暴雨作用下新型再生透水混凝土的抗堵塞性能

朱平华，史志浩，严先萃，杨 磊，宗美荣

（常州大学 城市建设学院，江苏 常州 213164）

近些年来中国暴雨内涝灾害频发，“逢雨必涝”已成为中国许多城市的真实写照［1］.透水混凝土（PC）是一种多孔轻质混凝土［2］，具有良好的透水功能［3］，是治理城市暴雨内涝的重要实践［4］.然而，传统PC 相邻集料之间的黏结砂浆减少，在实际使用环境中更容易开裂和剥落，严重降低PC 的使用寿命.Welker等［5］发现在降雨时不同粒径的颗粒随着水流进入PC 内部并显著降低了连通孔隙的数量.Yong 等［6］发现剥落的细小路面颗粒会堵塞PC 的小孔径通道并增加堵塞深度，例如由于PC 表面的过早失效（松动），丹佛市城市排水和防洪区暂停使用PC 路面.此外，由于高弯曲度的孔道，部分堵塞颗粒会随着暴雨径流滞留在PC 上部并发生严重的快速堵塞，之后这些物质被车辆载荷分解成更细小的颗粒，造成PC 路面的渗透性持续降低，增加了暴雨内涝灾害发生的可能［7］.

一种具有垂直孔道的新型再生透水混凝土（NRPC）在英国得到了成功的运用.NRPC 具有以下特点：通过引入垂直人工通道来实现渗透性，具有高强、高渗透性和耐堵塞性.NRPC 在中国没有得到有效推广，主要原因是担心孔道堵塞后其使用寿命会大幅降低.众多学者对NRPC 展开了研究：Kia 等［8］发现经过多次堵塞循环后，增加孔径可以降低NRPC 堵塞发生的可能性；Kia等［9］根据NRPC 开发了高强抗堵塞的透水路面，使用后发现增加孔隙率可以减少表面的堵塞颗粒滞留；Li等［10］将NRPC 和预制混凝土板结合后提出了预制混凝土板路面系统.不同孔径的NRPC对不同粒径堵塞物敏感性是不同的，然而这些研究主要集中在孔隙率对NRPC 排水和抗堵塞性能的影响［11］，关于孔径变化对NRPC 抗堵塞性能影响的研究较少［12］，尤其是在极端暴雨作用下由不同粒径堵塞物引起的快速堵塞.

因此，本文利用自制的暴雨机器模拟暴雨，采用4种粒径范围的堵塞物，对4种孔径的NRPC暴雨堵塞循环后的堵塞结构、透水系数、堵塞深度和堵塞物通过率进行研究.此外，为了提高NRPC在可持续发展中的应用潜力，采用100%再生粗骨料代替天然骨料，为确定NRPC在透水路面材料中的应用提供一定的技术支撑和理论指导.

1 试验

1.1 骨料、胶凝材料和堵塞物

水泥为江苏扬子水泥厂生产的P·O 52.5级水泥；常州热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰（FA）和硅灰（SF），表观密度分别为2 500 kg/m3和2 759 kg/m3；细骨料为天然河砂（NFA），细度模数2.4，表观密度2 586 kg/m3；常州绿和有限公司生产的再生粗骨料（RCA），粒径5～16 mm，表观密度2 203 kg/m3；减水剂为减水率（质量分数）超过30%的聚羧酸系减水剂；堵塞物按照其粒径（r）分为细砂（CM0.60-1.18）、中砂（CM1.18-2.36）、粗砂（CM2.36-4.75）和全级配砂（CM0.60-4.75），不同类型堵塞物的级配如表1所示.

表1 不同类型堵塞物的级配Table 1 Gradation of different types of clogging materialsw/%

1.2 配合比和试件制备

采用自密实混凝土作为NRPC 基体，NRPC 的配 合 比 如 表2 所 示.采 用Li 等［10］提 出 的 工 艺 制 备NRPC，如图1 所示.首先在开孔模具上放置目标孔径的钢筋，然后将新拌制的自密实混凝土浇筑到模具中，在混凝土初凝（5～6 h）后拔出钢筋即可形成带有垂直孔道的NRPC.NRPC 试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，孔隙率（体积分数）均为0.28%，孔 道 均 为 圆 柱 形，孔 径（d）分 别 为1.2、1.5、2.0、3.0 mm，孔道分布分别为5×5、4×4、3×3、2×2，分别命名为0.28-1.2-PC、0.28-1.5-PC、0.28-2.0-PC 和0.28-3.0-PC.每组3 个平行试件，即每种孔径的立方体试件制备12 个，共48 个试件.

图1 NRPC 的制备过程Fig.1 Preparation process of NRPC

表2 NRPC 的配合比Table 2 Mix proportion of NRPC kg/m3

1.3 暴雨试验

采用图2 所示装置模拟重现期为100 a 的暴雨（芝加哥雨型），暴雨强度i（mm/min）按式（1）计算.

图2 常水头透水系数测定仪Fig.2 Constant water head permeability coefficient tester

式中：P为暴雨重现期，a；t为降雨时间，min.

1.4 透水系数试验

透水系数试验之前先打开降雨喷头并放入堵塞物进行暴雨试验，然后进行透水系数试验.本试验中透水系数的测量采用的是常水头法，如图2所示.先将试件放入透水方筒装置中，试件顶部与方筒上部接触处用橡皮泥密封.向方筒中加水至上部出水口处，待上部出水口的流量稳定后从下部溢流口开始计时接水，记录时间取30 s.透水系数的计算如式（2）所示：

式中：K为透水系数，mm/s，取3 次试验的平均值；Q为t时刻的水流量，mm3；L为NRPC 厚度，mm；A为NRPC 的横截面积，mm2；H为水位差，mm.

1.5 快速堵塞试验

使用表1 中4 种级配的堵塞物对NRPC 进行快速堵塞试验.快速堵塞试验按照以下流程进行：（1）用清水对NRPC 进行初始透水试验，得到初始渗透系数（Ki）；（2）将25 g 的堵塞物均匀散在NRPC 表面，然后将NRPC 放在暴雨喷头下进行暴雨试验；（3）暴雨试验结束后用清水测试NRPC 堵塞后的透水系数（Kr）.步骤（2）、（3）记作1 次堵塞循环，然后重复4 次堵塞循环.4 次堵塞循环结束后，用1 根直径等于孔道孔径的钢筋从透水混凝土底部缓慢伸入，当钢筋被堵塞物阻碍而停止时记录钢筋伸入孔道的长度，用透水混凝土的高度减去钢筋伸入孔道内部的长度作为最底层堵塞物到NRPC 表面的距离，即堵塞深度.最后将散落于套筒内及试件上表面的砂粒收集起来，洗净、烘干、称重并筛分，计算堵塞物通过率.堵塞物通过率为通过孔道堵塞物的质量与4 次堵塞循环过程中全部堵塞物质量的比值.

2 结果与讨论

2.1 孔道内的堵塞形式

2.1.1 单一截面堵塞结构

小粒径和大粒径的堵塞物都可以造成NRPC 透水系数降低，但对于不同孔径的NRPC，所形成的堵塞结构是不同的，这是因为NRPC 的堵塞结构并不单一取决于孔径或堵塞物粒径，而是由孔径d和堵塞物粒径（r）共同决定.图3 给出了本试验中观察到的不同的单一截面堵塞结构，并根据孔径和堵塞物粒径的比值（d/r）进行了初步的分类.从图3 可以看出，d/r的变化对堵塞结构的影响显著.根据d/r范围，NRPC 堵塞结构可分为3 类：单颗粒表面堵塞、单颗粒孔道堵塞和多颗粒孔道堵塞.当d/r≤1.0 时，NRPC 主要发生单颗粒表面堵塞，堵塞物不会进入孔道，但在水流等外力冲击下容易发生移动.单颗粒孔道堵塞通常发生在1.0＜d/r≤1.5 时，单颗粒堵塞时拥有较高的残余空隙，对透水系数衰减作用有限［13］，但其稳定性最高.当1.5＜d/r≤6.0 时，孔道内部容易形成多颗粒堵塞，其特点是会导致透水系数迅速降低，但随着d/r的增加，多颗粒堵塞结构的稳定性会不断降低.上述结果表明，d/r的不同对NRPC 的堵塞结构有不同程度的影响.因而在NRPC孔径设计时，当道路堵塞物粒径分布确定后，可以适当增加d/r，不仅可以避开引起堵塞的颗粒敏感粒径，还可以减小多颗粒堵塞结构的稳定性，降低堵塞发生的可能性.

图3 不同的单一截面堵塞结构Fig.3 Different single cross-section clogging structures

2.1.2 连续堵塞结构

在暴雨冲刷下，单颗粒表面堵塞只发生在NRPC 表面并无法进入孔道，因此只将单颗粒孔道堵塞和多颗粒孔道堵塞进行组合，来模拟NRPC 孔道内的连续堵塞结构.图4 给出了6 种NRPC 孔道中的连续堵塞结构（Type A～Type F）.单颗粒堵塞和多颗粒堵塞发生的初始位置决定了之后的堵塞结构.初始堵塞结构发生在孔道下部时通常会使孔道发生完全堵塞，这是因为堵塞物会跟随雨水在初始堵塞结构的上方不断累积，直至填满整个孔道或形成新的堵塞结构.Type B、Type D、Type E 和Type F 大多出现在堵塞物为CM0.60-1.18 和CM0.60-4.75 时，其他2 种类型堵塞物（CM1.18-2.36，CM2.36-4.75）出现的堵塞结构多为Type A 和Type C，说明与大粒径堵塞物相比，在暴雨冲刷下小粒径堵塞物更容易进入孔道.此外由于过高的自重，暴雨结束后粒径大于1.18 mm 的堵塞物多停留在NRPC 的表面，因此很少在孔道内发生聚集.在所有连续堵塞结构中，Type F 是最常见的堵塞结构，然而d/r越大，Type F 在大粒径堵塞物的冲击下越容易遭到破坏.此外，Type C 要优于Type F，这是因为：Type C 残留孔隙率显著高于Type F；另外Type C 相当于在孔道表面形成了一个阻隔结构，可以防止后续的堵塞物进入孔道内部.

图4 连续堵塞结构Fig.4 Continuous clogging structures

2.2 透水系数变化规律

选用4 种粒径范围的堵塞物对4 种孔径的NRPC 进行暴雨作用下的快速堵塞试验，得到NRPC透水系数的变化如图5 所示.从图5 可以看出，NRPC的透水系数在第1 次堵塞后普遍迅速降低，在随后的堵塞循环中透水系数衰减速率减小.说明NRPC 堵塞主要发生在第1 次堵塞中，这是因为第1 次堵塞主要由暴雨冲刷下进入孔道或停留在孔道表面的堵塞物引起，而随后的透水系数降低是因为堵塞物厚度的增加，如图6 所示.此外，由于堵塞物厚度的增加，进入孔道的水流速度降低，暴雨对NRPC 孔道内堵塞结构的影响逐渐减小.

图5 NRPC 透水系数的变化Fig.5 Variation of permeability coefficient of NRPC

图6 引起透水系数降低的堵塞形式Fig.6 Clogging form leading to reduction of permeability coefficient

由图5 还可以看出，CM0.60-1.18 对NRPC 透水系数的影响较为显著（仅试件0.28-3.0-PC 出现了反常），与初始渗透系数相比，试件0.28-1.2-PC、0.28-1.5-PC 和0.28-2.0-PC 的透水系数分别降低了85.1%、86.6%和79.2%.说明CM0.60-1.18 更容易降低NRPC 的透水系数，这是因为暴雨冲刷下其堵塞结构多为Type B、Type D 和Type E，多颗粒堵塞结构通常会导致孔道完全堵塞.CM0.60-1.18 对试件0.28-3.0-PC 的透水系数影响较小，降幅仅为31.5%.这是由于d/r较高时，0.28-3.0-PC 形成的堵塞结构多为稳定性较差的Type F，在水流或其它堵塞颗粒的冲击下容易遭受破坏，这也说明d/r较高时，单独的多颗粒堵塞结构（Type F）对透水系数的影响是有限的.

CM2.36-4.75 对 试 件0.28-1.2-PC、0.28-1.5-PC和0.28-2.0-PC 透水系数影响最小，与初始渗透系数相比，其透水系数分别降低了40.7%、40.6% 和45.7%，这是因为其堵塞结构多为单颗粒表面堵塞；而试件0.28-3.0-PC 的透水系数降低了58.2%，说明引起其透水系数降低的关键粒径为2.36～4.75 mm.其次，随着堵塞物粒径的增加，d/r不断降低，形成的堵塞结构多为Type A 和Type C.CM0.60-4.75 对透水系数的降低幅度高于CM2.36-4.75，这是因为其堵塞结构多为Type B 和Type D，堵塞后CM0.60-4.75中小粒径的堵塞物很难在水流和气流作用下继续向下移动，进而填充在空隙之间并引起透水系数降低［14］.说明单颗粒孔道堵塞是导致透水系数降低的重要堵塞结构，因为小粒径的堵塞物可以在其上方不断积累.

2.3 孔道的堵塞深度

堵塞深度对于PC 清洗方式的选择具有重要意义，不适当的清洗方式可能会加大堵塞深度，例如高压冲洗孔道上部的堵塞会将堵塞物推入孔道更深处［15］.图7 给 出 了NRPC 总 堵 塞 深 度（htotal=h1+h2+…+hn，hn为第n个孔道内的堵塞深度）和透水系数衰减率（1-Ki/Kr）的关系.由图7 可见：随着总堵塞深度的增加，透水系数衰减率不断上升，当总堵塞深度为1 167.4 mm 时，透水系数衰减率甚至达到了89.8%；当 堵 塞 物 为 CM0.60-1.18 时，试 件0.28-3.0-PC 的透水系数衰减率仅为31.4%，这主要是因为其堵塞结构为稳定性较差的Type F.

图7 总堵塞深度和透水系数衰减率的关系Fig.7 Relationship between total clogging depth and permeability coefficient reduction rate

图8 展示了NRPC 每个孔道堵塞深度（h）的变化，其中每种孔径只考虑1 种孔道分布.从图8 可以看出，d/r的变化对NRPC 的堵塞深度影响显著.当堵塞物相同时，随着d/r的减小，NRPC 孔道的平均堵塞深度逐渐增加.尤其是当NRPC 孔径为1.2 mm时，孔道内的平均堵塞深度均明显大于其他3 种孔径的NRPC，这是因为减小孔径会降低孔道内水流速度，堵塞物更容易聚集并滞留在孔道中.暴雨结束后部分小粒径（r＜1.18 mm）的堵塞物会滞留在孔壁上，这相当于使孔径进一步降低，在之后的堵塞循环中更小粒径范围的堵塞物在孔道中会被截留，导致透水系数减小［16］；对比其他3 种孔径的试件，可以发现试件0.28-3.0-PC 堵塞孔道内堵塞深度显著降低，为0.3～2.5 mm.从图8 还可以看出，NRPC 的孔道具有一定的颗粒筛选作用，可过滤掉粒径大于孔径的堵塞物.说明对于大粒径堵塞物占比较高的区域，适当减小NRPC 孔径有利于减小堵塞发生的可能性.

图8 NRPC 每个孔道堵塞深度的变化Fig.8 Variation of clogging depth of each pore channel in NRPC（size：mm）

2.4 堵塞物在孔道中的通过率

d/r越高，在暴雨的冲刷下堵塞物越容易通过NRPC 的孔道，尽管这暂时不会引起NRPC 堵塞，但长期的积累会使堵塞物集中在NRPC 底部，对NRPC 的透水性能造成影响.对暴雨作用后堵塞物的通过率进行了研究，结果如表3 所示（NRPC 的孔道分布与图8 中相同）.从表3 可以看出：当堵塞物相同时，随着d/r的增加，堵塞物的通过率不断增 加，CM0.60-1.18、CM1.18-2.36、CM2.36-4.75 和CM0.60-4.75 的堵塞物通过率分别从3.9%、0%、0%和1.1%增加到18.1%、11.6%、6.7%和7.1%.堵塞物为CM0.60-4.75 时，通过孔道的全级配堵塞物各粒径质量分数如图9 所示.由图9 可以看出，随着d/r的增加，通过孔道的小粒径堵塞物的质量分数不断降低，大粒径堵塞物的质量分数逐渐上升.粒径为0.60～1.18 mm 的堵塞物质量分数从100%降低到38%，而2.36～4.75 mm 的堵塞物质量分数从0%增加到15%.说明孔道的筛选作用降低，更大粒径范围的堵塞物进入孔道并沉积在孔道底部.

图9 通过孔道的全集配堵塞物各粒径质量分数Fig.9 Mass fraction of each particle size in fully integrated clogging materials through pore channels

表3 堵塞物的通过率Table 3 Passing ratio of clogging materials w/%

3 结论

（1）根据孔径和堵塞物粒径之比，堵塞结构可分为单颗粒表面堵塞、单颗粒孔道堵塞和多颗粒孔道堵塞.单颗粒孔道堵塞的稳定性远高于多颗粒孔道堵塞，多颗粒堵塞结构是最容易发生的堵塞结构.随着孔径和堵塞物粒径之比的增加，多颗粒堵塞结构稳定性不断降低.

（2）新型再生透水混凝土NRPC 透水系数的降低主要发生在第1 次暴雨堵塞循环中，单颗粒表面堵塞对透水系数影响较小，小粒径堵塞物形成的多颗粒孔道堵塞会导致透水系数迅速降低.在相同的孔隙率下，减小孔径会增加NRPC 平均堵塞深度，透水系数衰减率随着总堵塞深度的增加而增加.

（3）随着孔径和堵塞物粒径之比的增加，堵塞物通过率不断增加，暴雨径流中的堵塞物更容易进入孔道，孔道的筛选作用不断降低.因此适当增加孔径和堵塞物粒径之比能够改善NRPC 的抗堵塞性能.