透水鋪裝材料濕物理性質(zhì)測定

汪俊松 韓雪穎 張玉 張磊 孟慶林

摘 要：為獲取典型透水鋪裝材料的濕物理性質(zhì)，以用于進行透水鋪裝熱濕傳遞計算，進而科學(xué)評價其蒸發(fā)降溫效果。以中國居住區(qū)廣泛使用的3種透水鋪裝材料：燒結(jié)陶瓷透水磚（TC）、再生骨料混凝土透水磚（ZS）和普通透水磚（PT）為研究對象，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用真空飽和實驗測試了透水鋪裝材料的表觀密度ρ、開放孔隙率及真空飽和含濕量wvac；采用單面浸泡實驗測試了毛細飽和含濕量wcap及吸水系數(shù)A；采用滲透實驗測試了其滲透系數(shù)kT。通過對測試結(jié)果進行誤差分析，建立了透水鋪裝材料與液態(tài)水相關(guān)的濕物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫。通過對比3種材料測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：保水性能方面，ZS最優(yōu)、PT次之、TC最差；吸水性能方面，TC最優(yōu)、PT次之、ZS最低，表明材料保水與吸水性能并非正相關(guān)；滲透性能方面，TC性能最優(yōu)、PT次之、ZS最弱，在滿足滲透性能的前提下，PT最有利于吸水后的蒸發(fā)降溫。

關(guān)鍵詞：透水材料；鋪裝材料；濕物理性質(zhì)；蒸發(fā)降溫

中圖分類號：TU111.2；TU502

文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1674-4764（2018）04-0020-07

Abstract：In order to obtain the hygric properties of typical porous paving materials for calculating heat and moisture transfer and evaluating its effect of evaporation cooling scientifically， three widely used porous paving materials， including sintered ceramic porous brick （TC）， recycled aggregate concrete porous brick （ZS） and ordinary porous brick （PT） were selected， Firstly， referring to relevant standards at home and abroad， the apparent density ρ， open porosity and vacuum saturation moisture content wvac of the porous bricks were tested by vacuum saturation test； the capillary water content wcap and the water absorption coefficient A of the porous bricks were tested； the permeability coefficient kT was tested by Darcy flow experiment. The hygric properties of porous bricks were initially established based on the error analysis of the test results. Through comparing with the test data， for water retention performance， ZS is the best， PT follows， TC is the worst； while， for water absorption performance， TC is optimal， PT follows ， ZS is the minimum， showing that water retention and water absorption performance have not positively related； for permeability performance， TC is the optimal， PT follows ， ZS is the weakest， on the premise of meeting the permeability， PT brick is the most conducive to the evaporation after water absorption.

Keywords：porous materials； pavement materials； hygric properties； evaporative cooling

相比傳統(tǒng)下墊面高熱容量帶來的城市熱島惡化現(xiàn)象[1]，透水鋪裝除了能夠在降雨時段有效緩解徑流[2-3]，還能通過吸水蒸發(fā)過程，降低鋪裝表面溫度，進而改善室外熱環(huán)境[4-5]。中國南方地區(qū)夏季高溫多雨，利用被動蒸發(fā)降溫有很大優(yōu)勢[6]。研究表明，透水鋪裝可在降雨時段內(nèi)將地表徑流體積減弱為降雨體積的30%～50%[7]；晴朗天氣下，透水鋪裝上方WBGT指標(biāo)值比普通不透水混凝土鋪裝小，最大差別達到4 ℃，有效降低了行人在戶外活動時被灼傷的可能[8]。透水鋪裝材料的滲透、吸水及保水性能是評價其綜合性能的基礎(chǔ)指標(biāo)，從緩解徑流的角度，采用滲透系數(shù)這一濕物理性質(zhì)參數(shù)即可進行評價[9]；但從蒸發(fā)降溫的角度，降雨后鋪裝材料的初始含水率是其蒸發(fā)降溫過程的重要初始邊界條件之一，而該指標(biāo)與鋪裝材料的吸水率和保水率有關(guān)，國際上多采用吸水系數(shù)及真空飽和含水率[10]兩項多孔材料濕物理性質(zhì)參數(shù)分別進行評價。

然而，鋪裝材料濕物理性質(zhì)參數(shù)在中國嚴重缺失，部分產(chǎn)品出廠時也僅標(biāo)注滲透系數(shù)?；诖?，選取中國南方居住區(qū)常用的3種類型透水鋪裝材料：燒結(jié)陶瓷透水磚、普通混凝土透水磚和再生骨料混凝土透水磚，參考濕物理性質(zhì)相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，采用真空飽和實驗測試了3種材料的真空飽和含濕量、并計算得出表觀密度及開放孔隙率；采用單面浸泡實驗測試了其吸水系數(shù)、毛細飽和含濕量；最后，對比分析了三者吸水、保水及滲透性能差異，以期完善透水鋪裝材料濕物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

選擇的3種類型透水鋪裝材料，分別為陶瓷透水磚（簡稱“陶瓷磚”，代號“TC”）、再生骨料透水磚（簡稱“再生磚”，代號“ZS”）和普通混凝土透水磚（簡稱“普通磚”，代號“PT”），其中，陶瓷磚由陶瓷材料添加結(jié)合劑后，高溫?zé)Y(jié)而成[11]；再生磚由建筑混凝土廢料經(jīng)破碎后篩分，加水泥、沙等攪拌壓制而成[12]；普通磚由粒徑尺寸較大的人工碎石為骨料，添加水泥、沙等攪拌壓制而成[13]，3種材料表觀如圖1所示，普通磚的表觀孔隙較陶瓷磚與再生磚大，且更粗糙。

實驗前，將試件放置于溫度為105±5 ℃的鼓風(fēng)烘干箱內(nèi)，每隔24 h稱重，當(dāng)連續(xù)3次稱重試件質(zhì)量變化率不超過0.1%，且質(zhì)量不呈單調(diào)變化時，則視為達到恒重，將烘干后的試件取出，記錄質(zhì)量，然后置于實驗環(huán)境內(nèi)穩(wěn)定至常溫恒重，以排除溫度對實驗的影響。其他涉及到的實驗器材有：天平（SHIMADZU UX4200H型，分度值0.01 g，最大量程6.2 kg）、電子溫度計（精度±0.3 ℃，量程-40～500 ℃）、蒸餾水、量筒（2個，量程分半為2 000±10 mL、100±1 mL）、燒杯（2 000±200 mL）及自制實驗裝置等。

1.2 實驗方法

1.2.1 真空飽和實驗 真空飽和實驗可獲得衡量多孔材料保水性能的真空飽和含濕量這一濕物理性質(zhì)參數(shù)，可參考國際標(biāo)準(zhǔn)ASTMC 1699—09[14]。實驗通過真空箱內(nèi)的內(nèi)外壓差使放在其內(nèi)的多孔材料孔隙內(nèi)的氣體被全部抽出，然后向真空箱內(nèi)注入蒸餾水，在內(nèi)外壓差作用下，水分進入多孔材料內(nèi)部，待開放孔隙全部被水填充后，通過水下稱重及出水稱重，計算出多孔材料的真空飽和含濕量。此外，該實驗還能測試出多孔材料的開放孔隙率和表觀密度等基礎(chǔ)物理指標(biāo)。

為操作方便并縮短實驗時間，將透水材料均切割為100 mm×100 mm×60 mm的試件各3塊進行實驗。實驗環(huán)境控制為：空氣溫度20±1 ℃，相對濕度50%±2%，實驗裝置如圖2所示。將烘干的試件稱重（mdry，kg）、冷卻后放入敞口玻璃容器內(nèi)，然后放入密閉的真空箱中，降低真空箱內(nèi)部氣壓至20 mbar以下，保持該壓力4 h，以便徹底排除試件孔隙內(nèi)的空氣，保持真空箱內(nèi)的低壓，向干燥器內(nèi)緩緩注入蒸餾水（水溫20 ℃），通過閥門調(diào)節(jié)進水速度，使液面上升速度保持在5 cm/s左右，當(dāng)水面到達試件上方5 cm后，停止注水，保持試件在水下3 d后稱重。水下稱重時，用鐵絲一端吊起試件，將鐵絲另一端懸于天平下方，記錄試件在有浮力下的重量（min，kg），然后將試件取出，用柔軟的濕布擦去表面的浮水后，在空氣中進行稱重（mwet，kg），則按照式（1）～（3）計算材料的表觀密度ρ、真空飽和含濕量wvac及開放孔隙率。

1.2.2 單面浸泡實驗

單面浸泡實驗參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISO15148：2002（E）[15]。透水材料上表面為主要接觸雨水面，故選擇其為浸水面。為操作方便及縮短實驗時間，將材料均切割為100 mm×100 mm×60 mm的試件各3塊進行實驗。實驗環(huán)境控制為：空氣溫度20±1 ℃，相對濕度50%±2%。實驗前，將試件烘干、降溫且稱重處理后，采用不透水、不透氣且不吸水的防水膠條對試件的下表面及4邊進行密封，側(cè)面封閉至距離上表面10 mm，下表面留小孔用于排氣，將密封好的試件稱重。自制實驗裝置如圖3所示，采用點支撐方式將上表面浸沒于蒸餾水內(nèi)（水溫20 ℃），由于試件浸水面較為平整，按標(biāo)準(zhǔn)要求，試件浸水深度需保持在5±2 mm，同時，根據(jù)材料吸水快慢，按照一定間隔（如t=0 s、2 s、5 s、10 s、20 s、60 s、30 min、1 h、4 h、24 h）稱取包裹后的試件重量，試件每次取出時保持水平狀態(tài)，并使用柔軟濕布吸附表面明水后迅速稱重，待透水磚吸水進入第2階段，且質(zhì)量變化率不超過0.1%后停止實驗。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對實驗數(shù)據(jù)進行第1、2階段進行擬合，采用t為橫坐標(biāo)，質(zhì)量增長Δm為縱向坐標(biāo)，所擬合第1階段直線斜率即為磚體的吸水系數(shù)A。此外，將第1階段與第2階段擬合曲線交點的縱坐標(biāo)除以試件高度，則可得到毛細飽和含濕量wcap。

1.2.3 滲透實驗 滲透系數(shù)是衡量透水鋪裝材料滲流能力的重要指標(biāo)，該指標(biāo)遵循達西定律，通常采用常水頭進行測試[16]，計算式見式（4）。中國通常以15 ℃水溫為標(biāo)準(zhǔn)溫度，該溫度下的透水系數(shù)見式（5）。

滲透實驗參考《透水磚》（JB/T 945—2005）[9]進行，實驗裝置如圖4所示。將試件切割為200 mm×100 mm×60 mm試件各3塊進行實驗。將干燥的試件用密封膠密封，一共涂刷3次，每次間隔時間為6 h，以保證密封膠徹底晾干，從而使水分全部通過上表面向下層滲透；將密封后的試件與高300 mm、平面尺寸與試件相同的玻璃透水圓筒采用玻璃膠進行粘合，靜止24 h，以確保玻璃膠完全干燥；將密封好的試件放進玻璃容器后放入真空箱內(nèi)，抽真空至90±1 kPa，并保持30 min；在真空狀態(tài)下，將采用新制備的蒸餾水（水溫20 ℃）注入玻璃容器內(nèi)，當(dāng)水面高于透水磚上表面10 cm后停止加水，停止抽真空，浸泡試件20 min后取出，以備實驗使用；把真空處理好的試件放入透水系數(shù)實驗裝置中，將蒸餾水緩緩倒入圓筒中。待溢流槽內(nèi)的溢流量和透水圓筒的溢流量穩(wěn)定后，用鋼直尺測量透水圓筒水位和溢流槽水位之差，并用量筒從出水口處接水，記錄5 min內(nèi)的滲流量。

1.3 誤差分析

為衡量測試結(jié)果誤差，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5725—1：1994[17]中關(guān)于重復(fù)性誤差的定義及參考相關(guān)文獻[18]的計算方法，采用平均相對標(biāo)準(zhǔn)差rs來描述測試結(jié)果的重復(fù)性誤差rsrepeatability及由材料不均一引起的誤差rsmaterial，rsrepeatability計算公式為

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 真空飽和實驗

3種透水材料真空飽和含濕量如圖5所示，其中，ZS最高、PT次之、TC最低，ZS、PT、TC的真空飽和含濕量平均值分別為： 270.63、234.65、202.59 kg/m3，表明在極端情況下，ZS保水性能最優(yōu)，高于PT的1.15倍、TC的1.34倍，這是因為再生骨料表面包裹少許硬化水泥沙漿，而這這些沙漿表面粗糙、內(nèi)部孔隙率大，有很強的保水能力。3組樣本測試的ZS、PT、TC的重復(fù)性及變異性誤差分別是：0.77%和1.40%、1.91%和0.89%、1.08%和6.32%，整體精度較高，其中，TC的變異性誤差較大，這是由于其在燒結(jié)過程中內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)變化不均一導(dǎo)致的。

由真空飽和含濕量及式（3）計算得到的3種透水材料孔隙率如圖6所示，結(jié)果仍為ZS最大、PT次之、TC最小，ZS、PT、TC的孔隙率平均值分別為：27.08%、22.32%、20.27%，ZS、PT、TC的3次測試結(jié)果重復(fù)性及變異性誤差分別位：0.78%和1.33%、1.79%和0.56%、1.08%和6.32%，其中TC的變異性誤差較大，仍為其在燒結(jié)的過程中內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)變化不均一導(dǎo)致的。

利用式（1）計算出的3種透水材料表觀密度如圖7所示，3種材料表觀密度為PT最大、ZS次之、TC最小，PT、ZS、TC的3組樣本結(jié)果平均值分別為：2 061.75、1 937.41、1 866.18 kg/m3，PT、ZS、TC測試結(jié)果的重復(fù)性及變異性誤差分別是： 1.53%和0.41%、0.24%和0.54%、0.19%和0.46%，整體精度高，主要原因為該項指標(biāo)通過水下稱重獲得，此種稱重方式干擾因素較小。

2.2 單面浸泡實驗

3種類型透水材料毛細吸水速率如圖8所示。吸水第1階段過程中，TC吸水速率最快、PT次之、ZS最慢，經(jīng)線性回歸得到3種透水材料的毛細吸水系數(shù)如圖9所示，TC、PT、ZS的3組樣本測試所得吸水系數(shù)平均值A(chǔ)average分別為：2.04、0.07、0.03 kg/m2·s0.5，表明TC吸水速率高于ZS的69倍、高于PT的25.88倍。TC、PT、ZS的3組樣本測試結(jié)果重復(fù)性和變異性誤差分別為： 2.17%和10.30%、6.44%和3.35%、8.81%和7.44%，測試誤差較真空飽和實驗數(shù)據(jù)大，這主要是由材料連通孔隙率的不均一性導(dǎo)致。

吸水第2階段過程中，由于透水材料的孔隙阻力增加及水分重力影響，3種透水材料單位面積含水量均逐步到達穩(wěn)定狀態(tài)，最終三者單位面積含水量為ZS最大、TC次之、PT最差，將第2階段與第1階段擬合曲線聯(lián)合求解得到的3種透水材料毛細飽和含濕量如圖10所示，仍為ZS最高、TC次之、PT最小，ZS、TC、PT的毛細飽和含濕量平均值分別為：190.59、121.07、86.41 kg/m3，其中，TC和PT的該項數(shù)據(jù)與真空飽和含濕量數(shù)據(jù)規(guī)律相反，主要原因是：毛細吸水主要受連通孔隙影響，而真空飽和狀態(tài)下材料的真空飽和含濕量受連通與半連通孔隙等共同影響，由于肉眼觀察下PT的孔隙明顯大于ZS和TC，而三者開放孔隙率均相差不大，導(dǎo)致其毛細儲水能力較差，進而導(dǎo)致了毛細飽和含濕量的差異。

2.3 滲透實驗

3種透水材料滲透系數(shù)測試結(jié)果如圖11所示。其中，TC滲透系數(shù)最大、PT次之、ZS最低，TC、PT、ZS的3組樣本測試結(jié)果平均值分別為0.069、0.020、0.003 cm/s，表明ZS滲透性能最差。TC、PT、ZS的3組樣本測試結(jié)果重復(fù)性誤差和變異性誤差分別為：1.01%和31.02%、3.01%和40.41%、2.44%和41.89%，變異性誤差較大，其中，TC的3個樣本中，最大滲透系數(shù)可以達到0.094 cm/s，最小滲透系數(shù)0.044 cm/s，差異達2.14倍；PT的3個樣本最高值與最低值相差為2.30倍，再生磚為3.21倍，該結(jié)果表明，測試樣本個體差異較大，主要原因為滲透系數(shù)受孔隙迂回度、孔徑尺寸及開放孔隙率等多種因素影響[19]，考慮到透水材料實際制作過程較為粗糙，造成材料孔隙特征參數(shù)離散性較大，影響測試結(jié)果，由吸水系數(shù)測試誤差也可以獲得相似結(jié)論。

2.4 透水磚性能評價

透水鋪裝材料除了應(yīng)具有良好的滲透性能以保證其在自身達飽和后能快速滲透雨水，避免產(chǎn)生徑流。此外，從蒸發(fā)降溫的角度來說，較好的保水性能有效保持無雨條件下的蒸發(fā)降溫效果。但在室外條件下，天然降雨是鋪裝材料水分的主要來源且透水材料不可能在任何時候都處于飽和狀態(tài)，此時，良好的吸水性能保證其在降雨時間段內(nèi)快速儲存更多的雨水。

從單面浸泡測試結(jié)果可以看出，3種透水材料的吸水性能差異較大，且與開放孔隙率及真空飽和含水率等指標(biāo)并不成正相關(guān)，如ZS雖然真空飽和含水率及開放孔隙率較TC大，但其吸水系數(shù)很低，造成了吸水速度較慢，無法在短時間內(nèi)儲存較多雨水，故采用真空飽和含水率及開放孔隙率衡量磚體在實際環(huán)境的保水能力有一定缺陷，應(yīng)在滿足滲透系數(shù)的前提下，結(jié)合吸水系數(shù)指標(biāo)綜合考慮。

3 結(jié)論

1）通過真空飽和實驗測試了透水鋪裝材料的真空飽和含水率、孔隙率及表觀密度，結(jié)果表明，3種透水材料的真空飽和含水率為ZS最高、PT次之、TC最低，ZS、PT、TC的真空飽和含濕量平均值分別為270.63、234.65、202.59 kg/m3；開放孔隙率仍為ZS最高、PT次之、TC最低，ZS、PT、TC的孔隙率平均值分別為27.08%、22.32%、20.27%。上述測試結(jié)果中TC的變異性誤差較大，這是在燒結(jié)過程中內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)變化不均一導(dǎo)致的。

2）通過單面浸泡實驗測試了透水鋪裝材料的吸水系數(shù)和毛細飽和含濕量，結(jié)果表明，3種材料的吸水系數(shù)為TC最優(yōu)、PT次之、ZS最弱，三者吸水系數(shù)平均值分別為2.04、0.07、0.03 kg/m2.s0.5；毛細飽和含濕量為ZS最高、TC最次之、PT最小，三者毛細飽和含濕量平均值為190.59、121.07、86.41 kg/m3，測試結(jié)果受材料不均一影響，變異性誤差較大。