城市人行道透水性路面及其透水面層材料

初 濤 韓 冰 徐永嘉（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

近年來，我國城市內(nèi)澇現(xiàn)象愈演愈烈。每到夏季暴雨過后，許多城市都會發(fā)生嚴(yán)重的積水現(xiàn)象，造成交通堵塞、基礎(chǔ)設(shè)施損毀甚至侵害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，其主要原因是城市路面不透水。

圖1 湖北武漢市內(nèi)澇

傳統(tǒng)的城市道路大多采用密實(shí)的不透水材料作為面層，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大或歷時(shí)較長時(shí)，會因排水速率不夠而迅速形成地表徑流，導(dǎo)致路面積水、交通不暢。不透水路面在地表徑流產(chǎn)生后，雨水才通過城市排水管網(wǎng)排出，是典型的末端治理方式。相對于傳統(tǒng)路面，透水性面層則是針對地表徑流產(chǎn)生的根源，利用自身良好的透水性能對雨水進(jìn)行分散式的吸收，推遲了地表徑流產(chǎn)生的時(shí)間，緩和了徑流高峰，提高了對降雨控制的效率，大大減輕了城市管網(wǎng)的排水壓力。

本文在簡介透水性路面的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹目前主要應(yīng)用于人行道上的三種透水面層材料。

1 國內(nèi)外透水路面的使用進(jìn)展

根據(jù)記載，透水性路面起源于英國，最早可以追溯到1940年。美、德、日等發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)70年代，便開始研究并應(yīng)用推廣透水路面，其透水路面的使用居世界領(lǐng)先地位[1]。美國廣泛應(yīng)用透水混凝土于道路透水層等工程上，其研究主要側(cè)重于透水道路對地表徑流的抑制作用和對由地表徑流而引起的污染物的擴(kuò)散的抑制作用[2]。德國全國80%以上的路面為透水路面，其不同的區(qū)域采用不同材料的透水面層。日本從1973年推動透水鋪面至今已有30年，其在透水瀝青混凝土的材料發(fā)展、規(guī)范制定、現(xiàn)場施工等方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

圖2 美國透水混凝土案例

我國對透水路面的研究始于20世紀(jì)90年代后期，起步較晚，研究與應(yīng)用水平較國外有較大的差距，尚未積累形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與成熟的工程經(jīng)驗(yàn)[3]。近年來我國透水路面的工程量迅速增加，很多城市開始使用和推廣透水路面結(jié)構(gòu)，但基本上處于試驗(yàn)階段，鋪設(shè)方法不一，沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[4]。透水性路面在我國道路建設(shè)中雖然存在某些技術(shù)等方面的問題，但具有很好的應(yīng)用前景。

2 城市透水路面的分類及意義

2.1 城市透水路面的分類

根據(jù)使用功能的不同，透水路面可以分為行車透水路面和人行道透水路面。根據(jù)水流路徑的不同，透水路面可以分為排水型透水路面、半透型透水路面和全透型透水路面[5]。此分類的工程意義在于：各透水路面的功能要求不同，前兩者主要用于避免路面積水，雨水不能透過路基深入地下，而全透型除此之外還有補(bǔ)給地下水的功能。此分類還考慮了土基承載力和降雨?duì)顩r的不同[6]。根據(jù)透水路面的面層材料劃分，主要分為透水路面磚、透水混凝土、透水瀝青混合料三種。這三種透水面層在后面會詳細(xì)介紹。

圖3 排水型透水路面

圖4 半透型透水路面

圖5 全透型透水路面

2.2 城市不透水路面引發(fā)的問題

隨著城市化建設(shè)的加快，被阻水材料覆蓋的不透水地表在城市面積中的比例也逐漸升高，與此同時(shí)也給人們帶來了一些問題：1）地表徑流達(dá)到高峰時(shí)刻，城市排水管網(wǎng)負(fù)荷大，路面容易積水被淹，從而導(dǎo)致城市內(nèi)澇；2）雨水無法下滲，被不斷抽取的城市地下水得不到補(bǔ)充，地下水位越來越低，引發(fā)地面沉降；3）密不透氣的面層使得其上下難以進(jìn)行熱量和水分的交換，不能有效地調(diào)節(jié)地表溫濕度，加劇了城市的熱島效應(yīng)；4）由于沖刷和溶解作用，城市地表的污染物（各種營養(yǎng)鹽、顆粒物質(zhì)甚至是有毒有害的重金屬[7]）進(jìn)入地表徑流，其直接排放會對受納水體造成污染。不難看出，這些問題的產(chǎn)生，歸根結(jié)底還是在于一個“透”字。

2.3 透水路面的作用

與傳統(tǒng)的密實(shí)型路面相比，透水路面具有下述改善性的作用：1）分散性地收集和處理雨水，在徑流還未產(chǎn)生時(shí)就將其全部或部分地消除，降低城市地表徑流系數(shù)，緩和徑流高峰；2）雨水順著面層材料的孔隙下滲到基層和土壤，再經(jīng)土壤繼續(xù)向下滲透，維持土壤的生態(tài)環(huán)境，補(bǔ)充地下水源；3）面層以下的基層和土壤有天然的過濾作用，可以截留下滲雨水帶來的地面污染物，還可以通過其自身所具有的生態(tài)功能凈化污染物，降低排入水體中的污染物濃度；4）透水面層的孔隙增大了路面的透水性和透氣性，使得路面具有呼吸功能，從而加強(qiáng)地表與空氣之間能量與物質(zhì)的交換，調(diào)節(jié)城市氣候，緩解熱島效應(yīng)，尤其是在陽光曝曬的夏季，對降低路面表層溫度具有很大的作用；5）即使路基不透水，大量的雨水也可以暫時(shí)地儲存在基層和面層的孔隙中，通過排水管道或者蒸發(fā)作用消除；6）面層的凹凸構(gòu)造和上下連通的孔隙可降低噪音，為人們創(chuàng)造安靜的城市環(huán)境。

3 城市透水性路面面層材料

3.1 透水混凝土面層

透水混凝土是由骨料（不含或少含細(xì)骨料）、水泥、水、外加劑和摻合料等按一定比例制成的具有連續(xù)孔隙構(gòu)造的多孔混凝土[8]。普通的水泥混凝土路面缺乏滲透雨水和吸收熱量的能力，極大地破壞了城市生態(tài)系統(tǒng)，透水混凝土則可以有效地解決這一問題，是生態(tài)混凝土的重要品種之一。它的制備方法是通過控制水泥用量，使其恰好包裹粗骨料的表面，而不致流淌到骨料間的空隙，通過骨料表面水泥漿的膠結(jié)作用，形成具有上下連通的連續(xù)孔隙的骨架－孔隙結(jié)構(gòu)。由于細(xì)骨料比表面積比較大，包裹其表面所需的水泥也要增加，從而會導(dǎo)致孔隙率的下降。因此，透水混凝土通常不加細(xì)骨料，但也可以加少量細(xì)骨料增加強(qiáng)度。

圖6 透水混凝土的結(jié)構(gòu)模型

透水混凝土面層施工簡單，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低，設(shè)計(jì)與施工人員對混凝土的性能也比較了解，理論和技術(shù)比較成熟。但質(zhì)量不宜控制，表面往往比較粗糙，表面顆粒容易脫落。由于透水混凝土的多孔結(jié)構(gòu)，使得骨料之間的接觸面積減少，內(nèi)部的粘結(jié)力和機(jī)械咬合力降低，所以其強(qiáng)度低于普通的混凝土[9]。

3.2 透水瀝青混合料

透水瀝青混合料面層的配制應(yīng)采用高粘度改性瀝青，該瀝青具有較小的針入度、較高的軟化點(diǎn)和較好的抗裂性能。其骨料采取間斷級配，粗骨料含量較多且粒徑均勻，細(xì)骨料和填料含量少，故形成與透水混凝土相同的骨架－孔隙結(jié)構(gòu)，骨料與填料均宜采用與瀝青粘附性好的材料。

透水瀝青混合料面層平整性好，養(yǎng)護(hù)方便，具有良好的降噪功能，較好的柔性使得行走更加舒適，但成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的瀝青混合料[10]，施工要求高，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也高，高溫穩(wěn)定性較差，容易老化，縮短了路面的使用壽命。

圖7 透水瀝青混合料面層的多孔隙結(jié)構(gòu)

3.3 透水路面磚

透水路面磚結(jié)構(gòu)種類很多。按透水原理可分為通過磚體本身孔隙透水和通過磚與磚之間的縫隙透水兩種。按材質(zhì)和生產(chǎn)工藝可分為陶瓷透水磚和非陶瓷透水磚，陶瓷透水路面磚是將廢陶瓷或其他材料粉碎、壓制成形后，高溫?zé)Y(jié)而成的帶有通道孔隙的透水磚；非陶瓷透水磚是將砂、石用凝結(jié)材料膠結(jié)、成形、固化而制成的透水磚，如混凝土透水路面磚和自然砂透水路面磚[7]。目前，依靠自身孔隙透水的磚體結(jié)構(gòu)最為常見，而具有代表性的是混凝土透水路面磚。根據(jù)透水孔隙的形成方式，混凝土透水路面磚可分為兩類，一類同透水混凝土類似，在制作中少用或不用細(xì)集料，預(yù)留通道孔隙以實(shí)現(xiàn)透水功能；另一類是在原料中加入發(fā)氣劑，在制磚過程中放出氣體并形成細(xì)小而均勻的氣泡，使混凝土具有多孔結(jié)構(gòu)[11]。

透水路面磚鋪砌與更換都較為方便，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度相對較強(qiáng)，圖案組合容易實(shí)現(xiàn)，具有良好的裝飾效果。然而，無論是陶瓷透水磚還是非陶瓷透水磚（這里主要指混凝土透水磚），在制作的過程中都會產(chǎn)生有害氣體，前者是燒制過程中燃料本身放出的氣體，后者的污染來源主要是水泥在生產(chǎn)過程中排放的顆粒物、二氧化硫和氮氧化物等。陶瓷透水磚雖然原料來源廣泛，但由于需要高溫?zé)?，能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非陶瓷透水磚，所以成本也比較高。邊角處抗磨能力較弱，面層容易松動、沉陷和隆起。

圖8 透水路面磚的結(jié)構(gòu)造型

4 結(jié) 語

1）透水路面具有排水、降噪、調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在一些發(fā)達(dá)國家發(fā)展較快。我國對此的研究雖然較晚，理論研究與應(yīng)用實(shí)踐有待完善，但毋庸置疑的是透水路面具有很好的前景。

2）一般來講，材料的孔隙率與強(qiáng)度是成負(fù)相關(guān)的。透水路面的面層材料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)目紫堵屎瓦m中的強(qiáng)度，既要保證路面良好的透水效果，又要確保滿足一定的承載力。可以根據(jù)降水的強(qiáng)度等級和路面的承載情況，選擇合適的孔隙率。

3）應(yīng)對已修建的透水路面長期進(jìn)行觀察，不斷探尋路面使用過程中出現(xiàn)的問題，有針對性地制定對策，逐步形成一套比較成熟的透水路面設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)的規(guī)范。

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