余靜茹，倪彤元,2，楊 楊,2，徐良英，何 鋒

（1.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；3.杭州城東新城建設(shè)投資有限公司，浙江 杭州 310016；4.浙江城建工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310005）

透水性鋪裝層研究進(jìn)展

余靜茹1，倪彤元1,2，楊 楊1,2，徐良英3，何 鋒4

（1.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；3.杭州城東新城建設(shè)投資有限公司，浙江 杭州 310016；4.浙江城建工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310005）

分別從透水性鋪裝材料、配合比設(shè)計(jì)、強(qiáng)度和透水性能、鋪裝結(jié)構(gòu)型式、生態(tài)環(huán)境效益等方面系統(tǒng)地分析總結(jié)了當(dāng)前的研究成果，評(píng)述了海綿城市視角下透水性鋪裝的研究進(jìn)展。著重闡述了三種常見透水鋪裝及其配合比設(shè)計(jì)方法、控制因素；深入分析了透水性鋪裝材料強(qiáng)度和滲透性的影響因素及參數(shù)表征；并進(jìn)一步分析了透水鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與控制因素以及吸聲降噪、緩解熱島效應(yīng)與控制污染等環(huán)境效應(yīng)；認(rèn)為透水鋪裝層系統(tǒng)性設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)防堵塞、環(huán)境效應(yīng)機(jī)理等方面有待進(jìn)一步研究。

透水性鋪裝；透水系數(shù)；生態(tài)效應(yīng)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)發(fā)展，非滲透性路面比例不斷增加，加之排水系統(tǒng)排水能力的不足，城市內(nèi)澇成為許多城市汛期的大問題。海綿城市是新一代城市雨洪管理概念，是指城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)雨水帶來(lái)的自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，其功能能夠像海綿一樣吸水、蓄水、滲水、凈水。海綿城市的理念、設(shè)計(jì)方法與工程應(yīng)用是解決城市內(nèi)澇問題的有效手段之一。

滲透性是海綿城市理念中的核心功能，而透水性鋪裝恰是實(shí)現(xiàn)滲透性的重要方法。通過(guò)對(duì)比海綿城市模式與傳統(tǒng)模式雨水徑流去向（見圖1），透水性鋪裝不僅能夠降低城市非透水路面面積，而且可以調(diào)控雨水徑流，儲(chǔ)存、滲透和凈化雨水，使之成為認(rèn)可度較高的環(huán)境友好開發(fā)技術(shù)。與非透水路面相比，透水路面具有良好的透水、透氣性能，能使雨水迅速滲入地下，有效補(bǔ)充地下水，減輕排水系統(tǒng)的壓力[1-2]。

圖1 海綿城市與傳統(tǒng)模式徑流去向?qū)Ρ?/p>

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)透水性鋪裝材料配合比設(shè)計(jì)、力學(xué)和透水性能、鋪裝結(jié)構(gòu)型式、生態(tài)環(huán)境效益等方面進(jìn)行了深入的研究，取得了許多研究成果。本文從材料和結(jié)構(gòu)、功能特性等方面評(píng)述國(guó)內(nèi)外透水性鋪裝的研究進(jìn)展，旨在為提高透水材料強(qiáng)度、增強(qiáng)透水能力、解決孔隙堵塞以及實(shí)現(xiàn)良好環(huán)境生態(tài)效益提供借鑒。

1 透水鋪裝材料

1.1 常見鋪裝層類型

透水混鋪裝路面根據(jù)材料不同可劃分為透水路面磚、透水混凝土、透水瀝青三種。

1.1.1 透水路面磚

透水磚一般需配合柔性基層使用，一般用于人行道、休閑廣場(chǎng)、居住小區(qū)及其他公共室外活動(dòng)場(chǎng)所的鋪裝結(jié)構(gòu)[5]。透水路面磚從材質(zhì)和工藝上可以分為陶瓷透水磚和非陶瓷透水磚。陶瓷透水磚是燒結(jié)而成的，具有良好的耐風(fēng)化耐腐蝕性，通過(guò)工藝改進(jìn)，陶瓷透水磚的透水系數(shù)可達(dá)1.5 cm/s。而非陶瓷透水磚是黏結(jié)劑固化而成，砂基透水磚是目前市面上透水性能最佳的免燒非陶瓷透水磚之一，它是以硅砂為主要骨料，以有機(jī)黏結(jié)劑如聚氨酯等[3]黏結(jié)而成，表面致密，不易被灰塵堵塞，透水時(shí)效長(zhǎng)，防凍融[4]。

1.1.2 透水混凝土

透水混凝土是由粗骨料、水泥、水、摻合料和外加劑按比例配制而成的具有貫穿孔隙的多孔混凝土[6]。透水混凝土一般不含細(xì)骨料，也稱為無(wú)砂混凝土[7]，只由粗骨料表面包裹一薄層水泥漿相互黏結(jié)成均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)[8]。透水混凝土具有自重輕、整體性好、透氣透水性好、顏色多樣等優(yōu)點(diǎn)，但混凝土中膠凝材料用量少，強(qiáng)度較低，這一點(diǎn)也限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。同時(shí)透水混凝土路面的孔隙易堵塞，需要進(jìn)行定期清理維護(hù)。

1.1.3 透水瀝青路面

透水瀝青路面以其消除城市道路積水、減緩城市熱島效應(yīng)、降低城市噪聲、良好的防滑性等方面的獨(dú)特作用，已經(jīng)在我國(guó)許多城市的城市道路中廣泛應(yīng)用。透水瀝青路面是由單一粒徑碎石按照嵌擠機(jī)理形成骨架空隙結(jié)構(gòu)的開級(jí)配瀝青混合料碾壓成型[9-10]。一般瀝青混凝土的孔隙率在2%～10%，而透水瀝青混凝土的孔隙率需要達(dá)到20%[9]。透水瀝青路面對(duì)瀝青膠結(jié)料的要求很高，需具備很高黏度才能有效黏結(jié)礦料、保證強(qiáng)度[11]。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

透水性鋪裝其獨(dú)特的使用功能決定了強(qiáng)度與透水性這兩個(gè)指標(biāo)是其配合比設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。透水混凝土應(yīng)具有一定的連通孔隙，并具有足夠的強(qiáng)度才能滿足其使用功能要求。孔隙率控制、水膠比、骨料粒徑組成對(duì)上述兩個(gè)指標(biāo)有重要影響，在配合比設(shè)計(jì)中需要對(duì)影響這兩個(gè)性能的因素進(jìn)行控制[12]。

1.2.1 因素控制

（1）孔隙率的控制可以通過(guò)調(diào)整水泥漿的流動(dòng)度、成型方式以及摻砂率。P.Chindaprasirt、S.Hatanaka等發(fā)現(xiàn)采用流動(dòng)性為150～230 mm的水泥漿以及90 kN·m/m2的振動(dòng)能對(duì)試件上表面振動(dòng)10 s，可以制備出孔隙率為15%～25%的透水混凝土。制備低孔隙率透水混凝土?xí)r，因水泥漿用量較多，為防堵塞，應(yīng)采用低流動(dòng)度的水泥漿；制備高孔隙率透水混凝土?xí)r，水泥漿用量較少可采用較高流動(dòng)度的水泥漿[13]。水泥用量的增加容易造成孔隙堵塞，而通過(guò)控制體積砂率可有效控制孔隙率。

（2）水膠比可以由水泥漿流動(dòng)度和骨料表面漿體包裹情況而定。水膠比過(guò)大，水泥漿易離析堵塞孔隙；水膠比過(guò)小，骨料表面漿體包裹不勻，混凝土強(qiáng)度達(dá)不到要求。

（3）強(qiáng)度與孔隙率在許多情況下是矛盾的，即孔隙率大，強(qiáng)度就低。骨料的粒徑和級(jí)配也是影響透水混凝土性能的一個(gè)重要因素。不同粒徑的骨料比表面積不同，粒徑越小，比表面積越大，所需的水泥用量也需相應(yīng)增加。徐仁崇等發(fā)現(xiàn)粒徑較小的粗骨料配制的透水混凝土強(qiáng)度較高，但透水系數(shù)相應(yīng)降低[12]。

1.2.2 設(shè)計(jì)方法

綜合考慮這些影響因素，透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法可分為三種：質(zhì)量法、比表面積法、體積法。

（1）質(zhì)量法是利用經(jīng)驗(yàn)得到圖表，再根據(jù)相關(guān)圖表計(jì)算原材料的用量，配合比設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，適合現(xiàn)場(chǎng)拌合施工。

（2）比表面積法是通過(guò)計(jì)算骨料的表面積并控制一定的裹漿厚度，可以得出填漿量，進(jìn)而根據(jù)不同的水灰比可以確定出各材料的用量。比表面積和裹漿厚度是比表面積法的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。其中，比表面積可以根據(jù)骨料平均的表面積與骨料數(shù)量的乘積來(lái)計(jì)算[14]；而裹漿厚度是基于結(jié)構(gòu)特征與設(shè)計(jì)要求來(lái)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)[15]，比表面積法的缺點(diǎn)是不能設(shè)定目標(biāo)孔隙率，且裹漿厚度需多次試驗(yàn)才能確定。透水瀝青混凝土的配合比設(shè)計(jì)常用這種方法。

（3）體積法是通過(guò)骨料空隙填充理論來(lái)進(jìn)行配合比計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定強(qiáng)度。體積法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)先確定骨料緊密堆積的空隙率，水泥、水、外加劑等充分包裹骨料并填充骨料的孔隙，未被填充的孔隙構(gòu)成了目標(biāo)孔隙，通過(guò)調(diào)整骨料的級(jí)配可以調(diào)整目標(biāo)孔隙率，進(jìn)而確定各材料用量，用公式（1）可以表示為

式中：mG、ρS分別為碎石質(zhì)量和表觀密度；mW、ρW分別為水質(zhì)量和密度；mJ、ρJ分別為凝膠材料質(zhì)量和密度[16]。

考慮透水鋪裝影響因素和設(shè)計(jì)方法，實(shí)際工程應(yīng)用常多種方法結(jié)合，綜合設(shè)計(jì)。

1.3 透水性鋪裝材料的性能

1.3.1 強(qiáng)度性能

透水混凝土強(qiáng)度的影響因素主要有骨料粒徑、水灰比、外加劑及攪拌工藝等，不少研究人員從優(yōu)化原材料、調(diào)整配比、摻入礦物細(xì)摻料、添加有機(jī)增強(qiáng)劑等幾個(gè)方面來(lái)研究透水性混凝土強(qiáng)度提高方法。

1.3.1.1 優(yōu)化原材料

原材料的優(yōu)化主要包括骨料種類和尺寸的優(yōu)化、膠結(jié)材的優(yōu)化等。P.Chindaprasirt等[17]研究了骨料尺寸對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)多孔混凝土的強(qiáng)度受骨料粒徑的影響，粒徑越小，透水混凝土的強(qiáng)度越高；付培江[18]發(fā)現(xiàn)在配合比不變的情況下，相比粒徑為10 mm的骨料，粒徑為5 mm的骨料將透水混凝土的強(qiáng)度提高了30%。

1.3.1.2 調(diào)整配比

配比調(diào)整主要包括水灰比、骨膠比、砂率等的調(diào)整。許多學(xué)者對(duì)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水灰比范圍為0.29～0.33,骨膠比范圍為4∶1～5∶1，砂率范圍為6%～10%，人工砂最大摻量不大于10%，可以使強(qiáng)度達(dá)到 22～39 MPa[19]。

1.3.1.3 摻入礦物細(xì)摻料

礦物細(xì)摻料可以改善膠凝材料的顆粒堆積，促進(jìn)水泥水化，降低CH的定向富集，改善混凝土-水泥基界面的強(qiáng)度[20]，進(jìn)而提高透水混凝土整體強(qiáng)度。采用微硅灰配合高效減水劑能使透水混凝土強(qiáng)度提高60%，使強(qiáng)度達(dá)到35 MPa以上，滿足人行道、輕車路面使用要求[21]。微硅灰提高的是混凝土的早期強(qiáng)度，而超細(xì)粉煤灰摻入透水混凝土中，混凝土早期強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度有所提高。這是由于在水泥水化初期，粉煤灰是水化生成物的成長(zhǎng)場(chǎng)所，與水直接接觸比較少，抑制了它的溶解，隨著齡期的發(fā)展，介質(zhì)中的Ca（OH）2濃度逐漸加大，與粉煤灰顆粒發(fā)生水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠，從而提高透水混凝土的強(qiáng)度[22]。白曉輝、劉肖凡等人[23]發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗劈裂強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增后減，其中在粉煤灰取代水泥摻量為20%時(shí)強(qiáng)度最高。

1.3.1.4 添加有機(jī)增強(qiáng)劑

為了進(jìn)一步提高透水混凝土的強(qiáng)度，許多學(xué)者研究了增強(qiáng)劑對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響。楊靜、蔣國(guó)梁[21]發(fā)現(xiàn)使用乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、聚乙烯醇縮甲醛這兩種有機(jī)增強(qiáng)劑均能使抗壓強(qiáng)度達(dá)到40 MPa以上。杭美艷、李震等[24]研究了增強(qiáng)料中的減水組分、早強(qiáng)組分以及增黏組分對(duì)透水混凝土性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)采用0.3%的聚羧酸減水劑、1%的早強(qiáng)劑和0.1%的增黏劑，28 d抗壓強(qiáng)度提高了53.6%，抗折強(qiáng)度提高了104%。從微觀角度來(lái)看，摻入增強(qiáng)料的界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)部的C-S-H凝膠的毛刺以及小的針狀鈣礬石均勻地覆蓋在骨料表面，使水泥漿體與骨料連成一個(gè)整體；晶體接觸面積增大，晶體間的機(jī)械嚙合力也會(huì)增大，從而顯著提高了漿體骨料之間的黏結(jié)強(qiáng)度。

1.3.2 透水性能

1.3.2.1 影響因素

影響透水性能的因素主要有骨料級(jí)配和種類、配合比、成型工藝等。單一級(jí)配骨料粒徑的變化對(duì)透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)變化影響較小[25]，但多級(jí)配骨料會(huì)使孔隙率和透水系數(shù)降低[26]。骨料的粗糙度也對(duì)透水性能有一定的影響，在相同骨料粒徑的情況下,由碎石骨料配置的透水混凝土總孔隙率和透水系數(shù)明顯大于卵石骨料配置的透水混凝土[27]。配合比對(duì)透水性能的影響已在配合比設(shè)計(jì)中闡明。不同的成型壓力對(duì)透水性能也有較大的影響，邱樹恒等對(duì)粒徑為2.36～4.75 mm的碎石分別采用1.5 MPa、2.5 MPa、3.5 MPa的成型壓力，雖然抗壓強(qiáng)度提高了5 MPa左右，但透水系數(shù)也從5.42 mm/s下降到0.25 mm/s[28]。由此可見，成型工藝對(duì)透水性能的影響十分顯著，在透水混凝土鋪攤時(shí)需確定合適的成型壓力。

1.3.2.2 表征參數(shù)

表征透水面層透水性能的參數(shù)主要有透水系數(shù)、孔隙率、透水時(shí)效性等。

首先，透水系數(shù)是表征透水性混凝土的透水性和使用效果的重要技術(shù)參數(shù)。許多學(xué)者開展了對(duì)透水系數(shù)測(cè)定方法的研究[29]，主要有現(xiàn)場(chǎng)滲透儀實(shí)驗(yàn)法、單環(huán)滲透實(shí)驗(yàn)法以及雙環(huán)滲透儀實(shí)驗(yàn)法，具體裝置如圖2～圖4所示。滲透裝置的水頭設(shè)計(jì)分為常水頭和變水頭兩種，分別以達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律作為透水系數(shù)KT的計(jì)算基準(zhǔn)[30]。常水頭透水系數(shù)按公式（2）來(lái)計(jì)算，KT表示水位差H在單位時(shí)間t內(nèi)滲出厚度L試件的水量。變水頭按公式（3）來(lái)計(jì)算，V表示供水體積。為了使測(cè)得的透水系數(shù)能反映工程實(shí)際，倪彤元等[31]設(shè)計(jì)了考慮地表徑流的透水系數(shù)的測(cè)定方法，如圖5所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)滲透儀實(shí)驗(yàn)法[29]

其次，貫通性孔隙分布和等效孔徑大小也是表征透水性能的關(guān)鍵參數(shù)?？紫堵拾偪紫堵屎陀行Э紫堵剩偪紫堵适腔炷羶?nèi)所有的孔隙所占的比例，而有效孔隙率只是貫通性孔隙所占的比例[32]。在透水混凝土中存在最佳的等效孔徑大小，許燕蓮、李榮煒等[33]發(fā)現(xiàn)等效孔徑集中在13～16 mm的多孔混凝土透水系數(shù)增幅最大[34]。而有效孔隙率、孔的尺寸分布以及彎曲度等孔隙特性可以采用X射線斷層攝影術(shù)以及重量幾何法來(lái)進(jìn)行測(cè)定。

圖3 單環(huán)滲透實(shí)驗(yàn)法[29]

同時(shí)，透水時(shí)效性是表征透水性能持久性的又一重要參數(shù)。眾所周知，透水性鋪裝在減少雨水徑流量和改善水質(zhì)方面是非常有效的，但它們?nèi)菀锥氯鸞35]。透水鋪裝路面在使用過(guò)程中，徑流水中夾帶的泥沙等會(huì)通過(guò)透水混凝土的孔隙滯留在孔道內(nèi)，因而容易造成鋪裝層內(nèi)部貫穿性孔隙的堵塞，導(dǎo)致滲透性能降低，縮短路面使用壽命。研究透水時(shí)效性就必須對(duì)堵塞機(jī)理進(jìn)行研究。許多研究人員通過(guò)建模和模擬試驗(yàn)對(duì)堵塞情況進(jìn)行了研究，N.R.Siriwardene等[36]提出了一種簡(jiǎn)單回歸模型，對(duì)儲(chǔ)水沉積物的堵塞進(jìn)行了預(yù)測(cè)。O.Deo、M.Sumanasooriya等[37]利用降水頭滲透儀（見圖6）研究了不同骨料級(jí)配透水混凝土的堵塞特性，揭示了孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)顆粒截留的影響，由此我們可以分析透水鋪裝路面堵塞的內(nèi)在原因。張娜等[38]利用一種與電導(dǎo)率測(cè)試相結(jié)合的實(shí)時(shí)滲透性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)透水混凝土的堵塞機(jī)理做了更深入的研究，電導(dǎo)率的變化能夠準(zhǔn)確反映透水混凝土的堵塞過(guò)程。目前，在實(shí)際中可采用CT掃描技術(shù)對(duì)整體透水路面堵塞情況進(jìn)行無(wú)損評(píng)估，通過(guò)空隙率曲線來(lái)評(píng)估透水混凝土的堵塞程度[39]。通過(guò)堵塞機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)影響透水時(shí)效性的因素主要是透水混凝土孔隙率、堵塞泥砂級(jí)配、雨洪徑流等。目前提高透水時(shí)效性的方法還主要停留在后期維護(hù)清理，而通過(guò)面層材料改進(jìn)來(lái)防堵塞的研究相對(duì)較少。

圖4 雙環(huán)滲透實(shí)驗(yàn)法[29]

圖5 考慮地表徑流的滲透實(shí)驗(yàn)儀[31]

圖6 降水頭滲透儀[37]（單位：mm）

這些透水性能影響因素之間存在著相關(guān)性。有效孔隙率與透水系數(shù)呈正相關(guān)[40]，而侯彥明等[41]研究總結(jié)出透水系數(shù)與有效孔隙率、孔徑大小存在線性關(guān)系：

式中：y為透水系數(shù)；φ為有效孔隙率；D為孔徑大小。

目前為止，國(guó)內(nèi)外研究成果還沒有建立透水混凝土配合比強(qiáng)度與水膠比和孔隙率雙參數(shù)關(guān)系式。

2 透水性鋪裝結(jié)構(gòu)

2.1 影響因素

混凝土路面的設(shè)計(jì)必須考慮許多因素。三個(gè)主要因素是預(yù)期的降雨量、路面特征和土壤的基本性質(zhì)。設(shè)計(jì)透水混凝土系統(tǒng)透水性的控制因素是地表徑流強(qiáng)度，而影響地表徑流的一大重要因素就是降雨量，通過(guò)暴雨強(qiáng)度公式預(yù)測(cè)暴雨強(qiáng)度可以作為設(shè)計(jì)透水瀝青鋪裝層滲透性大小的依據(jù)[42]，滲透性關(guān)系設(shè)計(jì)條件為徑流的總量小于總降雨量，部分降雨在地面的凹地中，部分滲透到土壤中。在暴雨徑流下滲至底基層時(shí)，沙質(zhì)、干燥的土壤會(huì)迅速吸收水分，而密實(shí)黏土幾乎不吸收水分，所以在透水鋪裝中設(shè)計(jì)人工補(bǔ)給地下水系統(tǒng)時(shí)，必須確定土壤的入滲速率，確定地表和含水層之間的不飽和區(qū)，以此來(lái)選擇適當(dāng)?shù)臐B透率[35]。

2.2 結(jié)構(gòu)類型

典型的透水路面結(jié)構(gòu)型式，主要有半透式和全透式[43]，如圖7所示。

圖7 透水路面典型結(jié)構(gòu)

（1）半透式又稱為排水性道路，主要通過(guò)面層或面層基層透水，適用于下層土壤含水率高、雨水不易下滲的地方。半透式結(jié)構(gòu)通常在底層會(huì)有一層隔水層，雨水通過(guò)面層后不直接下滲到土壤中，而是從中間層中排出，為了減小排水系統(tǒng)的壓力，可以利用城市凹地作為泄洪儲(chǔ)水空間、建立雨水收集儲(chǔ)存體系[44]，排水管溝的透水設(shè)計(jì)思路也是解決滲流水的方法之一。日本在20世紀(jì)80年代提出“滲透型雨水管道”[45]，將傳統(tǒng)的非透水性排水管道改造成打孔的透水管道，這樣雨水通過(guò)管道同樣可以回到土壤中。

（2）全透式的面層、基層、墊層均能透水，適用于含水率低的土壤上。相同的透水面層下，不同的基層鋪裝結(jié)構(gòu)，雨水入滲的效果差別很大。對(duì)于全透式結(jié)構(gòu)路面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還需要綜合考慮基層整體和下層土壤的透水能力。朱春陽(yáng)、李芳等[46]發(fā)現(xiàn)基層結(jié)構(gòu)自上而下分別為1∶4干硬性水泥砂漿2 cm、級(jí)配碎石23 cm時(shí)，鋪裝結(jié)構(gòu)雨水入滲效果最好；而侯立柱、馮紹元等[47]研究發(fā)現(xiàn)墊層結(jié)構(gòu)自上而下為中砂10 cm、砂礫料20 cm時(shí)無(wú)地面產(chǎn)流，雨水入滲效果好。

由此看來(lái)，透水鋪裝結(jié)構(gòu)的選型要區(qū)別于路面的設(shè)計(jì)，它不僅需要考慮材料本身性能的影響，更重要的是需要與實(shí)際的鋪裝環(huán)境相結(jié)合。

3 透水性鋪裝的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

3.1 吸聲降噪

透水鋪裝材料具有大量相互貫通的微孔或間隙，吸聲的機(jī)理是聲波入射到路面表面時(shí)，一部分在材料表面反射，另一部分通過(guò)材料內(nèi)部向下傳播，在傳播過(guò)程中聲波在孔壁上不斷反射耗散，由此具有吸聲降噪的作用[48]。

劉鵬輝、楊宜謙等[49]建立了多孔吸聲材料吸聲系數(shù)公式，其中公式中包括三個(gè)變量：孔隙率、孔徑大小、材料厚度。李滿良、陳姣等[50]測(cè)試了不同孔隙率的透水路面的吸聲系數(shù)，發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土吸聲系數(shù)峰值與均值整體上隨空隙率的增大而提高，這是由于孔隙率的增加會(huì)使聲能以高頻率衰減[51]。S.B.Park、D.S.Seo 等[52]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)吸聲特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)為目標(biāo)孔隙率和再回收混凝土骨料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙率為25%、再回收骨料量為50%時(shí)，噪聲系數(shù)是最優(yōu)的。H.K.Kim、H.K.Lee[53]提出了一種考慮了骨料的粒度、形狀和孔隙率的多孔混凝土吸聲模型，采用多層微孔剛性板模型對(duì)多孔混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，對(duì)多孔混凝土吸聲性能的參數(shù)進(jìn)行了研究。

由此可見，透水路面的吸聲降噪效果與其自身的孔隙分布、骨料粒徑形狀以及噪聲的不同頻率分布密切相關(guān)。透水路面孔隙率越大，吸聲系數(shù)越大，聲能衰減越快；相同連通孔隙率的情況下，骨料粒徑越小吸聲效果越優(yōu)[50]。所以我們可以通過(guò)調(diào)整孔隙率、級(jí)配以及路面厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)吸聲系數(shù)。倪彤元[54]等人研究了不同孔隙率與不同頻譜噪聲的吸聲效果，得到不同孔隙率試件的低頻段聲波吸收能力相差不大。隨著孔隙率的增大，吸聲系數(shù)也增大；在孔隙率相同的情況下，隨著多孔混凝土鋪裝層厚度的增加，中低頻段的吸聲系數(shù)有增大的趨勢(shì)，而在高頻段的吸聲系數(shù)則有減小的趨勢(shì)。

3.2 緩解熱島效應(yīng)

熱島效應(yīng)與不透水表面覆蓋之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，透水性鋪裝結(jié)構(gòu)對(duì)于減緩熱島效應(yīng)具有重要的意義[55-57]。H-S Park等[58]對(duì)日本、韓國(guó)城區(qū)下墊面不透水面積比例X與城市熱島強(qiáng)度Y的關(guān)系進(jìn)行了研究，總結(jié)出以下線性公式：

由這兩個(gè)公式可以看出，熱島強(qiáng)度與不透水面積比例呈線性正相關(guān)，不透水面積越大，熱島強(qiáng)度越高。可見，增加透水路面可以緩解熱島效應(yīng)。透水路面能緩解熱島效應(yīng)的實(shí)質(zhì)原因是其內(nèi)部大量貫通孔隙的存在，使得透水混凝土路面可供雨水下滲，部分水分儲(chǔ)存在其孔隙中，水分蒸發(fā)可以吸收部分熱量。楊文娟、顧海榮等[59]研究對(duì)比透水混凝土與水泥混凝土路面在相同自然環(huán)境條件下的溫濕度變化，發(fā)現(xiàn)80%以上的透水混凝土路面溫度低于水泥混凝土，濕度高于水泥混凝土。對(duì)于水泥混凝土道路而言，地表雨水很快蒸發(fā)，無(wú)法與道路下墊層進(jìn)行熱量和水分的交換，因此很難起到調(diào)節(jié)溫度、濕度的作用。王從鋒、劉德富等[60]對(duì)城市下墊層進(jìn)行了一維溫度場(chǎng)模擬以及各下墊層溫度場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)高透水混凝土不同深度之間的溫度分布曲線存在一定的相位差，也就是各墊層達(dá)到溫度峰值的時(shí)間存在相位差。路面溫度隨著反射率的增大而降低，研究發(fā)現(xiàn)反射率增加0.1，溫度降低5℃左右；深色路面較淺色路面的反射率小得多[61]，所以在透水路面設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇反射率高、顏色淺的材料。一般常用鋪裝材料的地表溫度影響由大到小的次序?yàn)闉r青＞混凝土地磚＞水泥＞植草格[62]，可見植草格調(diào)節(jié)溫濕作用最為顯著。

3.3 控制污染

道路徑流能夠傳遞由不同的污染源和路面本身產(chǎn)生的許多有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物，這種污染物進(jìn)入水系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致水和土壤污染[63]。含結(jié)合料的透水路面結(jié)構(gòu)層具有較好的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以使懸浮固體滯留在孔隙中，具有良好的SS去除效果；COD的去除效果取決于混合料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的吸附和截留作用，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于有機(jī)污染物的附著[43]。S-B Park、M.Tia 等[64]通過(guò)室內(nèi)水質(zhì)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)骨料粒徑在5～10 mm的多孔混凝土對(duì)于T-N（總氮量）和T-P（總磷量）的去除值分別是粒徑10～20 mm的多孔混凝土去除值的1.7倍和2.8倍以上，這實(shí)質(zhì)上就是由于骨料粒徑越小，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，污染物的吸附截留效果越好。而相同骨料情況下，總孔隙率越大，污染物去除效果越好[65]。C.F.Yong等[66]對(duì)透水瀝青、透水混凝土以及組合式透水磚的污染物去除效率進(jìn)行了研究。

4 結(jié)語(yǔ)

透水鋪裝的研究已經(jīng)取得了不少研究成果，隨著科研人員研究的深入，仍然存在一些問題需進(jìn)一步探索，主要有：

（1）關(guān)于透水鋪裝面層配合比設(shè)計(jì)的方法雖已有一些研究成果，但仍缺乏系統(tǒng)性，路面成型的好壞仍受較多因素的影響。由此，尋找一種最優(yōu)配合比方法是進(jìn)一步提高其透水路面性能的迫切需求。

（2）透水鋪裝路面配合比設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮強(qiáng)度和孔隙率，而強(qiáng)度與孔隙率呈負(fù)相關(guān)，目前為止尚未建立透水鋪裝路面強(qiáng)度與水膠比和孔隙率雙參數(shù)關(guān)系式。

（3）透水鋪裝整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮許多環(huán)境因素，國(guó)內(nèi)外對(duì)于透水鋪裝整體的研究需要進(jìn)一步深入。

（4）堵塞問題是透水鋪裝材料急需解決的一個(gè)大問題，眾多研究對(duì)堵塞機(jī)理以及后期維護(hù)手段做了研究，但要從根本上解決這個(gè)問題需要從材料本身出發(fā)，防堵透水材料將是未來(lái)的研究方向之一。

（5）目前對(duì)透水鋪裝的生態(tài)效益的機(jī)理性研究還有待進(jìn)一步深入。

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浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳建設(shè)科研項(xiàng)目（2015K99）

余靜茹（1992-），女，浙江建德人，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)橥杆佈b材料。