土分布区，本试验利用黄土筛分颗粒与蒸馏水配制堵塞溶液用于进行室内淤堵试验。配制堵塞溶液的具体计算步骤为：根据《陕西统计年鉴2019》可知，咸阳市年均降雨量为457.2 mm，而单块陶瓷透水路面砖的上表面尺寸为200 mm×100 mm，则一年内作用在单砖上的水量为457.2×200×100=9.144×106mm3=9.144 L。经测试知样品 2 的颗粒物浓度为0.688 g/L，则单砖一年的作用水量中包含颗粒物质量为0.688×9.144=6.29 g。再根据表2 中样品2 所含颗粒物在各粒径区间的体积百分比，可得单砖一年作用水量中所含颗粒物在各粒径区间的质量，如表3 所示。

表3 单砖一年不同粒径区间(mm)黄土筛分颗粒物质量 g

由表3 可知，利用9.144 L 蒸馏水与计算所得单砖一年淤堵时所需各粒径区间的黄土筛分颗粒，可配制单砖实际淤堵一年时所需的堵塞溶液，将该堵塞溶液一次性地施加于砖样并渗透完全后，即可认为模拟了此单砖试样实际经历一年淤堵后的工况。本方法将单砖面积内一年淤堵所需堵塞溶液总量，以单次、不间断的方式施加，忽略了一年中多次降雨的间歇影响，此种考虑为最不利情况，且能大幅缩短试验周期。以此类推，通过施加单砖淤堵某一时间段所需堵塞溶液并经试样一次渗透完全后，即可认为是模拟了试样实际经历该时间段淤堵后的工况。

2 试验方法

2.1 试验装置

对于陶瓷透水路面砖渗透与淤堵试验装置，需要考虑试样形状、尺寸，且要防止侧壁渗漏。根据达西渗透定律，采用亚克力板自行研制了针对单砖试样的渗透与淤堵试验装置，其中创新点为选用了合适尺寸的电动车内胎，辅以少量凡士林，对其进行充气以产生足够大的围压来防止侧壁渗漏，试验证明本装置合理有效，且成本低廉，图2 为本研究设计的试验装置原理示意。

图2 渗透与淤堵试验装置原理示意

2.2 试验步骤

渗透与淤堵试验具体步骤如下：

(1)首先在试样四周缠上一层生料带，生料带的作用是防止试验过程中涂抹的少量凡士林在挤压作用下进入砖体内部，再将试样放入抽真空饱和缸中进行抽气饱和，使陶瓷透水路面砖内部孔隙达到饱水状态。

(2)将试样从抽真空饱和缸中取出，然后在试样的周侧套上内胎，内胎内外侧需预先涂敷少量凡士林，用以加强密封效果；接着将试样置于样品槽中的透水板上，通过螺钉盖上压板并对内胎进行充气，使内胎涨紧挤压位于其内侧的试样和其外侧的样品槽侧壁，达到防止侧漏的目的；最后将测试箱上、下两部分用法兰连接，放入水槽。

(3)向测试箱中自上而下缓慢注入蒸馏水，水流逐渐进入测试箱并经由砖样上下表面进行入渗至出流水槽，直至测试箱上部的溢流口开始溢流。待出流水槽上部出流口的水流稳定时，开始渗透试验：用量筒收集出流口在一定时间t 内流出的水流，体积记为Q，结合溢流口和出流口之间的水位差H，根据达西定律计算试样的渗透系数kT；并经式(1)换算得到标准温度(15 ℃)下的渗透系数 k15，其中 ηT/η15为水的动力粘滞系数比，通过查JC/T 945—2005《透水砖》可得。

(4)在测试砖样未淤堵时的渗透系数时，待试样上的液柱渗透完全后，利用虹吸原理将预先配制的单砖实际淤堵0.5年所需堵塞溶液均匀地喷洒在砖样表面，待加入的堵塞溶液经由砖体完全渗透后，即可认为模拟了试样在实际经历0.5年淤堵后的工况，然后利用蒸馏水按照试验步骤(3)测试该淤堵程度下试样的渗透系数。再累加实际淤堵0.5 年所需堵塞溶液，即可得到试样在模拟淤堵时间为1 年时的渗透系数；以此类推，测试试样在模拟淤堵时间分别为 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 年时的渗透系数，最终得到砖样的淤堵曲线。

3 结果分析与讨论

3.1 淤堵曲线分析

基于堵塞溶液配制的计算结果，利用西北黄土筛分颗粒和蒸馏水配制堵塞溶液，再按照前述渗透与淤堵试验步骤对陶瓷透水路面砖试样进行室内淤堵试验，得到试样在模拟淤堵时间分别为 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 年时的渗透系数，图3 为2 块试样(1#砖与2#砖)的渗透系数随模拟淤堵时间延长的变化规律。其中，由于2 块试样的初始渗透系数和内部孔隙结构特征存在差异，导致其完成淤堵试验的时间不同。

由图3 可知：

(1)随着模拟淤堵时间的延长，2 块试样的渗透系数均不断减小。试验结束时，1#砖的渗透系数由最初的2.91×10-2cm/s减小至1.88×10-3cm/s，减小幅度为93.54%；2#砖的渗透系数由最初的2.23×10-2cm/s 减小至6.03×10-4cm/s，减小幅度为97.30%。

图3 试样淤堵规律曲线

(2)随着模拟淤堵时间的延长，砖样的渗透系数变化过程大致可分为3 个阶段：快速衰减阶段、缓慢衰减阶段和稳定阶段。对于1#砖，从初始状态到模拟淤堵1.5 年的阶段属于渗透系数快速衰减阶段，在此阶段内，堵塞颗粒物随着堵塞溶液入渗而滞留在试样内部的连通孔隙内，造成试样渗透系数快速衰减；模拟淤堵时间为1.5～3.0 年的阶段属于渗透系数缓慢衰减阶段，此阶段内渗透系数仍不断减小，但减小的速率较第一阶段要缓慢得多，原因是经过第一阶段的快速淤堵后，试样渗透系数大幅减小，这使得第二阶段内堵塞溶液进入砖体的速度变慢，随之运移的堵塞颗粒物在相同时间间隔内较第一阶段大幅减少，渗透系数的衰减速率放缓；在模拟淤堵时间为3～5 年内，渗透系数基本保持不变，属于稳定阶段，原因是此阶段内试样表面和内部连通孔隙颗粒物淤积程度均很严重，造成堵塞溶液的入渗和流出十分缓慢，渗透系数维持在1.88×10-3cm/s 左右，此时可结束淤堵试验。对于2#砖，因其初始渗透系数较1#砖小，且孔隙结构特征与1#砖也存在差异，导致其完成淤堵试验的时长较1#砖短，但两者淤堵曲线的变化趋势基本相似，2#砖的渗透系数变化过程也可分为快速衰减阶段、缓慢衰减阶段和稳定阶段，对应的模拟淤堵时间分别为 0～1.0、1.0～1.5、1.5～2.5 年。

根据GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》的规定，认为当透水路面砖的渗透系数小于1×10-2cm/s 时，透水路面砖可视为已经基本失效。对于本试验中的1#砖和2#砖，在模拟淤堵时间分别达到1.0 年、0.5 年时，渗透系数分别减小至 1.07×10-2cm/s、8.83×10-3cm/s，因此可以认为 2 块试样的正常使用年限分别为1.0 年和0.5 年。然而，上述得到的正常使用年限可能较实际情况要短，原因是本试验没有考虑路面会定期清洁维护、降雨时径流的水平流动冲刷作用等实际应用中的复杂工况条件，仅仅只考虑了堵塞颗粒物随堵塞溶液垂直入渗进入砖体内部导致的淤堵现象，为单砖实际应用工况中较不利情况。

3.2 拟合分析

为了进一步分析渗透系数和淤堵时间的关系，本文进行拟合分析，将吉林大学杜新强等[14]所测得的淤堵曲线与本试验的淤堵曲线进行对比分析。考虑到试样的初始渗透系数存在差异，首先对淤堵曲线中的渗透系数进行归一化处理，具体步骤为将每块试样在淤堵试验中测得的渗透系数k15除以该试样初始渗透系数k0。

在进行规律拟合时，通过查阅国内外参考文献，发现李美云等[15]、Sansalone 等[16]、Boogaard 等[6]的研究均发现透水铺装材料的渗透系数衰减过程符合指数衰减模型；同时，本文也对比了数种典型函数的拟合效果，发现指数型函数与2 块试样及杜新强等[14]所得数据的归一化淤堵试验结果均具有较强的拟合关系，相关系数R2均大于0.99，如图4 所示。由此可知，归一化后的陶瓷透水路面砖淤堵曲线可用指数型函数进行拟合。

图4 归一化处理后的淤堵试验结果与拟合曲线

3.3 不同部位颗粒物质量分析

在淤堵试验完成后，小心地将试样取出，然后对不同部位的堵塞颗粒物进行质量分析，具体是指陶瓷透水路面砖表面淤积的颗粒物、砖体内部的颗粒物(包括可以反向冲洗出来的和滞留在砖体内部难以反向冲洗出来的)、随堵塞溶液透过砖体的颗粒物以及试验过程中损失的颗粒物(如粘附在试验装置上的)。具体过程为：待试样自然风干后，用牙刷将试样表面淤积的颗粒物轻轻刷下收集，可以反向冲洗出来的内部颗粒物通过反向注水冲洗的方式收集，滞留在砖体内部难以反向冲洗出来的颗粒物质量通过砖样淤堵前后的质量差得到，随堵塞溶液透过试样的颗粒物通过烘干试验用水中的沉淀物获得，损失的颗粒物质量通过质量守恒定律得到，表4 为不同部位颗粒物质量占比统计。

表4 不同部位堵塞颗粒物质量占比统计

由表4 可知，对于淤堵试验后的2 块试样，砖体表面淤积的颗粒物质量占比最多(均超过50%)，原因是本研究在试验过程中没有对砖体表面进行实时清理，导致砖体表面的颗粒物累积增多，大大加快了渗透系数的衰减，可将此部位颗粒物造成的淤堵定义为表面淤堵。对于进入砖体内部的颗粒物，统一将这部分颗粒物造成的淤堵定义为内部淤堵，其中能反向冲洗出的颗粒物较少，且这部分堵塞颗粒物可能大多分布在离砖体上表面较浅处；对于难以反向冲洗出来的内部堵塞颗粒物，原因可能是其位于砖体内部较深处或砖体内部曲折的孔隙通道内，反向冲洗的方式很难使其流出，这说明在实际应用中，真空抽吸的清理方式对淤堵在砖体内部较深处的颗粒物清理效果可能不佳，为了延长陶瓷透水路面砖的使用寿命，需要经常对其进行表面清理维护，避免长时间的不清理使较多堵塞颗粒物运移到砖体内部较深处而难以清理。透过砖体的颗粒物大部分是在淤堵试验前期，随堵塞溶液的入渗而透过砖体，后期由于砖体表面的颗粒物累积增多导致堵塞溶液的渗透速度缓慢，透过砖体的堵塞颗粒物也大幅减少。综上可知，在对铺设陶瓷透水路面砖的场所进行管养时，经常性地表面清理很有必要；对于淤堵到砖体内部较深处的颗粒物，如果采用真空抽吸的方式进行清理，真空吸力的大小会影响清理效果。

3.4 不同部位颗粒物粒径分析

淤堵试验结束，对不同部位的堵塞颗粒物进行了粒径分布特征分析，图5 为2 块试样不同部位堵塞颗粒物的粒径分布。其中，滞留在砖体内部而难以反向冲洗出来的颗粒物和损失的颗粒物因难以得到，所以未对此部分颗粒物进行粒径分析。

图5 不同部位堵塞颗粒物粒径分布

由图5 可知，2 块试样表面淤积的颗粒物粒径分布特征相似，反向冲洗出试样以及透过试样的颗粒物粒径分布特征也较为相似，即粒径0.005～0.075 mm 的颗粒物占比最高，粒径1～2 mm 的颗粒物占比最低。

3.5 清理维护效果分析

在陶瓷透水路面砖的实际应用中，通常会定期进行清理和维护，以延长其使用寿命。目前，国内外常用的清理维护方法主要有机械清扫、真空抽吸、压力水冲洗等[17]。本研究在进行以上结果分析后，对经表面清理和内部反向冲洗处理后的试样，再次按照前述渗透试验步骤测试其渗透系数，观察其渗透系数恢复情况，表5 为试样处理前后的渗透系数。

表5 试样处理前后渗透系数

由表5 可知，1#砖经过模拟淤堵时间5 年后，渗透系数由最初的 2.91×10-2cm/s 减小至 1.88×10-3cm/s，减小幅度为93.54%；在经过表面清理和反向冲洗后，渗透系数又恢复为1.98×10-2cm/s，为淤堵试验完成时渗透系数的10.5 倍，较初始渗透系数低32%。对于2#砖，经过模拟淤堵时间2.5 年后，渗透系数由最初的2.23×10-2cm/s 减小至6.03×10-4cm/s，减小幅度为97.30%；在经过表面清理和反向冲洗后，渗透系数又恢复为1.29×10-2cm/s，较初始渗透系数低42%。由此可知，在实际应用中，采用表面清理和真空抽吸相结合的清理维护方式，是降低陶瓷透水路面砖的淤堵程度、延长其使用寿命较为有效的方法。