再生骨料透水混凝土鋪裝入滲和凈化能力試驗研究

郜會彩，周如杰，胡云進，楊申東，包家豪

（1.紹興文理學院土木工程學院，浙江紹興 312000；2.浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江紹興 312000；3.浙江省山體地質災害防治協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江紹興 312000）

0 引言

近年來暴雨頻發(fā)，加之城市化進程不斷加快，導致不透水路面面積日益增加。雨水不能及時通過道路下滲，造成嚴重的城市內澇和面源污染，帶來了巨大的環(huán)境污染和經(jīng)濟損失［1］。為了城市可持續(xù)健康發(fā)展，人們開發(fā)了許多海綿城市建設新技術，最為廣泛應用的是多種低影響開發(fā)（LID）措施。其中透水鋪裝措施可有效削減徑流［2］、提高入滲量［3］，對二者的主要影響因素是鋪裝內部孔隙率和徑流污染物濃度［4］；同時透水鋪裝措施也能有效凈化徑流污染物［5，6］。經(jīng)研究表明，透水混凝土路面比透水瀝青路面對污染物的凈化效果好［7］、鋪裝結構層使用水泥穩(wěn)定碎石比普通穩(wěn)定碎石對污染的物凈化效果好［8］。另外溫度變化［9］和使用年限［10］也會影響透水鋪裝系統(tǒng)的入滲和污染物去除能力。

與此同時，在城市化進程中，建筑拆建工程不斷增加，產(chǎn)生了大量建筑垃圾，其中建筑磚垃圾和建筑混凝土垃圾的數(shù)量之多尤為突出。為響應“無廢城市”建設的號召，可將建筑垃圾再生成為骨料，應用至道路鋪裝等方面。雖然再生骨料內部孔隙率較高［11］，但力學性能并不會顯著降低［12］，且滲水、蓄水能力均明顯提高［13，14］，滿足做透水路面的基本要求［15］；同時建筑垃圾中攜帶的某些介質具有吸附作用［16］，比如砂漿和球狀菌等［17］。將其應用到透水鋪裝中，對污染物的去除效果顯著強于普通透水鋪裝［18］。

綜上所述，透水鋪裝系統(tǒng)可以有效削減徑流產(chǎn)生量并去除徑流中攜帶的污染物，建筑垃圾回收利用優(yōu)勢明顯。但將建筑垃圾再生并合理應用到透水鋪裝中，綜合研究其對徑流雨水的入滲和凈化能力還較缺乏［19］。為此，本文擬開展透水混凝土鋪裝系統(tǒng)（Permeable Concrete Pavement System，PCPS）在不同降雨重現(xiàn)期和污染物濃度下的降雨入滲和凈化能力試驗研究，通過改良PCPS 面層和結構層，利用建筑磚垃圾和建筑混凝土垃圾制備再生磚骨料透水混凝土鋪裝系統(tǒng)（PCPS1）和再生混凝土骨料透水混凝土鋪裝系統(tǒng)（PCPS2），并將普通透水混凝土鋪裝系統(tǒng)（PCPS0）設置為對照組，研究3 種不同PCPS 的徑流入滲能力和對典型污染物的凈化能力。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

透水混凝土鋪裝模型裝置采用直徑400 mm，高度500 mm的PVC 圓筒（內壁面粗糙化處理），外部設置直徑25 mm 的取樣口和溢流口，鋪裝模型配備人工降雨裝置，如圖1所示。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Layout plan of test equipment

1.2 試驗材料及水質

1.2.1 試驗材料

試驗設置了3 種PCPS，分別為PCPS0、PCPS1 和PCPS2，各PCPS 的結構見表1。PCPS 面層由PO42.5 級普通硅酸鹽水泥、粒徑5 mm 骨料、聚羧酸減水劑等澆筑而成，其中水灰比為0.3、集灰比為3.7。

表1 PCPS的結構組成Tab.1 Composition and material setting of PCPS

1.2.2 徑流雨水水質

由于路面的使用功能和鋪設要求不同，導致路面的徑流污染物濃度差別甚大［20，21］。為了試驗的可靠性，本文采集路面原水水樣進行檢測，采樣點設置于紹興某道路的雨水口。在降雨開始產(chǎn)生徑流后的5、10、15、20 min 分別采集地表徑流水樣，在規(guī)定保存時間內，按照國家環(huán)境監(jiān)測標準方法進行水質指標的測定，并結合國內近年道路徑流水質［20］，確定各典型污染物濃度，并使用化學藥劑配置徑流雨水。紹興道路徑流和國內道路徑流污染物濃度及配置化學藥劑見表2。

表2 徑流雨水污染物濃度情況Tab.2 Concentration of pollutants in runoff and rainwater

1.3 試驗方法及分析方法

1.3.1 試驗方法

根據(jù)紹興市暴雨公式（1），計算降雨重現(xiàn)期5、10、50、100 a的降雨強度，結果分別為0.835、0.96、2.172、2.460 mm/min。

式中：i為降雨強度，mm/min；P為降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

根據(jù)紹興道路徑流污染物濃度檢測值范圍并結合國內近年道路徑流污染物濃度范圍，將污染物濃度設置為5種，如表3所示，每種濃度配置10 L雨水。

表3 污染物濃度設置 mg/LTab.3 Pollutant concentration setting

利用人工降雨裝置，分別進行不同降雨重現(xiàn)期和污染物濃度的試驗，如表4 所示。試驗降雨歷時60 min，每隔5 min 記錄一組數(shù)據(jù)。

表4 兩種試驗類型Tab.4 Two test types

1.3.2 分析方法

雨水入滲能力用雨水徑流系數(shù)來反映，污染物凈化試驗水樣需要在24 h內檢測，具體檢測方法如表5所示，污染物凈化率按文獻［22］中公式計算。

表5 污染物分析方法Tab.5 Pollutant analysis method

2 結果與分析

2.1 不同降雨重現(xiàn)期對PCPS入滲及凈化能力的影響

2.1.1 降雨重現(xiàn)期與徑流系數(shù)的關系

圖2 為不同降雨重現(xiàn)期下不同PCPS 的徑流系數(shù)。由圖可知，當降雨重現(xiàn)期P=5 a時，3 種PCPS 均未出現(xiàn)地表徑流，這是由于雨水的入滲速率大于降雨強度，故可完全下滲雨水；當降雨重現(xiàn)期P=10 a時，PCPS0在45 min時產(chǎn)生地表徑流，PCPS1在50 min 時產(chǎn)生地表徑流；當降雨重現(xiàn)期P=50 a時，3 種PCPS 均出現(xiàn)了地表徑流，PCPS0 最早產(chǎn)流，PCPS2 最晚產(chǎn)流，說明隨著降雨強度的增大，雨水下滲速率不足，導致3 種PCPS 均出現(xiàn)地表徑流；當降雨重現(xiàn)期P=100 a時，3種PCPS的產(chǎn)流順序與降雨重現(xiàn)期P=50 a時相同，且產(chǎn)流時間均提前。在相同降雨重現(xiàn)期下，PCPS2的徑流系數(shù)相對較低，說明其入滲能力最強。

圖2 不同降雨重現(xiàn)期下PCPS徑流系數(shù)Fig.2 Runoff coefficient of PCPS under different rainfall return periods

綜上所述，3 種PCPS 的徑流系數(shù)均隨降雨重現(xiàn)期的增大而增大，產(chǎn)流時間隨降雨重現(xiàn)期增大而縮短。在相同降雨重現(xiàn)期下，由于PCPS1 和PCPS2 的孔隙連通性較好，雨水能夠快速入滲，場次降雨徑流系數(shù)均低于PCPS0，能有效控制地表徑流的發(fā)生，故建筑磚垃圾和建筑混凝土垃圾以再生骨料的形式應用到透水鋪裝中可有效削減徑流，延遲產(chǎn)流時間。

2.1.2 降雨重現(xiàn)期與污染物凈化的關系

圖3 為不同降雨重現(xiàn)期下不同PCPS 對徑流污染物SS 的凈化效能。其中圖3（a）～3（c）為各PCPS對污染物SS的凈化率，可明顯看出隨降雨時間的增加，SS的凈化率呈先迅速增長后趨于平緩的趨勢，由圖3（d）可知PCPS1和PCPS2對徑流污染物SS的場次降雨凈化率要明顯高于PCPS0，幅度在5%左右。這是由于徑流污染物SS 的凈化機理為過濾、沉淀、吸附、截留，而再生骨料比普通骨料的孔隙率高，吸附、截留能力較強，因此再生骨料對SS的凈化率優(yōu)于普通骨料。隨著降雨重現(xiàn)期的增大，徑流污染物SS的凈化率均呈下降趨勢，下降幅度在3%左右。

圖3 不同降雨重現(xiàn)期下PCPS對徑流污染物SS的凈化效能Fig.3 Purification efficiency of PCPS for runoff pollutant SS under different rainfall reappearing periods

圖4 為不同降雨重現(xiàn)期下不同PCPS 對徑流污染物COD 的凈化效能。其中圖4（a）～4（c）為各PCPS 對污染物COD 的凈化率，可明顯看出隨降雨時間的增加，COD 的凈化率呈增長趨勢，由圖4（d）可知在相同降雨重現(xiàn)期下，PCPS1 和PCPS2 對徑流污染物COD 的凈化率要略高于PCPS0，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，各PCPS 對徑流污染物COD 的凈化率整體呈下降趨勢。這是由于徑流污染物COD 的凈化機理為吸附、過濾等非生物作用過程以及生物氧化等生物作用過程，而建筑磚垃圾和混凝土垃圾攜帶一定量的有機物，加之其孔隙率要高于普通骨料，因此再生骨料PCPS對COD的凈化率要高于普通骨料PCPS。

圖4 不同降雨重現(xiàn)期下PCPS對徑流污染物COD的凈化效能Fig.4 Purification efficiency of PCPS for runoff pollutant COD under different rainfall reappearing periods

圖5為不同降雨重現(xiàn)期下不同PCPS對徑流污染物TN 的凈化效能。其中圖5（a）～5（c）為各PCPS 對污染物TN 的凈化率，可明顯看出隨降雨時間的增加，TN 的凈化率呈增長趨勢，由圖5（d）可知3種PCPS對徑流污染物TN的場次降雨凈化率范圍分別為26.84%～31.93%、28.99%～34.11%、28.01%～32.96%。由于徑流污染物TN 的凈化主要是截留、吸附、離子交換和微生物分解，并且磚和混凝土在使用過程中內部產(chǎn)生微量微生物，制備成骨料時部分微生物存留了下來，因此在相同降雨重現(xiàn)期下，PCPS1 和PCPS2 的凈化率高于PCPS0，幅度為2%左右，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，雨水沖刷發(fā)生解吸附，部分微生物隨雨水沖刷而流失，導致徑流污染物TN的凈化率降低。

圖5 不同降雨重現(xiàn)期下PCPS對徑流污染物TN的凈化效能Fig.5 Purification efficiency of PCPS for runoff pollutant TN under different rainfall reappearing periods

圖6 為不同降雨重現(xiàn)期下不同PCPS 對徑流污染物TP 的凈化效能。其中圖6（a）～6（c）為各PCPS 對污染物TP 的凈化率，可看出隨降雨時間的增加，TP的凈化率呈平緩增長趨勢。由圖6（d）可知在相同降雨重現(xiàn)期下，PCPS1 和PCPS2 對徑流污染物TP 的凈化率要高于PCPS0，這是由于再生磚骨料和再生混凝土骨料上殘留了部分水泥，與污染物TP 發(fā)生化學反應，將其轉化為不可溶性P 被過濾、吸附、截留凈化，進而提高了PCPS1 和PCPS2對TP的凈化能力。隨著降雨重現(xiàn)期的增大，場次降雨徑流污染物TP 的凈化率呈現(xiàn)出減小趨勢，但3 種PCPS 對徑流污染物TP的凈化效果均較好，凈化率在70%左右。

2.2 不同污染物濃度對PCPS底部排水量和污染物凈化的影響

2.2.1 污染物濃度對PCPS底部排水量的影響

圖7 為不同PCPS 的底部排水量與污染物濃度的關系。由圖7 可知，在相同污染物濃度下，PCPS2 的峰值出水量最大，PCPS1的峰值出水量最小，說明再生混凝土塊的滲水能力最好；隨徑流污染物濃度的增加，3 種PCPS 排水開始時間延遲，排水量降低，這是由于雨水的入滲是受控于重力和基質吸力，在徑流污染物濃度較低時，各PCPS 內部顆粒間隙均未堵塞，孔隙率未被改變，但在高污染物濃度下，PCPS內部顆粒間隙出現(xiàn)堵塞，導致孔隙率下降，PCPS的入滲率降低。磚和混凝土經(jīng)過之前的使用內部出現(xiàn)大量裂紋，制備成骨料后增大了PCPS 的孔隙率，故隨污染物濃度的增加，對PCPS1 和PCPS2 的排水量影響較小。部分峰值排水量處于波動狀態(tài)，這是由于滲漏通道被堵塞，導致部分水體被蓄留在內部，隨著被蓄留的水越來越多，堵塞體承受的水壓力越來越大，將堵塞體沖開，之前被堵塞的水也隨之流出，因此會出現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象。

圖7 不同PCPS排水情況Fig.7 Drainage of different PCPS

綜上所述，隨徑流污染物濃度的增加，會降低PCPS 的入滲能力，但建筑垃圾所制備的再生骨料比天然骨料的孔隙率大，在較高徑流污染物濃度下，內部顆粒物堵塞較輕，對入滲能力影響較小，故不同污染物濃度下排水量波動較小。

2.2.2 污染物濃度對不同PCPS污染物凈化的影響

通過計算可得不同污染物濃度下各PCPS 對典型污染物的凈化率和平均凈化率，如表6 所示。隨著徑流污染物濃度的增加，各PCPS 對徑流污染物凈化率均呈下降趨勢，但下降趨勢較小，這是由于常見的徑流污染物濃度，各PCPS 的凈化能力均在范圍之內，故隨污染物濃度的升高呈現(xiàn)輕微下降趨勢。其中對徑流污染物SS 平均凈化率均達到93%以上，對污染物TP 平均凈化率均達到70%以上，可以較好地凈化污染物SS 和TP，但對污染物COD 和TN 的凈化效果不理想?？傮w而言，隨徑流污染物濃度的增加，PCPS1和PCPS2的凈化率下降幅度比PCPS0小，相同徑流污染物濃度下，PCPS1 和PCPS2 對徑流污染物的凈化效果優(yōu)于PCPS0。

表6 不同濃度徑流污染物凈化率 %Tab.6 Purification rate of runoff pollutants with different concentrations

3 結論

（1）隨著降雨重現(xiàn)期的增大，3 種PCPS 的徑流系數(shù)均上升，典型污染物的凈化率均下降。在相同降雨重現(xiàn)期下，PCPS1 對典型污染物SS、COD、TN的凈化效果最好，PCPS2的入滲能力和對典型污染物TP的凈化能力表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

（2）隨著徑流污染物濃度的增加，3 種PCPS 的入滲能力和對典型污染物凈化能力均不同程度下降。在較高徑流污染物濃度時，介質內部堵塞是影響PCPS 入滲率的主要因素，故再生骨料入滲能力和凈化能力隨徑流污染物濃度的增加影響較小。

（3）建筑垃圾所制成的再生骨料因孔隙率高、自身帶有吸附介質等特點，使再生骨料透水混凝土在入滲和污染物凈化方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。因此再生骨料透水混凝土鋪裝具有良好的應用前景，為今后建筑垃圾再利用提供了一種有效的途徑。