種植屋面5種不同排蓄水材料性能分析*

俞 偉 關(guān)慶偉

南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 南京 210037

種植屋面是指鋪以種植土或設(shè)置容器種植植物的建筑屋面或地下建筑頂板。栽上植物的屋面可以蓄積雨水［1-2］，減少地表徑流［3］。在炎熱夏季，其通過植物土壤的蒸騰蒸發(fā)作用和樹冠葉片的遮陰效果，可以大大減少屋面熱通量，增強(qiáng)保溫隔熱性能［4］，降低建筑物空調(diào)系統(tǒng)的能耗［5］，從而間接減少碳排放。

國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JGJ155—2013種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》中將種植屋面劃分為簡單式(extensive green roof)和花園式(intensive green roof)2種，并規(guī)定了種植平屋面設(shè)計的基本構(gòu)造層次要求，從下往上依次為基層(即屋面板)、絕熱層、找坡層、普通防水層、耐根穿刺防水層、保護(hù)層、排(蓄)水層、過濾層、種植土層和植被層等。在具體實施時可根據(jù)各地區(qū)氣候特點、屋面形式、植物種類等情況，增減屋面構(gòu)造層次，選擇不同材料。同時規(guī)程建議年降水量小于蒸發(fā)量的地區(qū)宜選用蓄水功能強(qiáng)的排(蓄)水材料，而在條文說明里推薦優(yōu)先選用塑料類排(蓄)水板。由此可見，對于雨水少的地方，種植屋面排(蓄)水層的蓄水能力是非常重要的。它直接關(guān)系到植物的存活和后期養(yǎng)護(hù)的成本，特別是對于種植土層很薄的簡單式種植屋面。

目前市場上塑料排(蓄)水板的厚度普遍在2～3cm，其每平米的蓄水能力到底有多大尚沒有看到具體數(shù)據(jù)。另外在種植屋面全生命周期的環(huán)境評價時發(fā)現(xiàn)，這種塑料排(蓄)水板在生產(chǎn)過程中會給環(huán)境帶來負(fù)荷，而且現(xiàn)有塑料排(蓄)水板的耐久年限還有待提高［6］?？傊?，和其他輕質(zhì)無機(jī)多孔材料相比，這類排(蓄)水板的蓄水性能是否真的具有明顯優(yōu)勢，還沒有看到公開的實驗報道。下面我們想通過兩類5種不同排(蓄)水材料的對比試驗，來對它們的蓄水性能進(jìn)行驗證，以期為今后種植屋面(或屋頂綠化)建設(shè)提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗選取的5種排(蓄)水材料分別是碎石、陶粒、玻璃輕石、PVC 排(蓄)水板和HDPE排(蓄)水板。碎石是屋頂綠化常用的排水材料，取材容易、價格低廉、重量大、強(qiáng)度高，排水效果好，選用規(guī)格1 ～2.5 cm;但由于材料自身質(zhì)地緊密、沒有孔洞，基本沒有吸水能力，本次試驗把它作為對照。陶粒屬傳統(tǒng)園藝上常用的輕質(zhì)疏松顆粒狀材料，因原料和工藝不同而各異，有一定的吸水性;但抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)不如碎石，較早應(yīng)用于簡單式種植屋面，選用規(guī)格1 ～2 cm，球形暗紅色。玻璃輕石是將各種廢玻璃研磨成粉末，通過添加不同的助劑，使其在高溫焙燒過程中發(fā)泡膨脹后冷卻而形成的一種多孔輕質(zhì)無機(jī)材料，具有質(zhì)輕多孔、硬度高、抗壓性強(qiáng)、吸水性好等多種優(yōu)良性能，是新開發(fā)的循環(huán)利用型材料，選用規(guī)格1.5 ～3 cm。

本試驗選用的PVC 排(蓄)水板為雙面凹凸型，規(guī)格78 cm×127 cm(約1 m2)，總厚度3 cm;下凹面整體形成蓄水盤，總共由791 個杯形孔組成，蓄水高度約1.5 cm;上凸頂面開小圓孔用于排水和透氣，同時支撐土工布。HDPE 排(蓄)水板規(guī)格為50 cm×50 cm，總厚度(也是蓄水高度)為3 cm。其板面結(jié)構(gòu)為多孔圖案狀，大孔共64 個，鏤空用于排水透氣;小孔81 個，下凹杯形用于蓄水和支撐。

1.2 研究方法

所選材料分屬2種不同類型，碎石、陶粒和玻璃輕石屬于松散型顆粒狀無機(jī)材料，塑料類排(蓄)水板屬于塊狀有機(jī)材料。整個試驗根據(jù)材料特點采取了2種不同的方法。

首先，將碎石、陶粒和玻璃輕石用玻璃量杯各量取1 L 裝入自封塑料袋中，在自然狀態(tài)下用精度為0.01 g 的電子天平稱重，記錄重量;然后在塑料袋中灌滿水后封口，全浸水24 h 后開啟袋口將水排干，觀察袋內(nèi)不再有重力水流出后，用電子天平二次稱重，記錄下浸水后的重量;前后差值即為每升材料的蓄水重量，并可由此換算出每升材料蓄水體積。同時，觀察碎石、陶粒和玻璃輕石在水中狀態(tài)的變化(下沉、懸浮或浮在水面)。

然后，用電子稱稱取2種塑料排(蓄)水板各自重量，并得出每平米重量。接著，用量杯量取1 L 水備用，將2種排(蓄)水板平放在桌面，進(jìn)行注水試驗。PVC 排(蓄)水板選取4 排共64 個孔，先用塑料尖嘴壺將每個孔的水加至九成滿，然后改用吸管點加，以水不往外溢出為標(biāo)準(zhǔn)，記錄下所用水量，計算出單孔平均用水量，由此得出整塊板(約1 m2)的蓄水量。對于HDPE 排(蓄)水板則對整塊單板的小孔注水，記錄下單塊板的用水量，由此計算出每平米板的蓄水量(4 塊1 m2)。注水方法和標(biāo)準(zhǔn)同上。

以上試驗均在南京林業(yè)大學(xué)生態(tài)學(xué)實驗室內(nèi)進(jìn)行，時間為2014年1月。試驗設(shè)3 次重復(fù)，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果

自然狀態(tài)下，碎石和陶粒、玻璃輕石的重量差異很大，從大到小的順序為碎石、陶粒、玻璃輕石，其中碎石的重量分別是陶粒的4 倍和玻璃輕石的6.6倍。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算出3種材料每升的蓄水量由大到小依次為玻璃輕石、陶粒、碎石(表1)。陶粒的蓄水量為碎石的4.9 倍，玻璃輕石的蓄水量高出陶粒約60%。另外可以看到，經(jīng)水浸泡24 h 后，除碎石外，陶粒和玻璃輕石依然浮在水面。

表1 3種松散型顆粒狀排(蓄)水材料性能指標(biāo)

對于塑料類材料，PVC 排(蓄)水板要比HDPE 排(蓄)水板輕77%，且每平米蓄水量前者要大于后者約25%(表2)。在試驗過程中，HDPE排(蓄)水板有破損，而PVC 排(蓄)水板沒有。雖然本次試驗沒有做材料的耐壓強(qiáng)度測試，但也從側(cè)面說明PVC 板的整體強(qiáng)度要好于HDPE 板。

同時，為了體現(xiàn)蓄水量和材料自身重量和體積的關(guān)系，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)另外計算出其各自的體積比和重量比2 個參數(shù)(表3)。

表2 2種塑料類排(蓄)水板性能指標(biāo)

表3 5種排(蓄)水材料蓄水性能重量比和體積比

3 分析與討論

首先需要強(qiáng)調(diào)是，把碎石作為對照是由于一般認(rèn)為它不具備蓄水能力，但為什么試驗結(jié)果里卻反映出它具有一定的蓄水量呢?這是因為碎石并不是一種憎水材料，浸水后其表面實際上也吸附了少量的水;但其蓄水量只占到材料自身重量的1%和體積的1.5%，確實可以忽略不計。

對2 類不同材料由于采用了不同的試驗方法，對于各自的蓄水能力得出的結(jié)果無法直接進(jìn)行比較。對于碎石、陶粒和玻璃輕石，得到的是每升蓄水量;而對于塑料排(蓄)水板，得到的是其每平米固定蓄水量(其厚度為定值)。如此只有把碎石、陶粒和玻璃輕石每升蓄水量換算成每平米才有比較意義;而要算出其每平米的蓄水量，只有在具體工程中明確了這類材料的鋪設(shè)厚度才能得到。

不妨先來看一下《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》JGJ155—2013 里對這類材料的鋪設(shè)要求:1)級配碎石的粒徑宜為1 ～2.5 cm，鋪設(shè)厚度不小于10 cm;2)陶粒的粒徑宜為1 cm ～2.5 cm，堆積密度不宜大于500 kg/m3(本次試驗用陶粒366 kg/m3)，鋪設(shè)厚度不小于10 cm。以上對于材料鋪設(shè)厚度的規(guī)定均為下限值，實際工程中通常會根據(jù)種植土厚度和實際情況調(diào)整。對于玻璃輕石，因為是新型材料，《規(guī)程》里沒有提到，對其可以參考陶粒的要求。如果以鋪設(shè)厚度下限10 cm 來計算，可得到碎石、陶粒和玻璃輕石每平米的蓄水量分別為1.5 kg、7.3 kg和11.8 kg。除了碎石，這要比所有塑料排(蓄)水板的蓄水量都要大得多，特別是玻璃輕石，反映出優(yōu)良的蓄水能力。所以在實際工程中不能簡單地認(rèn)為塑料排(蓄)水板的蓄水能力就比顆粒狀的輕質(zhì)材料要好。

試驗中陶粒和玻璃輕石在浸水后仍然浮在水面，說明其比重仍然小于水。這恰如廠家資料所介紹，證明它們的內(nèi)部孔洞為封閉結(jié)構(gòu)而沒有連通，只是表層的微孔吸附水分，才使得它們在浸水飽和后仍能保持較小的比重，而這種特性也是種植屋面所需要的。通常人們依據(jù)它們始終浮在水面的性狀而斷定它們沒有吸水性或吸水性不好，這是不科學(xué)的。陶粒和玻璃輕石的表面均呈細(xì)密蜂窩狀，作為排(蓄)水材料其顆粒小、數(shù)量多，總表面積就大，鋪設(shè)達(dá)到一定厚度其蓄水性能是不可小覷的;而塑料排(蓄)水板由于可選擇厚度不多，其蓄水的潛力非常有限。

在實際應(yīng)用中，簡單式種植屋面占有較大比例。特別是以種植佛甲草為主的既有建筑屋面改造工程，由于原結(jié)構(gòu)荷載限制，種植土層較薄。說到這一類種植屋面，就要對《規(guī)程》里的數(shù)據(jù)作一點調(diào)整(因為這樣才顯得公平)。上面的比較套用了《規(guī)程》里的鋪設(shè)厚度下限值10 cm。實際上在簡單式種植屋面工程中，這樣的鋪設(shè)厚度是不現(xiàn)實的。作為簡單式種植屋面，總厚度一般不超過15 cm。如果把碎石、陶粒和玻璃輕石的鋪設(shè)厚度都按10 cm 來算，上面的土壤就太薄了，排(蓄)水層厚度竟然超過了種植土層。事實上也沒這個必要?？紤]種盆花的情況，一般在盆底鋪上2 ～3 cm 厚的陶?；蚴泳涂蓾M足排水要求。如果按照這個推理，《規(guī)程》里的下限值應(yīng)該主要是針對種植土層較厚的花園式種植屋面。

按照3 cm 的統(tǒng)一厚度來比較這5種材料每平米的蓄水能力(表4)不難發(fā)現(xiàn)，這時的蓄水能力排序發(fā)生了改變，從大到小依次為PVC 板、玻璃輕石、HDPE 板、陶粒、碎石。這這說明在簡單式種植屋面中，塑料排(蓄)水板表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，陶粒在鋪設(shè)厚度減小的情況下蓄水能力明顯下降。陶粒的蓄水量只有在鋪設(shè)厚度達(dá)到5 cm 時超過HDPE 板，厚度為7 cm 時超過PVC 板;而玻璃輕石則只需要增加1 cm，就已和PVC 板相近。所以在簡單式種植屋面上，PVC 板和玻璃輕石的蓄水性能應(yīng)該是相近的，而陶粒因為太厚而不會被選用。能夠大量蓄水但又不犧牲種植土層厚度是種植屋面排(蓄)水材料應(yīng)該具備的良好性能，特別是對于簡單式種植屋面而言。

這里需要說明的是，對于2種排水板，試驗結(jié)果是在水平的試驗桌上得出的;而對于種植平屋面，規(guī)范要求其排水坡度應(yīng)在2% ～5%。在這種情況下，排水板的蓄水量將會因屋面傾斜有所折減，而這對于玻璃輕石和陶粒則沒有影響。但從施工的角度看，屋面坡度的增加無疑也加大了玻璃輕石和陶粒這類散狀顆粒材料的鋪設(shè)難度。二者在這方面各有利弊。

表4 5種排(蓄)水材料3 cm 厚性能指標(biāo)

2007 版《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》有關(guān)排(蓄)水材料章節(jié)沒有列出碎石這種材料，只有陶粒和塑料排(蓄)水板;但2013 版把碎石加了進(jìn)去，并提出了鋪設(shè)要求。同時，塑料排(蓄)水板作為建議采用材料從2013 版正文里刪除，而在條文說明里保留(見2013 版5.1.13 和2007 版5.2.8)。對于這樣做的原因沒有解釋。即便如此，從以上的分析可以看出，塑料排(蓄)水板作為一種輕質(zhì)帶蓄水且施工方便的材料，在簡單式種植屋面上具有很大優(yōu)勢;特別是當(dāng)種植屋面工程受到屋面荷載限制時，這種材料輕且薄的特點可以最大程度增加種植土層厚度和減小總厚度。但對于花園式種植屋面，情況會有所不同。由于種植土層很厚(通常＞50 cm)，在實際應(yīng)用中會遇到一些意想不到的問題，即由于土方量過大，在運輸和平整過程中往往會用到車輛設(shè)備;而除了碎石外，上述其他材料是無法經(jīng)受車輪反復(fù)碾壓的(特別是地下或半地下式車庫頂板上的土都是運土車直接開上去卸土)。雖然《規(guī)程》里規(guī)定了塑料排(蓄)水板的壓縮性能指標(biāo)，但主要是針對人和土壤的荷載，而沒有考慮到屋面上土過程中運輸車輛對材料的損傷。所以排(蓄)水板實際上只適用于用人工上土的種植屋面，而對于那些需要用車輛上土的種植屋面碎石的優(yōu)勢是明顯的，這在大量的工程實踐中得到證實。這就是為什么2013 版《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》里加上了碎石這種看似又苯又重且無蓄水性能的材料的原因。

最后，就蓄水量而言，沒有任何一種排(蓄)水材料能夠超過土壤本身(見規(guī)程對種植土的要求)。那么隨著種植土層厚度的增加，排(蓄)水層所承擔(dān)的蓄水量比例就在下降，其重要性也將相應(yīng)降低。所以強(qiáng)調(diào)排(蓄)水層材料的蓄水能力應(yīng)該只是針對種植土層較薄的簡單式種植屋面，特別是在缺水干旱地區(qū)。

4 結(jié)論

種植屋面是對城市綠地的有效補充，對于緩解城市用地緊張，改善人居環(huán)境發(fā)揮著愈來愈重要的作用。作為建筑的有機(jī)組成部分，種植屋面必須首先解決好屋面排水問題，以消除公眾對其存在的擔(dān)憂;同時，為了屋面植物的生存和正常生長，也要求排水材料兼有蓄水功能。塑料排(蓄)水板對于簡單式種植屋面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，特別是PVC 排(蓄)水板，其蓄水重量比和體積比均為最優(yōu)。其次是玻璃輕石。由于其多孔高強(qiáng)的特征，在透氣性和耐壓性方面均要優(yōu)于塑料排(蓄)水板;尤其在增加鋪設(shè)厚度的情況下，其蓄水性能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過排(蓄)水板。而陶粒在性能和成本方面相對其t 材料都不占優(yōu)。對于種植土層較厚的花園式種植屋面，碎石有時是個不得已的選擇。其成本優(yōu)勢和抗壓性能使它在過去、現(xiàn)在和將來都不能被輕易淘汰。

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