劉 婷 成智文 李 坤 賀曉梅 郭 偉

(咸陽陶瓷研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

前言

隨著城市化建設進程不斷加快，城市道路硬化面積不斷增大，導致雨季內澇頻發(fā)，對居民生活造成嚴重影響，也給國家經濟帶來巨大損失。為解決此類問題，我國提出海綿城市建設理念，先后在武漢等30個城市進行海綿城市試點工作。海綿城市即指城市能夠像海綿一樣具有良好的“彈性”，適應環(huán)境的變化和應對自然災害的發(fā)生，下雨時滲水、蓄水、吸水、凈水，干旱缺水時“釋放”出蓄存的水并加以利用[1]，構建“降雨-徑流-下滲-回歸”的良性循環(huán)[2]。

透水磚具有良好的透水性，可以通過增強降雨入滲而削減地表徑流和洪峰流量，降低雨洪風險，調節(jié)局部小氣候[3～4]。目前透水磚存在著強度有限、易于堵塞、耐久性差等問題[5]，其中堵塞問題尤為嚴重，它能造成透水磚透水性能短時間內大幅下降甚至喪失，嚴重縮短其使用性命，影響雨水入滲和海綿城市建設。若重復更換透水磚，不僅會浪費人力物力財力，還妨礙城市功能的實現和維系；適當采取措施減緩堵塞和定期維護，能恢復透水磚透水性能，降低工程成本，促進城市可持續(xù)發(fā)展。

筆者首先介紹透水磚的孔隙結構和堵塞機理，重點綜述透水磚防堵塞技術的研究進展，并對緩堵型透水磚研制、規(guī)范協(xié)同鋪裝和長效維護機制進行了展望，長期為高效經濟地解決透水磚堵塞的實際應用問題提供參考。

1 透水磚的堵塞機理

1.1 透水磚的孔隙結構

透水磚的孔隙結構是通過骨料間顆粒的堆積而形成，孔徑的大小與骨料的粒徑相關，通常粒徑越大，孔徑就越大。透水磚中存在3種結構的孔隙：閉口孔、開口孔和連通孔，如圖1所示。閉口孔是一種被材料完全包圍并且完全相互獨立的孔隙，開口孔是指沒有被材料完全包圍的孔隙，部分孔隙共用同一介面而且互相貫通，連通孔也是開口孔的一種，它在空間上可以分為二維連通孔和三維連通孔，每個孔隙之間互相貫通[6]。透水磚優(yōu)異的透水性和保水性主要來源于連通孔和開孔，透水磚制備中理想的孔結構是連通孔[7]。

圖1 透水磚的孔隙結構Fig.1 Pore structure of permeable brick

Sansalone等[8]研究指出：孔隙體積分數、尺寸分布和拓撲結構是控制透水磚性能的關鍵參數?；炷镣杆u的孔隙率通常為15%～35%，其孔隙率取決于水泥石摻量、骨料含量、級配和顆粒形狀、水灰比和壓實力等。Kuang等[9]發(fā)現，透水磚的透水系數不僅與材料的有效孔隙率有關，還與連通度、迂曲度等其他孔隙結構參數相關。孔隙率小于15%的透水磚，連通孔隙度不足會導致水透過非常緩慢；孔隙率大于35%的透水磚透水性良好，但是強度較弱，孔隙率增大會導致強度下降。Lian[10]基于格里菲斯斷裂理論建立了一種多孔混凝土抗壓強度與孔隙率關系的數學模型，預測了基于孔隙率和抗壓強度的最優(yōu)配方。

1.2 透水磚的堵塞機理

透水磚使用一段時間后，都會發(fā)生不同程度的孔隙堵塞問題[11]。透水磚的堵塞是雨水徑流中顆粒積聚堵塞表面或內部連通孔隙的復雜過程，堵塞過程受徑流中顆粒大小、濃度，透水磚的材料、孔徑結構和環(huán)境條件等諸多因素影響。

透水磚的堵塞根據不同的標準可分為以下幾類，按堵塞的快慢分為快速堵塞和緩慢堵塞：快速堵塞是在泥沙量較大的徑流下發(fā)生的堵塞過程，快速堵塞可導致透水磚在短時間內失去透水性能，危害較大[12]；緩慢堵塞是少量沉積物持續(xù)或循環(huán)沉積的過程。根據堵塞位置分為表面堵塞和內部堵塞：由于徑流中顆粒大小的不同，大顆粒被透水磚截留在表面，小顆粒隨著雨水流入堵塞透水磚內部的孔隙。國外還有學者把堵塞分為物理堵塞和生物堵塞：物理堵塞較為常見，是由表面和孔隙結構中堆積的碎屑所引起的；生物堵塞是由藻類、細菌的繁殖和植物根系的滲透所引起的[13]，在連續(xù)的潮濕環(huán)境下，生物生長的更快，生物堵塞更為嚴重。

國外對于透水磚堵塞機理研究進行得比較早。Haselbachl[14]在覆蓋有沙層的混凝土透水磚上進行透水試驗，通過實驗結果推導出透水磚的透水率、沙層的透水率和磚的上表面附近的孔隙率三者之間密切相關。Alalea Kia等[15]用含有沙子和粘土的流動水對透水磚進行循環(huán)測試，結合透水率的變化，從透水率衰減、半衰期和循環(huán)到堵塞來定義堵塞電位，從而反映透水率。

國內對于透水磚堵塞的研究起步較晚，但隨著國家海綿城市建設進程的加快和透水磚應用的推廣，相關研究也日漸升溫。張娜等[16]研發(fā)了一種可以實時記錄透水磚堵塞過程中透水系數實時變化的裝置，利用電導率反映透水率的變化。崔新壯等[17]研究指出，透水磚的孔隙率越大，內部連接通道的曲率越小、通道的有效直徑越大，過水阻力越小，透水磚越容易堵塞。南軒等[18]利用CT掃描技術并結合Avizo軟件，重構透水磚內部的孔隙結構，發(fā)現1～100 μm的顆粒更容易堵塞孔隙。

2 透水磚防堵塞技術

2.1 透水磚表面改性

普通的透水磚都是利用磚體內的大孔隙透水的，表面粗糙，易被灰塵堵塞，透水時效短。為了減緩透水磚的堵塞，延長透水磚的使用年限，很多學者對透水磚表面進行了改性研究，通過破壞水的表面張力，使水分子具有良好的透過性能。

表1 透水磚表面改性的研究Tab.1 Study on surface modification of permeable bricks

2.2 透水磚鋪設

隨著透水磚的廣泛應用，透水磚的鋪設的研究顯得更加重要。提高透水磚及其周圍基質的滲透性，可以有效緩解透水磚的堵塞。韋甦等[4]針對滲透性系數較小的軟塑性黏土，提出采用小型砂石樁來提高透水磚鋪裝蓄水能力同時改善土基承載力。韓暖[22]設計了一種以髙強度的不透水磚體(大磚)包圍透水磚(小磚)的組合方式，利用小磚作為滲水點，在鋪設地面上規(guī)則排列，來解決目前硬質鋪裝不透水與透水路面強度不夠，易堵塞等問題。陳東平等[23]通過對透水磚鋪裝系統(tǒng)研究發(fā)現，透水磚只有和基層、墊層、土基依次鋪設組成一個整體，才能更好地發(fā)揮其滲、滯、蓄、排等功能。

不同種類的透水磚對鋪裝層結構具有不同的要求，即使是同種類的透水磚在不同的施工條件下對鋪裝層結構也有不同的要求[24]。因此透水磚在鋪設過程中，應嚴格按照GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》、JG/T 376—2012《砂基透水磚》、CJJ/T 188—2012《透水磚路面技術規(guī)程》及當地相關鋪設標準[25]，各層的材料選取和鋪設厚度，應在施工前進行相關計算，采用合適的鋪設方式，進而緩解堵塞，延長透水磚的使用壽命。

2.3 透水磚應用維護

目前透水磚堵塞的維護方法并不多，常用的有人工清掃、真空抽吸、壓力沖洗，但這幾種方法單獨使用都不能完全清除堵塞在磚內的沉積物[26]。

表2 透水磚維護3種清洗方式的對比

透水磚維護方法的有效性取決于堵塞發(fā)生的程度和位置，當堵塞是沉積在路面上的粗砂粒造成時，人工清掃、壓力清洗或兩者結合可以提高透水性；當堵塞主要由堆積在磚內或粉砂、粘砂顆粒時，僅傳統(tǒng)方法作用不大。

不同維護方法的效果還與透水磚的種類、材料配合比和使用年限等因素有關。建議透水磚的維護頻率每年至少1～4次不等，具體取決于場地和天氣條件。在顆粒濃度和沉積速率較高的地區(qū)，維護的頻率更高。即使定期進行養(yǎng)護，但由于堵塞的累積效應，透水磚的性能也會隨著時間的推移而下降，維護只能延長透水磚的使用壽命，并不能使透水率恢復初始值。

3 結論

今后，圍繞透水磚防堵塞技術，應重點圍繞以下3點進行研究：

(1)針對大多數透水磚存在強度與透水性能相互制約、容易堵塞等問題，需探究原材料的種類、配比和制造工藝，形成理想的孔隙結構，研制高強度、高滲透性的緩堵型透水磚。

(2)針對透水鋪裝存在的諸多不規(guī)范問題，應結合地面沉積物和地下土質情況，因地制宜地構建不同土質地面、透水磚、基層、墊層、土基等構成的有機整體，形成協(xié)同性良好的滲、滯、蓄、排等入滲通道，在施工過程中應嚴格按照《透水磚路面技術規(guī)程》CJJ/T188-2012及當地地方規(guī)范鋪設。

(3)針對普遍存在“重建設，輕管養(yǎng)”的問題，應根據透水磚性能特點和當地環(huán)境條件，研發(fā)更加經濟有效的維護清理技術方法，探究透水磚維護清理的長效工作機制。