王元元， 劉燕燕， 何順順， 劉天誠(chéng)， 許家碩， 梁浚楓

(1.湖北文理學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院, 湖北 襄陽(yáng) 441053； 2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院；3.重慶外國(guó)語(yǔ)學(xué)校)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來越多的城市地表被水泥混凝土、人行道磚、瀝青混凝土等不透水材料覆蓋，致使地下水資源不能得到及時(shí)有效補(bǔ)充，進(jìn)而引發(fā)地表沉降、熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇等問題。為了解決上述困擾，海綿城市建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生，倡導(dǎo)城市建設(shè)應(yīng)注重生態(tài)環(huán)保、綠色、可持續(xù)發(fā)展等理念，及時(shí)還原地下水資源，并在需要時(shí)加以釋放。其中，透水路面鋪裝因具有吸聲降噪、緩解地表徑流、保護(hù)地下水資源、緩解城市熱島效應(yīng)等功能，已成為海綿城市建設(shè)中關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

該文所研究的大孔隙聚氨酯碎石(PPM)鋪裝的孔隙率可達(dá)30%以上，透水性和吸水性能良好，具有高透水、環(huán)保、降噪、防雪抗凍、舒適美觀等特性。Chen等通過抗堵塞試驗(yàn)研究了PPM的耐久性，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)大空隙瀝青磨耗層(OGFC)的質(zhì)量堵塞率為25%，而PPM的堵塞率僅為5%，具有優(yōu)異的抗堵塞特性；文獻(xiàn)[6、7]分別研究了PPM的力學(xué)性能和抗冰除冰效果，結(jié)果表明：PPM的力學(xué)性能可以在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)變化，介于瀝青混合料和水泥混凝土之間。此外，PPM結(jié)冰試件的抗拉拔力和抗剪切力只有瀝青混合料的50%和55%，破冰斷裂功也只有瀝青混合料的50%，表明PPM具有良好的抗冰除冰效果；邵洪濤等對(duì)PPM的施工操作性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)對(duì)PPM透水路面的鋪裝，每人每天可完成200 m2以上的鋪裝任務(wù)，且鋪裝完成后24 h即可開放交通，表明PPM透水路面具有高效易用的特點(diǎn)。

盡管已有諸多將PPM用在透水人行道鋪裝中的實(shí)例，但這些研究并沒有系統(tǒng)地考慮PPM透水人行道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且多數(shù)研究主要偏重于聚氨酯混合料和瀝青混合料之間的性能對(duì)比，卻忽略了PPM鋪裝同透水磚鋪裝間的性能差異。因此，該文分別從人行道結(jié)構(gòu)組成、力學(xué)性能和抗堵塞效果3個(gè)方面，對(duì)比分析PPM透水人行道鋪裝和透水磚人行道鋪裝間的異同，為更好地指導(dǎo)基于聚氨酯膠結(jié)料的透水人行道的設(shè)計(jì)、施工和應(yīng)用等提供基礎(chǔ)支撐。

1 透水人行道鋪裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

行人荷載是人行道設(shè)計(jì)荷載的主要組成部分，而對(duì)于行人這種輕交通荷載的路面結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析并不是十分必要，因此絕大多數(shù)的人行道鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是以經(jīng)驗(yàn)法為主。透水人行道鋪裝通常由路基、墊層(或路基增強(qiáng)層)、透水基層(也稱透水結(jié)構(gòu)層)和透水面層等幾部分組成，各結(jié)構(gòu)層具體情況見表1。當(dāng)考慮人行道停車需要時(shí)，僅需要在原有鋪裝結(jié)構(gòu)上增加一層路基增強(qiáng)層即可。

表1 透水人行道鋪裝各結(jié)構(gòu)組成情況

如表1所示，根據(jù)透水面層類型的不同，透水人行道鋪裝可以分為膠結(jié)混合料鋪裝和透水磚鋪裝，其中膠結(jié)混合料鋪裝根據(jù)其膠結(jié)料的不同又可分為瀝青類透水鋪裝和聚氨酯類透水鋪裝?？紤]到瀝青的強(qiáng)黏附性極易導(dǎo)致大孔隙瀝青混合料鋪裝的堵塞，因此該文中所研究的膠結(jié)混合料鋪裝主要是指聚氨酯混合料透水人行道鋪裝。無(wú)論是聚氨酯混合料鋪裝還是透水磚鋪裝，其鋪筑結(jié)構(gòu)層以及除透水面層外各層所用的材料都大致相同，但效果卻大不相同。對(duì)于聚氨酯混合料透水人行道的鋪裝，僅需要常溫拌和，整體攤鋪、抹平即可，機(jī)械化程度高，具有良好的整體性和突出的環(huán)保效益；而透水磚透水人行道的鋪裝則是由鋪筑工人逐塊砌筑，機(jī)械化程度低、耗時(shí)耗力且整體性差。特別是鋪筑工藝控制不好時(shí)，極易出現(xiàn)面磚松動(dòng)、破裂、雨天唧水等困擾。因此，聚氨酯混合料透水人行道鋪裝的整體性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鋪筑效率高等優(yōu)點(diǎn)是透水磚鋪裝無(wú)法比擬的。

根據(jù)排水方式的不同，聚氨酯透水人行道的結(jié)構(gòu)又可分為無(wú)組織排水路面結(jié)構(gòu)和有組織排水路面結(jié)構(gòu)，見圖1。其中，無(wú)組織排水結(jié)構(gòu)使雨水通過面層、基層直接滲入土基，能夠及時(shí)補(bǔ)充城市地下水資源，改善水循環(huán)和生態(tài)條件。但這種結(jié)構(gòu)由于雨水的浸入會(huì)影響到路基的穩(wěn)定性，引發(fā)病害；而有組織排水結(jié)構(gòu)則在保證土基免受雨水浸蝕的前提下，將雨水由透水基層底部排出，進(jìn)入輸水、棄流與截污等系統(tǒng)，蓄集利用。該結(jié)構(gòu)雖然能夠略微降低地表徑流，減輕城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，但對(duì)雨水的利用及生態(tài)條件的改善都極為有限，造成雨水資源部分流失。因此，在選擇聚氨酯透水人行道排水方式時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，因地制宜，綜合使用兩種排水結(jié)構(gòu)，在保證路基穩(wěn)定的前提下，最大限度地儲(chǔ)水、保水，為城市的生態(tài)循環(huán)創(chuàng)造有利條件。

圖1 無(wú)組織排水和有組織排水兩種人行道鋪裝結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

2 力學(xué)性能試驗(yàn)分析

人行道鋪裝透水磚的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：面磚厚度、抗壓強(qiáng)度、抗折破壞荷載、透水系數(shù)和抗凍性等。相比之下，透水人行道鋪裝對(duì)聚氨酯混合料的要求要高出許多。首先需要確定合適的聚氨酯膠結(jié)料用量，然后繪制強(qiáng)度變化曲線，并對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、透水系數(shù)、抗凍性、抗老化等性能指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，該文主要以聚氨酯混合料為主，分析其力學(xué)性能，并同透水磚的性能指標(biāo)相對(duì)比，以說明兩者之間的異同。

2.1 最佳聚氨酯用量的確定

通常人行道鋪裝使用的聚氨酯混合料為單粒徑碎石，因此選用粒徑3～5 mm的玄武巖碎石、無(wú)溶劑雙組分聚氨酯為原材料，通過試拌確定最佳聚氨酯用量。具體步驟如下：① 分兩層每層插搗50次，后經(jīng)人工整平成型馬歇爾試件，在室溫下養(yǎng)生24 h后進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)。將飛散試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)125 r/m且飛散量不大于20%的聚氨酯用量定義為最小聚氨酯用量(m1)；② 使用不同的膠結(jié)料用量，成型馬歇爾試件，觀察試件底部孔隙分布情況，將試件底部出現(xiàn)明顯封孔現(xiàn)象時(shí)的聚氨酯用量定義為最大聚氨酯用量(m2)；③ 參考水泥混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法，在m1～m2范圍內(nèi)取至少5組不同的聚氨酯用量分別制備邊長(zhǎng)100 mm的立方體和150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體試件，測(cè)試其養(yǎng)生24 h后的抗壓和抗折強(qiáng)度。取抗折強(qiáng)度大于4.0 MPa且抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的聚氨酯用量作為最佳聚氨酯用量(m0)。按照以上步驟對(duì)所選原材料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖2，得到m1為3.5%，m2為6.0%，最終得到m0為4.5%。

圖2 聚氨酯碎石強(qiáng)度隨聚氨酯用量的變化曲線

2.2 聚氨酯混合料力學(xué)性能的檢驗(yàn)

2.2.1 聚氨酯混合料強(qiáng)度變化曲線

確定最佳聚氨酯用量后，采用插搗加人工抹平的方式成型邊長(zhǎng)100 mm的立方體抗壓強(qiáng)度試件，測(cè)試在不同養(yǎng)生時(shí)間和不同養(yǎng)生溫度下，試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 聚氨酯碎石強(qiáng)度隨養(yǎng)生時(shí)間、溫度的變化曲線

圖3表明：聚氨酯混合料的強(qiáng)度隨養(yǎng)生時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，且前期增長(zhǎng)迅速，后期增長(zhǎng)緩慢。在養(yǎng)生24 h后即可達(dá)到總強(qiáng)度的95%以上；此外隨著養(yǎng)生溫度的增加，聚氨酯反應(yīng)速率加快，完全固化時(shí)間縮短，但當(dāng)溫度達(dá)到一定程度后，這種加速固化的效果被削弱。因此，后續(xù)試驗(yàn)中，將常溫養(yǎng)生24 h確定為聚氨酯混合料的養(yǎng)生條件，既簡(jiǎn)化了試驗(yàn)操作又省去了不必要的加熱，節(jié)約了養(yǎng)生時(shí)間。

2.2.2 聚氨酯混合料力學(xué)性能及同透水磚的對(duì)比

按照前文確定的聚氨酯最佳用量和養(yǎng)生條件，成型聚氨酯混合料試件，測(cè)試其相關(guān)力學(xué)性能，并同透水磚相對(duì)比。對(duì)聚氨酯混合料而言，所測(cè)試的力學(xué)性能指標(biāo)主要有：抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、凍融劈裂強(qiáng)度損失、抗老化強(qiáng)度損失率等；而對(duì)于透水磚，該文所選用的尺寸為200 mm×100 mm×50 mm，長(zhǎng)/厚=4(<5)，依據(jù)CJJ/T 188-2012《透水磚路面技術(shù)規(guī)程》無(wú)需測(cè)試其抗折強(qiáng)度。最終測(cè)試的力學(xué)性能指標(biāo)有：抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)和凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率。其中，抗壓、抗折強(qiáng)度參考水泥混凝土試驗(yàn)方法；透水系數(shù)則依據(jù)達(dá)西定律參照CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》完成測(cè)試；凍融劈裂強(qiáng)度損失參考水泥混凝土的抗凍性試驗(yàn)，分別在-18 ℃和20 ℃的條件下凍融循環(huán)，計(jì)算凍融前后的強(qiáng)度損失率；抗老化強(qiáng)度損失率參考DBJ 41/T 150-2015《聚氨酯透水路面技術(shù)規(guī)程》，測(cè)試試件在歷經(jīng)氙燈光照前后的強(qiáng)度變化。具體測(cè)試依據(jù)及檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 聚氨酯混合料同透水磚間力學(xué)性能的對(duì)比分析

由表2可知：透水磚的強(qiáng)度、抗凍性能明顯優(yōu)于聚氨酯混合料，其抗壓強(qiáng)度約為聚氨酯混合料的4倍，凍融劈裂強(qiáng)度損失率僅為聚氨酯混合料的20.4%。分析原因主要是聚氨酯混合料屬于柔性材料，模量約為5 000 MPa；而透水磚屬于剛性材料， 模量約為30 000 MPa。雖然聚氨酯混合料的強(qiáng)度、模量不如透水磚，但良好的柔韌性使聚氨酯混合料的模量介于瀝青混合料和水泥混凝土之間，賦予透水路面優(yōu)異的抗疲勞特性。需要注意的是：① 聚氨酯屬于有機(jī)高分子材料，使用前需檢驗(yàn)其抗紫外光老化性能，試驗(yàn)結(jié)果表明該文所選用的聚氨酯滿足抗老化性能的要求；② 凍融劈裂強(qiáng)度損失率并不能充分地反映透水路面的抗凍性能，透水路面的目的是讓雨水向下滲透，將雨水儲(chǔ)存在基層或土基，如果透水面層根本不存在滯留雨水，則面層結(jié)冰凍脹的概率將大大降低。而聚氨酯混合料的透水系數(shù)要高于透水磚一個(gè)數(shù)量級(jí)，其透水性能遠(yuǎn)優(yōu)于透水磚。因此，在選擇透水路面鋪裝材料時(shí)，應(yīng)因地制宜，綜合考慮材料的抗凍性能和透水性能。

3 抗堵塞效果評(píng)價(jià)

抗堵塞性能是決定透水路面能否保持持續(xù)滲透水的關(guān)鍵指標(biāo)。研究表明,引起透水路面堵塞的灰塵的粒徑主要集中在0.15～0.3 mm之間。因此該文將1 000 g自來水和200 g粒徑0.15～0.3 mm的干燥黏土攪拌均勻配置黏土懸浮液，然后采用黏土懸浮液對(duì)透水材料進(jìn)行澆淋試驗(yàn)。對(duì)聚氨酯混合料和透水磚各澆淋5次，每次澆淋所用黏土懸浮液均為1 200 g。澆淋結(jié)束后將試件放入60 ℃烘箱中保溫6 h，保證試件充分干燥。按照式(1)計(jì)算澆淋前后試件的堵塞率，同時(shí)測(cè)試試件堵塞前后透水系數(shù)的變化情況，以綜合評(píng)價(jià)透水鋪裝材料的抗堵塞效果。試件抗堵塞效果的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

(1)

式中:S為試件堵塞率;S越大表明試件抗堵塞性能越差；m1為澆淋試驗(yàn)干燥后試件的質(zhì)量；m0為試件初始時(shí)的干質(zhì)量。

表3 聚氨酯混合料和透水磚抗堵塞性能的評(píng)價(jià)結(jié)果

表3的結(jié)果表明：相比之下，聚氨酯混合料具有更好的抗堵塞性能。在經(jīng)5次澆淋試驗(yàn)后，其堵塞率僅為4.6%，而透水磚的堵塞率卻達(dá)到了19.7%，比聚氨酯混合料高出近4倍；對(duì)透水系數(shù)而言，聚氨酯混合料在5次澆淋試驗(yàn)前后發(fā)生了17.1%的變化，而透水磚的透水系數(shù)卻改變了60.0%。分析造成這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋孩?聚氨酯材料固化以后的表面能非常低，約為30 mJ/m2，而透水磚材料的表面能為80 mJ/m2左右，較低的表面能更有助于減少對(duì)污染物的吸附，降低堵塞現(xiàn)象的發(fā)生；② 聚氨酯混合料的空隙率通常在30%左右，高于透水磚的18%，且聚氨酯混合料的空隙多為連通空隙，區(qū)別于透水磚中的空隙分布。

4 結(jié)論

針對(duì)海綿城市建設(shè)中透水人行道鋪裝，分別從結(jié)構(gòu)組成、力學(xué)性能和抗堵塞效果3個(gè)方面，對(duì)比分析了聚氨酯碎石和透水磚兩種鋪裝形式的差異，得到以下結(jié)論：

(1) 聚氨酯混合料和透水磚兩種鋪裝形式的路面結(jié)構(gòu)大致相同，都包括：路基、墊層、透水基層和透水面層等結(jié)構(gòu)層，不同之處在于透水面層材料的不同。相比之下，聚氨酯碎石透水人行道鋪裝具有節(jié)能環(huán)保、整體性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鋪裝效率高等優(yōu)點(diǎn)，這是透水磚人行道鋪裝所無(wú)法比擬的。此外，透水人行道鋪裝可分為有組織排水和無(wú)組織排水兩種類型，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際，在保證不影響路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性前提下，綜合利用兩種排水方式，以實(shí)現(xiàn)最大限度地保水和儲(chǔ)水。

(2) 通過肯塔堡飛散試驗(yàn)、底部孔隙分布觀察試驗(yàn)及抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，確定聚氨酯混合料最佳膠結(jié)料用量為4.5%。并在此基礎(chǔ)上測(cè)試了聚氨酯混合料的強(qiáng)度變化曲線，通過強(qiáng)度變化曲線確定了聚氨酯混合料的養(yǎng)生條件為常溫養(yǎng)生24 h。通過對(duì)比聚氨酯碎石和透水磚的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)聚氨酯碎石屬于柔性材料，具有較好的抗疲勞性能和透水性能，但其抗凍性能卻略顯不足?？紤]到凍脹破壞取決于抗凍性能和透水性能兩個(gè)方面，因此在冰凍地區(qū)的應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮聚氨酯混合料的抗凍性能和透水性能兩個(gè)方面，做到因地制宜，物盡其用。

(3) 無(wú)論是抗堵塞率還是滲透系數(shù)變化率都表明聚氨酯混合料具有更好的抗堵塞性能，主要是因?yàn)楣袒郯滨ゲ牧暇哂懈偷谋砻婺?，以及聚氨酯混合料的空隙率偏高且多為連通孔隙。

(4) 對(duì)兩種透水人行道鋪裝的結(jié)構(gòu)組成、力學(xué)性能和抗堵塞效果進(jìn)行了對(duì)比分析，取得了一定的研究成果，但仍然存在一些現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)，如：透水人行道的生態(tài)修復(fù)性能、保水調(diào)溫效果和結(jié)構(gòu)層黏結(jié)失效機(jī)理等，這些問題都需要在后續(xù)工作中展開系統(tǒng)的研究和分析。