謝西， 姜成， 林晨彤， 趙金輝

(1.南京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院， 江蘇 南京 211816； 2.南京共創(chuàng)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司)

透水混凝土路面(PCP)是低影響開發(fā)(LID)理念下海綿城市建設(shè)的重要技術(shù)措施之一，具有減少地表徑流、緩解城市內(nèi)澇、改善地表生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)城市溫濕度和營造綠色舒適生活環(huán)境等作用。透水混凝土(PC)空隙率通常為15%～35%，眾多貫通性孔隙使其具有良好的滲透性，隨著使用時(shí)間延長，砂粒、泥砂、有機(jī)物碎屑和油污等會(huì)對(duì)PC的孔隙造成堵塞，導(dǎo)致其透水性能逐漸下降甚至演變?yōu)椴煌杆访?，增大了城市?nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。

CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》規(guī)定， PCP的透水系數(shù)應(yīng)大于等于0.5 mm/s。加拿大學(xué)者Drake指出，當(dāng)透水系數(shù)低于50 mm/h，表明PCP已經(jīng)失效；而當(dāng)透水系數(shù)低于250 mm/h，則需要進(jìn)行恢復(fù)維護(hù)。PCP的堵塞是影響其推廣應(yīng)用和使用壽命的關(guān)鍵，目前中國關(guān)于PC堵塞過程及堵塞恢復(fù)的分析研究較少。該文試驗(yàn)研究堵塞物質(zhì)類別和粒徑對(duì)PCP透水性能的影響機(jī)理，比較幾種恢復(fù)方法對(duì)PC透水性能的恢復(fù)效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 透水混凝土試件

試驗(yàn)采用1 000 mm×1 000 mm×100 mm的PC試件。根據(jù)CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，粗集料選用4.75～9.50 mm的單粒徑級(jí)配花崗巖碎石，水泥為P.O.42.5級(jí)硅酸鹽水泥，減水劑為聚羧酸緩凝高性能減水劑。按重量比計(jì)算，水灰比為0.3，集灰比為3.7，減水劑添加量為水泥質(zhì)量的0.3%。采用集料表面包裹法制備PC試件，具體方法為：先將全部細(xì)骨料和70%的水加入強(qiáng)制式攪拌機(jī)中預(yù)先攪拌60 s，然后加入50%的水泥和所有減水劑，繼續(xù)攪拌60 s，最后將剩余的50%水泥和30%的水加入攪拌機(jī)攪拌120 s，拌好后加入定制模具中壓實(shí)，在20 ℃和95%相對(duì)濕度下養(yǎng)護(hù)3 d,然后覆膜養(yǎng)護(hù)至28 d后測試。

1.1.2 堵塞物質(zhì)

① 砂粒。取河道未經(jīng)篩分的天然河砂，經(jīng)不同孔徑的方孔篩篩選，得到粒徑分別為：<0.075、0.075～0.15、 0.15～0.3、0.3～0.6、0.6～1.18、1.18～2.36 mm共6個(gè)等級(jí)的砂粒；② 黏土。取自綠化帶中的黏土；③ 泥砂。配制質(zhì)量配比為天然河砂∶黏土=1∶4的混合物以模擬路面泥砂；④ 油污。配制質(zhì)量比為廢棄機(jī)油∶天然河沙∶黏土=1∶1∶4的混合物以模擬餐館、汽修店等使用環(huán)境中PCP被含油物質(zhì)堵塞的情況。

1.1.3 試驗(yàn)器材

雙環(huán)透水儀(外環(huán)直徑600 mm，內(nèi)環(huán)直徑200 mm)；自動(dòng)水位控制器(Q=0.5 L/s)；方孔篩一組(目數(shù)：8、18、30、60、100、200)；3 kW單相汽油發(fā)電機(jī)；高壓水槍(壓力：0.3 MPa；流量：0.5 L/s)；HC-T2103Y干、濕、吹三用桶式吸塵器(真空度≥30 kPa，最大吹掃氣量：65 L/s)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 不同堵塞物質(zhì)重復(fù)堵塞對(duì)透水率的影響

稱取不同堵塞物20 g加入2 L水中，攪拌均勻后使混合液緩慢滲透通過PC試件，待試件表面干燥后用毛刷將堆積在試件表面的松散堵塞物質(zhì)掃除。將試件放置3 d后用雙環(huán)定水頭法測定各試件的透水系數(shù)。試驗(yàn)重復(fù)10次并測定每次堵塞后的透水系數(shù)以模擬PCP重復(fù)堵塞后其透水性能衰減變化規(guī)律。通常認(rèn)為多孔路面中的滲流可近似通過達(dá)西定律來表示，即：滲透流速與水頭損失成正比且與流經(jīng)距離呈反比。當(dāng)滲透過程看作垂直方向一維滲透時(shí)，滲透速率數(shù)值上等于滲透系數(shù)并可通過單位面積上單位時(shí)間的透水量來計(jì)算，如式(1)、(2)所示：

(1)

(2)

式中：K為滲透系數(shù)(cm/s)；Q為滲流量(cm3)；A為試件斷面面積(cm2)；I為水力坡降；L為水流流經(jīng)試件的長度(cm)；h為水頭差(cm)；t為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間(s)；v為滲透速率(cm/s)。

1.2.2 不同粒徑堵塞物堵塞特征研究

稱取不同粒徑砂粒20 g加入2 L水中，將PC試件置于直徑80 cm的圓形水槽上，將混合物攪拌均勻后緩慢滲透過PC試件，待試塊干燥后用毛刷將堆積在表面的砂粒收集并稱量質(zhì)量。不同粒徑堵塞物的堵塞試驗(yàn)重復(fù)10次后，用雙環(huán)定水頭法測定各試件的透水系數(shù)以反映不同粒徑對(duì)PC透水性能衰減變化規(guī)律的影響。此外，每次試驗(yàn)中同時(shí)稱量水槽中不同粒徑砂粒的質(zhì)量并據(jù)此計(jì)算不同粒徑穿透率。

1.2.3 堵塞的PC恢復(fù)試驗(yàn)研究

將受到不同種類物質(zhì)堵塞的PC試件分別用人工清掃、高壓水沖洗、真空抽吸、強(qiáng)力氣沖、人工清掃后高壓水沖洗和人工清掃后高壓水沖洗再真空抽吸6種方法進(jìn)行恢復(fù)處理。人工清掃法為用毛刷掃除PCP上的泥砂、枯枝落葉等；高壓水沖洗方法采用高壓水槍以0.3 MPa的水壓及0.5 L/s流量沖洗試件表面3 min；真空抽吸采用≥30 kPa 的真空度抽吸5 min；強(qiáng)力氣沖采用(50±6.2) L/s的空氣量通過DN25管口吹掃試件表面5 min。待試件完全干燥后用雙環(huán)定水頭法測定其透水系數(shù)，與堵塞恢復(fù)前的透水系數(shù)比較，通過恢復(fù)前后透水率恢復(fù)百分率反映恢復(fù)效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 堵塞物質(zhì)類別對(duì)透水性能的影響

砂粒、黏土、泥砂及含油污的泥砂4種堵塞物質(zhì)重復(fù)堵塞對(duì)PC透水性能的影響見圖1。

圖1 PC多次堵塞后透水性能變化

從圖1可以看出：隨著堵塞次數(shù)的增加，PC試件透水系數(shù)逐漸降低。被全粒徑級(jí)配的砂粒堵塞的試件在前5次堵塞過程中，透水系數(shù)呈近似線性下降，而后下降幅度逐漸減小并趨于平緩。這是因?yàn)樾翽C試件空隙率高，最初受到砂粒堵塞時(shí)，進(jìn)入孔隙的砂粒量是唯一限制因素，所以透水系數(shù)下降較快；隨著堵塞次數(shù)的增加以及表層孔道內(nèi)顆粒物累積，表層空隙減小，只有小粒徑砂粒可進(jìn)一步進(jìn)入堵塞物之間的孔隙，而這部分穿透表層堵塞層的小粒徑砂粒多數(shù)能進(jìn)一步穿透PC面層，因此，透水系數(shù)下降的幅度會(huì)減小并趨于平緩。被黏土堵塞的試件在整個(gè)堵塞過程中透水系數(shù)下降較為平緩。因黏土粒徑小，在水流運(yùn)動(dòng)過程中，黏土?xí)练e在PC深層或隨水流出，僅有少量會(huì)黏附在孔道內(nèi)壁，所以試件透水系數(shù)下降較緩慢。通過比較可看出，被泥砂堵塞的試件透水系數(shù)降低較快。因泥砂粒徑分布廣，粒徑較大的顆粒大量堵塞在孔隙中形成堵塞層骨架，使黏土更易截留在孔道內(nèi)。含油污的泥砂可塑性和黏性較強(qiáng)，且由于油污的疏水性，這類堵塞物難以隨水流出，大部分堵塞物進(jìn)入透水混凝土較淺的部分，致使PC透水系數(shù)急劇下降甚至變成不透水混凝土，對(duì)透水性影響很大。

2.2 堵塞物質(zhì)粒徑對(duì)透水性能的影響

PC受到不同粒徑的剛性顆粒狀物質(zhì)堵塞時(shí)，堵塞物質(zhì)的穿透率及PC透水系數(shù)的變化見圖2。

由圖2可知：當(dāng)堵塞物質(zhì)為砂粒時(shí)，隨著粒徑增大，砂粒穿透率減小，而PC試件透水系數(shù)則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。小于0.075 mm的砂粒能隨水流穿過PC孔隙，只有少量砂粒堵塞在孔徑極小或孔道方向變化處。0.3～0.6 mm粒徑的砂粒堵塞的PC試件透水系數(shù)只有初始透水系數(shù)的27.1%，穿透率也僅為 23.37%；砂粒粒徑為0～0.6 mm時(shí)，隨著砂粒粒徑增大，試件的透水率線性下降。粒徑大于0.6 mm的砂粒，穿透率較低，大部分聚集在PC表面，Coughlin等認(rèn)為，大粒徑堵塞物無法進(jìn)入PC內(nèi)部，對(duì)透水性能影響較小。0.3～2.36 mm粒徑段砂粒堵塞試件時(shí)，隨著堵塞物粒徑增大，試件透水率變大，受堵塞影響越小。

圖2 不同粒徑堵塞物對(duì)PC透水性能的影響

此外，試驗(yàn)表明：當(dāng)堵塞物質(zhì)是未經(jīng)篩分的0～2.36 mm全粒徑級(jí)配的砂粒時(shí)，堵塞10次后PC透水系數(shù)降至0.98 mm/s。對(duì)于全粒徑砂粒，細(xì)小的顆粒能進(jìn)一步阻塞孔道內(nèi)已堵塞的大顆粒間的空隙，在面層形成一定厚度的密實(shí)堵塞層，使PC透水系數(shù)急劇下降。若不及時(shí)清理，PCP的堵塞速度及程度會(huì)遠(yuǎn)大于被單粒徑級(jí)配的砂粒堵塞的路面，透水性能也會(huì)受到更嚴(yán)重削弱。

2.3 不同恢復(fù)方法的恢復(fù)效果分析

用不同恢復(fù)方法對(duì)受不同類別堵塞物質(zhì)堵塞的PC試件進(jìn)行滲透性恢復(fù)試驗(yàn)，比較不同恢復(fù)方法的恢復(fù)效果，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知：人工清掃對(duì)受到砂礫、黏土和含油污的泥砂堵塞的PC試件恢復(fù)效果較差，但對(duì)受泥砂堵塞的試件有一定的恢復(fù)效果，受泥砂堵塞的試件經(jīng)人工清掃后其透水率可恢復(fù)到初始透水率的29.26%。這是因?yàn)镻C試件被堵塞時(shí)間較短，堵塞物質(zhì)單一且性質(zhì)簡單，所以清掃有一定作用。高壓水沖洗、人工清掃后高壓水沖洗及人工清掃后高壓水沖洗再真空抽吸3種方法恢復(fù)被砂粒、黏土和泥砂堵塞的試件效果較好，其中人工清掃后高壓水沖洗再真空抽吸效果最優(yōu)，能使受砂粒、黏土和泥砂堵塞的試件透水率分別恢復(fù)至試件初始透水率的54.95%、39.16%及54.80%，Golroo等通過研究也首推高壓水沖洗再真空抽吸的方法來恢復(fù)PCP的滲透性。這是因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)砂粒和泥砂與孔隙壁黏附不牢固且大部分堵塞物處于PC表層較淺處，高壓水沖洗易將雜質(zhì)沖洗出來，從而提高其透水性能。對(duì)受黏土和含油污的泥砂堵塞的PC試件，幾種恢復(fù)方法效果均較差。就受黏土堵塞的PC試件而言，一方面由于黏土粒徑極小，在堵塞過程中沉積在PC孔隙較深處，上述恢復(fù)方法難以觸及孔隙深處的堵塞物質(zhì)；另一方面PC內(nèi)部孔隙的孔徑和方向不規(guī)則，孔壁摩擦阻力大，恢復(fù)處理難以將深處的堵塞物質(zhì)清理出來。含油污的泥砂具有黏性和疏水性等特殊性質(zhì)，其進(jìn)入孔隙后在擠壓作用下形成緊密黏結(jié)的整體，牢固地黏在孔隙內(nèi)壁并在其表面形成油膜，高壓水沖洗時(shí)水流難以將堵塞物質(zhì)沖散，因此恢復(fù)效果不明顯。

表1 不同恢復(fù)方法被堵塞透水混凝土的平均透水系數(shù)

3 結(jié)論

(1) 受全粒徑級(jí)配砂粒堵塞的PC隨著堵塞次數(shù)增加其透水系數(shù)呈現(xiàn)出先快速降低后趨于平緩的規(guī)律，受黏土堵塞的PC在堵塞過程中透水系數(shù)降低速率較均勻，受泥砂及含油污的泥砂堵塞的PC由于堵塞物質(zhì)的黏性使得其透水性能衰退較快。長期受到各類物質(zhì)堵塞的PCP透水性能會(huì)受到很大影響，必須定期清理才能使其保持一定的透水性能。

(2) 不同粒徑的剛性顆粒堵塞物質(zhì)對(duì)PC透水性能影響不同。隨著粒徑的增大，砂粒穿過PC試件的穿透率逐漸減小，PC透水系數(shù)先減小后增大；0.3～0.6 mm單粒徑級(jí)配的砂粒對(duì)PC透水性能影響最大，0～2.36 mm全粒徑級(jí)配的砂粒會(huì)在PC表面形成密實(shí)堵塞層，對(duì)PC造成的堵塞更嚴(yán)重。

(3) 單獨(dú)使用人工清掃、真空抽吸及強(qiáng)力氣沖對(duì)PCP透水性能的恢復(fù)效果有限，其中人工清掃有時(shí)還會(huì)帶來負(fù)面影響；高壓水沖洗、人工清掃后高壓水沖洗及人工清掃后高壓水沖洗再真空抽吸3種方法恢復(fù)效果較好。不同恢復(fù)方法的恢復(fù)效果與PCP的使用年限、交通量、使用環(huán)境以及堵塞物質(zhì)類別密切相關(guān)，堵塞越嚴(yán)重，恢復(fù)難度越大，恢復(fù)效果也越不理想。因此，PCP在日常使用過程中應(yīng)定期維護(hù)保養(yǎng)使其保持良好的透水性能。