譚慧明，丁寶楨，陳 佳

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

多孔透水材料的多孔隙結(jié)構(gòu)使得材料具有良好的透水性能，雨水可快速通過(guò)材料滲入地下，從而有效減小或消除城市暴雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害，使其在海綿城市的建設(shè)中發(fā)揮作用。目前工程界使用較為廣泛的多孔透水材料主要有透水混凝土和透水瀝青混合料。研究表明[1-6]多孔透水材料護(hù)岸在透水性、消波、抗洗掘及生態(tài)性方面均有較好的表現(xiàn)，然而對(duì)于多孔材料一個(gè)無(wú)法避免的問(wèn)題就是隨著使用年限的增加孔隙會(huì)不斷堵塞。對(duì)于透水混凝土和透水瀝青，最常見的堵塞機(jī)制就是在使用過(guò)程中水體內(nèi)存在懸浮顆粒，泥砂和碎屑造成多孔材料內(nèi)孔隙的堵塞，隨著時(shí)間的推移這些顆粒會(huì)隨水流不斷進(jìn)入孔隙，透水材料中的小顆粒逐漸積累堆積，堵住了透水通道。

Reiser[7]等根據(jù)堵塞發(fā)展過(guò)程的不同，將透水混凝土路面的堵塞分為2種類型：一類堵塞是少量沉積物持續(xù)或循環(huán)沉積的緩慢過(guò)程；另一類是快速堵塞過(guò)程。Deo[8]等研發(fā)了一種滲透裝置進(jìn)行堵塞循環(huán)模擬試驗(yàn)，每次堵塞循環(huán)開始時(shí)在試件上表面均勻地加入25 g砂粒,接著進(jìn)行滲透試驗(yàn),如此循環(huán)至滲透系數(shù)維持在一個(gè)定值時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。崔新壯[9]等研發(fā)了一種與電導(dǎo)率測(cè)試相結(jié)合的實(shí)時(shí)滲透性測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行暴雨作用下透水混凝土路面快速堵塞試驗(yàn)?zāi)M，并且基于柯茲尼-卡曼方程得到了透水路面快速堵塞預(yù)測(cè)模型。

透水瀝青同樣具有堵塞問(wèn)題，研究表明透水瀝青路面正常通車3～7 a后，透水能力降低至通車初期的50%左右[10-16]。與其他多孔透水材料類似，高聚物碎石材料在使用過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生材料孔隙堵塞問(wèn)題。趙舶汛等[17]對(duì)聚氨酯碎石透水路面實(shí)際施工配和比和不同膠粘劑用量下的強(qiáng)度、孔隙率及透水性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：聚氨酯碎石透水路面具有孔隙率大、透水性好、抗折強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但抗壓強(qiáng)度較低，一般不超過(guò)10 MPa。邵洪濤等[18]采用聚氨酯樹脂，拌入級(jí)配碎石后制得聚氨酯碎石透水路面。著重分析了聚氨酯樹脂的用量對(duì)聚氨酯碎石透水路面的孔隙率、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。然后討論了級(jí)配碎石的粒徑對(duì)聚氨酯碎石透水路面的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和透水性能的影響。上述研究均主要側(cè)重于材料抗壓、抗折強(qiáng)度的相關(guān)影響因素討論，對(duì)材料的透水性能也僅僅討論了孔隙率與透水系數(shù)的關(guān)系，未研究材料堵塞機(jī)理和相關(guān)影響因素，缺乏對(duì)材料透水性能以及堵塞過(guò)程的深入研究。

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了骨料粒徑與種類、用膠量等因素對(duì)高聚物膠結(jié)碎石多孔材料透水性能的影響，并且具體給出了其透水系數(shù)與上述因素之間的關(guān)系。通過(guò)堵塞實(shí)驗(yàn)分析水中砂顆粒對(duì)其孔隙的堵塞作用，給出了堵塞過(guò)程中四個(gè)階段的剩余透水百分比變化規(guī)律，最后通過(guò)測(cè)量去除表面堵塞物后材料的剩余透水百分比給出一種行之有效的減緩堵塞的手段。

1 高聚物碎石材料透水性能試驗(yàn)研究

1.1 透水系數(shù)的測(cè)量

(1)

式中：KT為水溫T°C時(shí)的透水系數(shù),cm/s；Q為t秒內(nèi)的滲出水量，mL；L為試件的厚度,cm；H為水位差,cm；t為測(cè)定時(shí)間,s；A為截面面積,cm2。

本文透水性試驗(yàn)試件使用D=7.5 cm、H=20 cm的PVC管澆筑的圓柱體試件，試驗(yàn)儀器采用自制的滲透試驗(yàn)儀器(如圖1-a所示)。實(shí)驗(yàn)儀器示意圖如圖1-b所示。

1-a 實(shí)物圖 1-b 示意圖

1.2 孔隙率的測(cè)量

多孔材料的孔隙率是指多孔介質(zhì)中孔隙的總體積與材料的表觀總體積的比值，多孔介質(zhì)的孔隙率可分為有效孔隙率和總孔隙率，有效孔隙率是指多孔介質(zhì)內(nèi)相互聯(lián)通的微小孔隙的總體積與該多孔介質(zhì)的表觀體積的比值，總孔隙率則是指材料內(nèi)部所有孔隙的體積與表觀體積的比值，而對(duì)于多孔材料中的閉口孔隙對(duì)透水性能并無(wú)影響，故本文測(cè)定的孔隙率為有效孔隙率，測(cè)量采用質(zhì)量體積法。按下式計(jì)算試件的孔隙率θ(精確到0.01%)

(2)

式中：V為試件的體積，cm3；ρw為水的密度，g/cm3；m1為試件在自然狀態(tài)時(shí)的重量，g；m2為試件浸水飽和狀態(tài)下在水中的質(zhì)量，g。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料及方案

采用的聚氨酯材料由A型與B型兩種材料快速攪拌混合而成(混合時(shí)間約1 min)。其中A型材料是膠結(jié)材料，較粘稠；B型材料為固化劑，易在空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)。再生骨料由建筑廢棄物破碎而成，經(jīng)人工篩分，取粒徑5～10 mm、10～20 mm和20～31.5 mm的骨料。碎石采用粒徑小于31.5 mm的普通碎石，經(jīng)人工篩分，選取5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm的碎石使用。級(jí)配碎石為以5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm三種粒徑碎石按質(zhì)量比為1:2:1的比例人工配制而成。

透水實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯靠紫堵?、用膠量、骨料粒徑以及骨料種類對(duì)透水系數(shù)的影響，試驗(yàn)采用5～10 mm粒徑的高聚物碎石材料，保持其他條件相同的情況下，分別設(shè)置3%、4%、5%、6%4個(gè)用膠量實(shí)驗(yàn)組次，還設(shè)置了再生骨料實(shí)驗(yàn)組以及10～20 mm、20～31.5 mm和級(jí)配三種碎石形態(tài)的高聚物碎石材料實(shí)驗(yàn)組，分別測(cè)量不同組次試樣的孔隙率，然后采用常水頭法測(cè)量了各組次試樣的透水系數(shù)。需要說(shuō)明的是普通透水材料的總孔隙率在15%～30%，本文通過(guò)控制碎石骨料粒徑和用膠量，得到有效孔隙率40%以上的大孔隙高聚物碎石透水材料，透水系數(shù)普遍達(dá)到或超過(guò)2 cm/s，在持續(xù)暴雨環(huán)境中有更強(qiáng)的排水能力。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.4.1 各試樣透水系數(shù)

采用上述方法分別測(cè)量各試樣的孔隙率，然后將試樣裝入儀器，測(cè)量其透水系數(shù)，注意測(cè)量透水系數(shù)前通水1 min以上以排出試樣中的氣泡。測(cè)量得試樣的孔隙率及透水系數(shù)如表1。

《2018-2022年全國(guó)干部教育培訓(xùn)規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)：著力培養(yǎng)又博又專、底蘊(yùn)深厚的復(fù)合型干部，使之做到既懂經(jīng)濟(jì)又懂政治、既懂業(yè)務(wù)又懂黨務(wù)、既懂專業(yè)又懂管理。黨的十九大報(bào)告指出：人與自然是生命共同體，生態(tài)文明建設(shè)功在當(dāng)代、利在千秋。建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)，是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國(guó)夢(mèng)的題中之意。黨校在生態(tài)文明建設(shè)中要不遺余力、積極作為，為培養(yǎng)造就忠誠(chéng)干凈擔(dān)當(dāng)?shù)母咚刭|(zhì)專業(yè)化干部隊(duì)伍不懈努力。

表1 各試樣透水系數(shù)

1.4.2 透水系數(shù)的影響因素

(1)用膠量。

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，對(duì)比5～10 mm粒徑的高聚物碎石材料的透水系數(shù)與孔隙率之間的關(guān)系(圖2)。從圖中可以看出，在其他條件相同的情況下，高聚物碎石材料的透水系數(shù)隨孔隙率的增加而增大，孔隙率最大增加了12.38%，透水系數(shù)增大了23.46%。隨著用膠量的增大，更多膠液包裹在碎石表面，增加了碎石顆粒的體積，占用了更多孔隙空間，導(dǎo)致了孔隙率的減小，進(jìn)而引起透水系數(shù)的減小。如圖3所示，隨著用膠量的增加，透水系數(shù)先緩慢下降然后加速降低，使用5%的用膠量，孔隙率為32.14%時(shí)，相比于6%的用膠量，僅僅增加1%的用膠量，透水系數(shù)減小了13.83%。這是由于隨著用膠量的增加，較小透水通道上的附著膠液趨于飽和，附著在主要透水通道的膠液量變多，而主要透水通道對(duì)透水系數(shù)影響較大，因此其透水系數(shù)表現(xiàn)為先平穩(wěn)下降，然后快速下降。

圖2 透水系數(shù)與孔隙率關(guān)系曲線

(2)粒徑大小。

分析2、7及3、8試樣，碎石材料的透水系數(shù)與孔隙率關(guān)系如圖4所示，顯然隨著顆粒粒徑變大，試樣中的透水通道也在增大，高聚物碎石材料的孔隙率和透水系數(shù)也在增大，對(duì)比4%用膠量5～10 mm、10～20 mm碎石的孔隙率和透水系數(shù)發(fā)現(xiàn)，兩者孔隙率僅相差1.8%，而透水系數(shù)卻相差21.5%，而5%用膠量5～10 mm、20～31.5 mm碎石兩者的孔隙率僅相差1.96%，而透水系數(shù)更是相差了24.5%，這可以理解為粒徑較大的碎石材料其主要透水通道更大，且有更多透水通道相互連通在一起，大大增加了其排水速率。由表1數(shù)據(jù)可以看出，采用6%用膠量的級(jí)配碎石試樣的孔隙率與采用5%用膠量的20～31.5 mm碎石的試樣孔隙率相差僅為2.67%，其透水系數(shù)相差達(dá)16.9%。由于級(jí)配碎石有較大的粒徑范圍，各種粒徑的顆粒相互填充，孔隙能夠被充分填充，相比粒徑較大時(shí)所形成的透水通道更加細(xì)小，水流通過(guò)透水通道時(shí)的阻礙更大，因此透水系數(shù)下降較大。

圖4 碎石粒徑與孔隙率、透水率關(guān)系

(3)骨料種類。

由圖5可知，在同樣5%用膠量5～10 mm粒徑的情況下，采用再生骨料的試樣孔隙率比采用碎石的試樣大12.65%，透水系數(shù)大了36.17%。這種巨大的差異是兩種骨料不同的微觀特性導(dǎo)致的。試驗(yàn)中5～10 mm粒徑的再生骨料為建筑垃圾破碎而成，表面有很多細(xì)微的小坑，凹凸不平，這樣的微觀結(jié)構(gòu)使得其表面積比普通碎石的表面積更大，包裹所需要的膠液更多。此外，在膠液包裹骨料的過(guò)程中，一部分膠液填充了再生骨料表面凹凸的小坑。因此在同樣的用膠量下，再生骨料的高聚物碎石材料中填充骨料間孔隙的膠液的量就比使用普通碎石的高聚物碎石材料的少，其測(cè)得的透水系數(shù)要比再生骨料高聚物碎石材料小得多。

圖5 兩種不同骨料的高聚物碎石材料的孔隙率與透水系數(shù)差異

2 高聚物碎石材料堵塞試驗(yàn)研究

2.1 堵塞試驗(yàn)方案

(1)堵塞物。堵塞實(shí)驗(yàn)中選用級(jí)配砂作為堵塞物，使用500 g砂做顆分試驗(yàn)，其各直徑篩選數(shù)據(jù)如表2所示。由篩分?jǐn)?shù)據(jù)采用內(nèi)插法計(jì)算的級(jí)配砂的d10、d30、d60分別為0.125 2、0.200 6、0.434 4。

表2 級(jí)配砂篩分表

圖6 級(jí)配砂顆粒級(jí)配曲線

(2)試驗(yàn)步驟。堵塞試驗(yàn)多次循環(huán)加砂的方式模擬現(xiàn)實(shí)中的堵塞，每組試樣循環(huán)35次，每次投入砂5 g，每次循環(huán)的具體步驟如下：關(guān)閉出水閥門，調(diào)整水位線到初始刻度線；將5 g砂倒入有機(jī)玻璃筒中，靜置1 min；打開出水閥門，同時(shí)在注水口加水，使水位保持在刻度線不變，待出水口水流不再渾濁后接水并計(jì)時(shí)，記錄時(shí)間及所接水的質(zhì)量。

記第x次堵塞循環(huán)后的透水系數(shù)為kx，試件的初始透水系數(shù)為k0，可以得到試樣的剩余透水百分比S，這一無(wú)量綱數(shù)據(jù)可以衡量堵塞前后的透水性降低的幅度，剩余透水百分比S計(jì)算公式如下

(3)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在堵塞的情況下，高聚物碎石材料的透水性發(fā)生了顯著的下降。試驗(yàn)以級(jí)配砂作為堵塞物時(shí)的5～10 mm粒徑的不同孔隙率的高聚物碎石材料透水性能變化來(lái)分析該材料的堵塞性能。級(jí)配砂堵塞試樣參數(shù)如表3所示。

表3 級(jí)配砂堵塞試驗(yàn)試樣參數(shù)

試驗(yàn)每次循環(huán)加砂后，通水初期一部分粒徑較小的砂會(huì)被水沖出，還有一小部分會(huì)沉留在試驗(yàn)儀器的底座凹槽中，但絕大多數(shù)會(huì)在試樣上形成砂層堆積。試樣上表面的砂堆積如圖7所示，隨著加砂量的增加，試樣上表面的堆積砂量也逐漸增多，先是少量堆積，然后是大部分被砂層覆蓋，僅留主要透水孔洞，到最后上表面全部被砂層覆蓋。

7-a 未覆蓋 7-b 部分覆蓋 7-c 完全覆蓋

對(duì)于5～10 mm粒徑碎石的高聚物透水材料，不同孔隙率的試樣透水系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加而有規(guī)律地變化。在使用級(jí)配砂作為堵塞材料的情況下，不同孔隙率的5～10 mm粒徑高聚物碎石材料的透水系數(shù)均隨著堵塞物數(shù)量的增加而降低，最終在0.37 cm/s附近達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。

圖8 級(jí)配砂堵塞試樣的剩余透水百分比變化

透水系數(shù)的下降速度也表現(xiàn)出先慢后快再慢再快，最后趨于穩(wěn)定，這與試樣上表面砂的堆積形態(tài)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。開始加砂至上表面出現(xiàn)堆積為第一階段，這時(shí)試樣內(nèi)的孔隙逐漸被堵塞，透水系數(shù)表現(xiàn)為平緩地下降；表面開始堆積至上表面大部分被砂覆蓋，僅留主要透水孔洞，此時(shí)為第二階段，該階段試樣中的狹小孔隙開始大量被堵塞，透水系數(shù)出現(xiàn)第一次較快地下降，此過(guò)程的剩余透水百分比下降幅度約占40%～50%，是四個(gè)階段中透水性能失效最快的階段；之后進(jìn)入第三階段，試樣中孔隙較大的主透水路徑相對(duì)不易被堵塞，該階段隨著加砂的增加，透水系數(shù)表現(xiàn)為緩慢地下降；待主要透水孔洞也開始被堵塞，進(jìn)入透水系數(shù)第二次較快下降的第四階段，主要透水孔洞堵塞后，試樣上表面形成一層砂層，透水系數(shù)便開始趨于穩(wěn)定。

在簡(jiǎn)單除去上表面覆蓋的砂后，重新測(cè)量各試樣的透水系數(shù)，并計(jì)算剩余透水百分比，數(shù)據(jù)如表4所示。各試樣的剩余透水系數(shù)百分比S均達(dá)到60%以上，各試樣的透水系數(shù)得到極大地恢復(fù)。由表4可知，27.85%、32.14%、36.50%和40.23%孔隙率試樣的最終剩余透水百分比分別為21.01%、18.48%、17.70%和16.71%，孔隙率與剩余透水百分比成反比，究其原因是較大的孔隙率使得材料上表面堵塞砂中相對(duì)較大的粒徑也能夠進(jìn)入材料孔隙內(nèi)部，從而加劇了堵塞。

表4 級(jí)配砂堵塞試樣除去上覆砂后的透水性

由以上數(shù)據(jù)可知，測(cè)量得到的最終透水系數(shù)并非試樣孔隙被堵塞后的實(shí)際透水系數(shù)，這一數(shù)據(jù)受到上覆砂層的很大影響。此外，從除去上覆砂前后的剩余透水百分比也可推斷出，在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)及時(shí)清除材料表面的堵塞物就可以極大地減緩材料的堵塞，減緩?fù)杆允У乃俣取?/p>

3 結(jié)論

(1)高聚物碎石材料的透水系數(shù)隨其孔隙率的增加而增大，隨用膠量的增加，膠液占用了更多的孔隙空間，透水系數(shù)和孔隙率逐漸減小。隨著顆粒粒徑變大，透水通道逐漸增多，高聚物碎石材料的孔隙率和透水系數(shù)也在增大。采用再生骨料的試樣孔隙率和透水系數(shù)均比采用碎石的試樣大，這是因?yàn)樵偕橇媳砻嬗性S多小坑，比表面積較大，要與碎石材料達(dá)到相同的透水效果需要更多膠液包裹碎石填充孔隙。高聚物碎石材料透水性能的實(shí)質(zhì)影響因素就是材料中孔隙大小、多少與組成形態(tài)共同決定的，孔隙越大越豐富，相對(duì)應(yīng)的透水性能也更好，孔隙形態(tài)越有利于水的排出，透水性也越好。

(2)級(jí)配砂的堵塞主要分為四個(gè)階段，第一階段表現(xiàn)為隨著加砂量的增加，這時(shí)碎石材料內(nèi)的孔隙逐漸被堵塞，透水系數(shù)表現(xiàn)為平緩的下降；進(jìn)入第二階段后，上表面大部分被砂覆蓋，碎石材料中的狹小孔隙開始大量被堵塞，透水系數(shù)出現(xiàn)第一次較快地下降；進(jìn)入第三階段后，由于碎石材料中孔隙較大的主透水路徑相對(duì)不易被堵塞，隨著加砂的增加，透水系數(shù)表現(xiàn)為緩慢地下降；進(jìn)入第四階段后，主要透水孔洞幾乎被完全堵塞，透水系數(shù)出現(xiàn)第二次較快地下降，碎石材料上表面形成一層砂層，透水系數(shù)便開始趨于穩(wěn)定。透水系數(shù)最大減小了約80%，嚴(yán)重影響使用效果，必須采取應(yīng)對(duì)措施。

(3)水中砂顆粒對(duì)試樣內(nèi)部孔隙堵塞較小，在除去碎石材料表面覆蓋的砂層后，材料的透水系數(shù)得到極大地恢復(fù)，最多約可恢復(fù)至原來(lái)的80%，因此及時(shí)清除材料表面的堵塞物就可以極大地減緩材料的堵塞，減緩?fù)杆允У乃俣取?/p>