路面透水磚的研究應用現(xiàn)狀與展望

馬 高, 曹瓊方, 劉 歡, 黃 靚

(1.湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙 410082；2.工程結(jié)構損傷診斷湖南省重點實驗室(湖南大學),湖南 長沙 410082)

傳統(tǒng)城市的路面大多采用不透水路面，當雨水降落時，主要通過泵站、管渠等“灰色”設施來進行排水，這種人工行為的集中排水機制很容易引起城市的內(nèi)澇現(xiàn)象。與不透水路面比較而言，透水路面是一種較為分散的排水機制，從雨水產(chǎn)生徑流的源頭著手，逐步降低雨水徑流對路面造成的環(huán)境影響。我國住建部頒布出臺的《海綿城市建設技術指南》[1]指出，建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市能有效提高城市排水系統(tǒng)標準，緩解城市內(nèi)澇壓力，透水磚鋪裝系統(tǒng)不僅能解決城市地表硬化，還能維護城市的生態(tài)平衡。透水磚作為一種綠色環(huán)保的新型建材產(chǎn)品，不僅具有良好的透水性和保濕性，而且可以調(diào)節(jié)城市小氣候、緩解城市熱島效應。同時透水磚將工業(yè)廢料、沙漠沙土等進行二次利用，變廢為寶，對創(chuàng)建資源節(jié)約型建筑產(chǎn)業(yè)具有重要的意義。本文對透水磚的國內(nèi)外研究應用現(xiàn)狀、分類、制作方法與性能以及透水磚鋪裝設計等進行了闡述，探討了我國當前階段在應用和研究方面存在的不足，并對其未來的發(fā)展提出相應的建議和展望。

1 國內(nèi)外發(fā)展狀況

20世紀80年代，日本“雨水滲透”計劃采用具有透水性能的混凝土、瀝青和磚體鋪設路面，至1996年初，東京的透水路面鋪設面積達495 000 m2，雨水流出率由原來的51.8%降至5.4%。美國對低影響開發(fā)的研究與應用也較早，無砂混凝土曾憑借其良好的滲透和儲水能力成為佛羅里達州、新墨西哥州和猶他州停車場的地面鋪設材料，以迅速緩解暴雨造成的路面徑流過大問題[2]。美國環(huán)保局(USEPA)從經(jīng)濟角度出發(fā)，對透水路面和傳統(tǒng)路面進行對比研究，結(jié)果表明：雖然低影響開發(fā)系統(tǒng)的安裝成本略高，但大大降低了后期雨水存儲的資金耗費，經(jīng)濟效益更為顯著，如傳統(tǒng)停車場路面單位安裝成本為0.23美元，雨水存儲成本2.43美元/L；而鋪設多孔停車場路面雖單位安裝成本為0.25美元，但雨水存儲成本僅為0.16美元/L[3]。ALAM[4]等對多孔混凝土路面(PCP)、 聯(lián)鎖混凝土路面(PICP)和礫石聯(lián)鎖塊路面(IBPG)這3種可滲透路面(見圖1)進行了研究，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)路面相比，透水路面的峰值流量和徑流量的衰減均達到30%以上，原因是墊層和土壤中增多的集料孔隙增加了入滲；可滲透路面的類型和底層介質(zhì)對徑流的減少和滲透有顯著影響；IBPG存儲雨水能力最佳，而PCP緩解地表徑流效果最優(yōu)，高出傳統(tǒng)路面98%。德國《混凝土路面磚》標準中明確規(guī)定，路面磚的孔隙率須達到10%以上，確保地表水的下滲。同時還可鋪設有孔的聯(lián)鎖透水混凝土磚，將土填充在磚孔中，孔洞中生出的雜草能實現(xiàn)綠化功能[5]。

(a) 多孔混凝土路面(PCP)

國內(nèi)對透水路面的研究起步較晚，20世紀90年代才發(fā)明了一種通過磚體上的孔洞實現(xiàn)滲水的路面磚。隨著我國基礎建設的快速發(fā)展，不透水硬化路面的弊端逐漸顯露，道路鋪設材料的選擇開始得到重視。2002年，咸陽陶瓷研究設計院研發(fā)出抗折、抗壓強度滿足國家人行道路磚標準的環(huán)保陶瓷磚，其孔隙率達40%～50%[6]。隨后，國家發(fā)改委在2005年發(fā)布了由咸陽陶瓷研究設計院和西安墻體材料研究設計院共同負責起草的透水磚行業(yè)標準《透水磚(JC/T 945-2005)》[7]，該標準有效推動了透水磚行業(yè)的發(fā)展。目前，國內(nèi)學者對透水磚已經(jīng)開展了較多研究，其方向主要集中在廢料的利用、配合比設計、磚體性能和鋪裝結(jié)構等方面。

2 透水磚的特點和分類

透水磚作為一種高效透水路面材料，具有如下優(yōu)點：①綠色低碳、環(huán)保利廢。透水磚大部分采用建筑廢料、陶瓷廢棄物、沙漠沙土等作為原料，可減輕工業(yè)廢料對生態(tài)環(huán)境的污染并能有利于沙漠治理。②孔隙率高，透水性好。透水磚可使雨水迅速流入地下，對地下水和土壤水進行及時補充，保持土壤的濕度。③透氣性好，多孔結(jié)構。良好的透氣性能可使地面植物和土壤微生物的生存條件得到改善。透水磚的多孔結(jié)構可以對地表局部空間的溫度和濕度進行調(diào)節(jié)，使城市熱島效應得到緩解。并且多孔結(jié)構具備一定的吸音功能，可以減輕路面噪音污染。④緩降內(nèi)澇，蓄水節(jié)水。以“慢排緩釋”和“源頭分散”為主要規(guī)劃設計理念，透水磚鋪裝系統(tǒng)通過構建“降雨-徑流-下滲-回用”的良性循環(huán)，既能有效防止內(nèi)澇，又能起到蓄水作用。⑤安全出行。透水磚表面呈現(xiàn)微小的凹凸狀，避免路面出現(xiàn)反光，且其表面摩擦系數(shù)較大，利于安全出行。

透水磚按照組成和制備工藝可分為2類[8-9]：一類是以陶瓷、固體工業(yè)廢料、建筑垃圾等為原料，經(jīng)過粉碎、成型、高溫、燒制而成的透水磚，稱為陶瓷透水磚；另一類以無機非金屬材料為主要原料，利用黏結(jié)劑成形、固化而成，無須燒結(jié)，稱為非陶瓷透水磚。

2.1 陶瓷透水磚

a.廢陶瓷為主要原料。

將陶瓷廢棄物，如燒結(jié)廢料、廢匣缽、廢窯具等，經(jīng)過重新粉碎并篩分、選取合理的顆粒級配、添加適當結(jié)合劑，經(jīng)成型、烘干、高溫燒結(jié)制成透水磚。殷海榮[10]等利用廢玻璃、陶瓷廢料和黏土為主要原料，制得尺寸為120 mm×80 mm×10 mm的高溫燒結(jié)透水磚。試驗結(jié)果表明最佳配比為陶瓷廢料、廢玻璃、黏土分別占70%、15%和15%，此時透水系數(shù)達到1.0 mm/s，抗壓強度為12.1 MPa。隨著燒結(jié)溫度的升高，體積密度增大，磚吸水率會下降，可通過加入滑石、氧化鋅改善透水磚的燒結(jié)性能。

b.工業(yè)固廢為主要原料。

工業(yè)固廢堆積不僅占用土地，其淋污后還會造成嚴峻的土壤和水源污染問題。工業(yè)固廢的加工再利用已成為研究熱點。丁海萍[11]利用質(zhì)量比為12∶3∶5的褐煤粉煤灰、煤矸石和爐渣，在1 080 ℃高溫下制成透水磚，透水系數(shù)為1.12 mm/s，抗壓強度為31.2 MPa。饒玲麗[12]等利用粉煤灰制備透水磚，試件尺寸為100 mm×100 mm×40 mm，試驗表明成型壓力對透水磚的力學性能和透水性能有重要影響。

c.建筑垃圾為主要原料。

建筑物和構筑物的新建、拆除、修繕等過程都會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，常見的類型有渣土、混凝土塊、砂漿、磚石等。據(jù)統(tǒng)計，建筑垃圾在城市總垃圾中的占比高達1/3～2/5，其運輸和堆放消耗了大量資源，由此產(chǎn)生的粉塵污染和土壤污染也不容忽視。陳金桂[13]在研制透水磚時，將建筑垃圾紅磚和鋼渣總含量控制在60%以上，分別使用水玻璃、糊精作低溫黏結(jié)劑，經(jīng)1 000 ℃高溫燒結(jié)后磚體抗壓強度達到32.3 MPa，透水系數(shù)為0.39mm/s，具有優(yōu)異的耐磨性能，且該透水磚在承受25次凍融循環(huán)后仍能保持抗壓強度不低于27.9 MPa。

2.2 非陶瓷透水磚

a.砂基透水磚。

砂基透水磚是以硅砂或風積砂為主要骨料，利用有機黏結(jié)劑粘結(jié)，經(jīng)免燒結(jié)工藝制成。沙粒堆積形成的孔隙是實現(xiàn)透水功能的基礎，也為透水磚兼顧透水性和強度的設計提供了依據(jù)。此外，以沙漠中的沙土為主要原料，可減少河砂開采，保護生態(tài)環(huán)境。在砂基透水磚的粘結(jié)方面，已有研究以環(huán)氧樹脂、水泥基為黏結(jié)劑，或以水玻璃為黏結(jié)劑、氯化鋁為固化劑。徐向舟[14]等以P.O 52.5號水泥作為黏結(jié)劑，研制出一種在磚體上預制透水孔的砂基透水磚，如圖2所示。在保證磚體強度、透水性、保水性和環(huán)保性的前提下，該透水磚造價為60～100元/m2，遠低于同類砂基透水磚造價的220元/m2。

圖2 多孔混凝土砂基透水磚構造圖(單位：mm)

b.混凝土透水磚。

混凝土透水磚與普通混凝土的區(qū)別在于：它采用特殊級配集料，將其用水泥漿體包裹，通過膠結(jié)劑和特定工藝制成，內(nèi)含大量的連通孔隙。楊靜[15]為提高透水混凝土磚體的承載力，對骨料粒徑、礦物摻合料和有機增強的影響進行了研究，試驗表明：同時摻入6%的硅灰和高效減水劑，混凝土強度可以提高60%以上，磚體抗壓強度超過了35.5 MPa，透水系數(shù)為2.9 mm/s?；炷镣杆u和砂基透水磚均屬于免燒結(jié)類，生產(chǎn)能耗低，經(jīng)濟效益好，適合于在經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)進行推廣，是透水磚材料發(fā)展的重要方向。

綜上所述，國內(nèi)學者對5類透水磚已開展了相應的研究和應用實踐，不同類型透水磚在原材料、制備方式、抗壓強度、透水性能等方面存在各自的優(yōu)缺點，針對不同的應用場合和環(huán)境條件，如何選用最優(yōu)化的使用方案將會成為未來透水磚研究的重點和難點。

3 透水磚應用存在的問題

3.1 透水鋪裝設計

傳統(tǒng)硬化路面只考慮路基的穩(wěn)固性，而透水鋪裝設計時應考慮路面結(jié)構設計和地下水文條件等多個方面，SWAN[16]等結(jié)合結(jié)構設計和水文設計方法的發(fā)展，提出透水磚在設計過程中需要考慮路面荷載、地基承載力和水文環(huán)境條件等因素，以適應不同的環(huán)境需求。李俊奇[17]等以透水磚鋪裝為例，探討了承載能力、滲透能力以及滯蓄能力在設計中的關鍵問題和設計參數(shù)。《透水磚路面技術規(guī)程(CJJ/T 188-2012)》[18]明確規(guī)定透水磚路面結(jié)構應包括面層、找平層、基層和墊層等(見圖3)，并對每一鋪裝層提出了相應的設計要求。透水磚路面可應用于人行道、小區(qū)、公園道路等，不同場合對承載能力、滲透能力和滯蓄能力的要求各不同。因此，透水磚路面的結(jié)構層設計需根據(jù)應用的環(huán)境確定[19]，表1總結(jié)了3種透水磚路面的結(jié)構層構造方案，其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型路面分別適用于小區(qū)道路、市政人行道路和小區(qū)步行道。目前國內(nèi)研究側(cè)重于透水磚產(chǎn)品的設計、制備與性能分析，而對基層和墊層等下承層缺乏深入探究，從鋪裝面層到土基的各個結(jié)構層都需達到其功能要求，才能形成良好的滲、滯、蓄、排等通道，構建“降雨-徑流-下滲-回用”的良性循環(huán)。因此，后期需要側(cè)重透水磚路面下承層材料設計與施工工藝的研究。

圖3 透水磚鋪筑構造

表1 透水磚路面結(jié)構構造方案[19]Table 1 Schemes of pervious brick pavement structure[19]結(jié)構層Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型面層透水磚透水磚透水磚找平層干硬性水泥砂漿或中粗砂干硬性水泥砂漿或中粗砂干硬性水泥砂漿或中粗砂基層透水水泥混凝土級配碎石中粗砂或級配砂礫底基層級配碎石——土基壓實土基壓實土基壓實土基

3.2 透水磚路面的堵塞和維護

透水磚作為一種路面材料，長期的荷載和摩擦會對磚體表面產(chǎn)生一定損傷，而且雨水徑流中會夾雜泥沙、污質(zhì)等沉積物，極易堵塞孔隙，降低滲透效率。已有研究表明透水路面孔隙的堵塞不僅影響其滲透性能，而且會顯著縮短其使用壽命，當路面使用時間達到10 a時，其滲透率僅為最初滲透率的1/4至1/10，這一定程度上加大了“海綿城市”推廣應用的難度[20-22]。

目前國內(nèi)外學者從時間歷程、堵塞位置和堵塞顆粒物粒徑等方面對透水鋪裝系統(tǒng)的堵塞規(guī)律展開了研究[23-27]。BOOGAARD[25]等對荷蘭和澳大利亞的55處使用時間1～12 a的透水路面進行測試，結(jié)果表明路面滲透率與其使用年限存在衰減關系。LUCKE[26]等發(fā)現(xiàn)對于聯(lián)鎖混凝土磚透水路面，超過90%的顆粒沉積物都堵塞在面層和墊層骨料孔隙之間。劉嘉豪[27]等通過對透水系數(shù)歷時曲線進行分析，指出透水磚堵塞過程可分為顆粒截留的迅速堵塞、水流沖刷的小幅恢復和顆粒逐漸粘結(jié)的慢速堵塞3個階段。堵塞速度與透水磚孔隙率、進水水位等因素有關，經(jīng)過長時間的堵塞，滲透系數(shù)最終達到穩(wěn)定。通過對透水磚堵塞規(guī)律進行研究，可以提高對透水磚維護需求和維護方法的認識。

定期清理和維護是保證透水鋪裝系統(tǒng)實現(xiàn)自然滲透和雨水循環(huán)功能的必要環(huán)節(jié)，也是延長其使用壽命的重要措施。目前常用的清理方式有清掃、高壓水沖洗和真空抽吸等。機械清掃和人工清掃均只能清除道路表面的可見污染物，防止其經(jīng)過碾壓深入下層孔隙。透水磚堵塞可分為表面堵塞和內(nèi)部堵塞，用配置的懸濁液模擬雨水徑流可使磚體滲透率下降幅度達到96%，采用虹吸法和反向注水法處理堵塞，發(fā)現(xiàn)高壓水洗僅能清除磚體表面沉積物，磚體滲透性恢復不明顯[28]。李美玉[29]等基于北京近30 a的實際降雨量和顆粒污染濃度，模擬透水鋪裝的堵塞程度，結(jié)果表明真空抽吸塵的效果優(yōu)于高壓沖洗，并提出更新找平層會取得更好的恢復效果。由圖4可見，3種清理方式下(不清理、真空抽吸塵和壓力水沖洗)舊磚的滲透率分別為新磚的14%、53.7%、20.6%。已有研究表明，無論采用何種清理維護方式都不能完全恢復路面的透水性能，并且已有研究主要涉及不同清理方式對透水磚滲透性能恢復的影響，并未針對不同環(huán)境條件提出合理的維護周期、水壓負壓范圍以及透水磚路面的使用年限等?？紫抖氯?guī)律、堵塞預防和維護研究將成為透水磚鋪裝系統(tǒng)的重點研究方向。

圖4 不同清理方式下舊磚的滲透速率比較

近年來，利用太陽光產(chǎn)生催化還原作用，分解磚體表面和孔隙污物的自清潔透水磚成為新興研究熱點。南京優(yōu)凝舒布洛克公司利用納米二氧化鈦與爐渣水泥按比例混合壓制成了自潔式透水磚，在此基礎上，荊揚揚[30]提出以固體廢棄物為主要原料，采用負壓法將納米二氧化鈦前驅(qū)體負載至透水磚孔隙中，制備光催化性能較好的自清潔透水磚。

4 結(jié)論與展望

透水磚鋪裝作為一種緩解城市內(nèi)澇壓力，維持開發(fā)區(qū)域水系統(tǒng)平衡的低沖擊開發(fā)系統(tǒng)，具備良好的生態(tài)效益和廣闊的發(fā)展前景，是建設海綿城市的重要手段。綠色環(huán)保、性價比高的砂基透水磚和混凝土透水磚將會擁有更加廣闊的市場前景。今后在進行研發(fā)和工程應用時，應考慮整個透水鋪裝系統(tǒng)的路面結(jié)構設計、排水蓄水設計和施工工藝等，加強透水磚堵塞規(guī)律、長期服役與維護、新材料等方面的研究，讓透水磚在實際工程中得到更好的應用。