汪俊松，韓雪穎，張玉，張磊，孟慶林

(華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院；亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510640)

相比傳統(tǒng)下墊面高熱容量帶來的城市熱島惡化現(xiàn)象[1]，透水鋪裝除了能夠在降雨時(shí)段有效緩解徑流[2-3]，還能通過吸水蒸發(fā)過程，降低鋪裝表面溫度，進(jìn)而改善室外熱環(huán)境[4-5]。中國南方地區(qū)夏季高溫多雨，利用被動(dòng)蒸發(fā)降溫有很大優(yōu)勢(shì)[6]。研究表明，透水鋪裝可在降雨時(shí)段內(nèi)將地表徑流體積減弱為降雨體積的30%～50%[7]；晴朗天氣下，透水鋪裝上方WBGT指標(biāo)值比普通不透水混凝土鋪裝小，最大差別達(dá)到4 ℃，有效降低了行人在戶外活動(dòng)時(shí)被灼傷的可能[8]。透水鋪裝材料的滲透、吸水及保水性能是評(píng)價(jià)其綜合性能的基礎(chǔ)指標(biāo)，從緩解徑流的角度，采用滲透系數(shù)這一濕物理性質(zhì)參數(shù)即可進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]；但從蒸發(fā)降溫的角度，降雨后鋪裝材料的初始含水率是其蒸發(fā)降溫過程的重要初始邊界條件之一，而該指標(biāo)與鋪裝材料的吸水率和保水率有關(guān)，國際上多采用吸水系數(shù)及真空飽和含水率[10]兩項(xiàng)多孔材料濕物理性質(zhì)參數(shù)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。

然而，鋪裝材料濕物理性質(zhì)參數(shù)在中國嚴(yán)重缺失，部分產(chǎn)品出廠時(shí)也僅標(biāo)注滲透系數(shù)?；诖?，選取中國南方居住區(qū)常用的3種類型透水鋪裝材料：燒結(jié)陶瓷透水磚、普通混凝土透水磚和再生骨料混凝土透水磚，參考濕物理性質(zhì)相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用真空飽和實(shí)驗(yàn)測(cè)試了3種材料的真空飽和含濕量、并計(jì)算得出表觀密度及開放孔隙率；采用單面浸泡實(shí)驗(yàn)測(cè)試了其吸水系數(shù)、毛細(xì)飽和含濕量；最后，對(duì)比分析了三者吸水、保水及滲透性能差異，以期完善透水鋪裝材料濕物理性質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選擇的3種類型透水鋪裝材料，分別為陶瓷透水磚(簡稱“陶瓷磚”，代號(hào)“TC”)、再生骨料透水磚(簡稱“再生磚”，代號(hào)“ZS”)和普通混凝土透水磚(簡稱“普通磚”，代號(hào)“PT”)，其中,陶瓷磚由陶瓷材料添加結(jié)合劑后，高溫?zé)Y(jié)而成[11]；再生磚由建筑混凝土廢料經(jīng)破碎后篩分，加水泥、沙等攪拌壓制而成[12]；普通磚由粒徑尺寸較大的人工碎石為骨料，添加水泥、沙等攪拌壓制而成[13]，3種材料表觀如圖1所示，普通磚的表觀孔隙較陶瓷磚與再生磚大，且更粗糙。

圖1 3種類型透水磚表觀圖Fig.1 Three types of porous bricks

實(shí)驗(yàn)前，將試件放置于溫度為105±5 ℃的鼓風(fēng)烘干箱內(nèi)，每隔24 h稱重，當(dāng)連續(xù)3次稱重試件質(zhì)量變化率不超過0.1%，且質(zhì)量不呈單調(diào)變化時(shí)，則視為達(dá)到恒重，將烘干后的試件取出，記錄質(zhì)量，然后置于實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)穩(wěn)定至常溫恒重，以排除溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。其他涉及到的實(shí)驗(yàn)器材有：天平(SHIMADZU UX4200H型，分度值0.01 g，最大量程6.2 kg)、電子溫度計(jì)(精度±0.3 ℃，量程-40～500 ℃)、蒸餾水、量筒(2個(gè)，量程分半為2 000±10 mL、100±1 mL)、燒杯(2 000±200 mL)及自制實(shí)驗(yàn)裝置等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 真空飽和實(shí)驗(yàn) 真空飽和實(shí)驗(yàn)可獲得衡量多孔材料保水性能的真空飽和含濕量這一濕物理性質(zhì)參數(shù)，可參考國際標(biāo)準(zhǔn)ASTMC 1699—09[14]。實(shí)驗(yàn)通過真空箱內(nèi)的內(nèi)外壓差使放在其內(nèi)的多孔材料孔隙內(nèi)的氣體被全部抽出，然后向真空箱內(nèi)注入蒸餾水，在內(nèi)外壓差作用下，水分進(jìn)入多孔材料內(nèi)部，待開放孔隙全部被水填充后，通過水下稱重及出水稱重，計(jì)算出多孔材料的真空飽和含濕量。此外，該實(shí)驗(yàn)還能測(cè)試出多孔材料的開放孔隙率和表觀密度等基礎(chǔ)物理指標(biāo)。

為操作方便并縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，將透水材料均切割為100 mm×100 mm×60 mm的試件各3塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制為：空氣溫度20±1 ℃，相對(duì)濕度50%±2%，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。將烘干的試件稱重(mdry，kg)、冷卻后放入敞口玻璃容器內(nèi)，然后放入密閉的真空箱中，降低真空箱內(nèi)部氣壓至20 mbar以下，保持該壓力4 h，以便徹底排除試件孔隙內(nèi)的空氣，保持真空箱內(nèi)的低壓，向干燥器內(nèi)緩緩注入蒸餾水(水溫20 ℃)，通過閥門調(diào)節(jié)進(jìn)水速度，使液面上升速度保持在5 cm/s左右，當(dāng)水面到達(dá)試件上方5 cm后，停止注水，保持試件在水下3 d后稱重。水下稱重時(shí)，用鐵絲一端吊起試件，將鐵絲另一端懸于天平下方，記錄試件在有浮力下的重量(min，kg)，然后將試件取出，用柔軟的濕布擦去表面的浮水后，在空氣中進(jìn)行稱重(mwet，kg)，則按照式(1)～(3)計(jì)算材料的表觀密度ρ、真空飽和含濕量wvac及開放孔隙率φ。

(1)

(2)

(3)

式中：ρwater為實(shí)驗(yàn)條件下水的密度，kg/m3。

圖2 真空飽和實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Vacuum saturation test device

圖3 單面浸泡實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Partial immersion test device

1.2.3 滲透實(shí)驗(yàn) 滲透系數(shù)是衡量透水鋪裝材料滲流能力的重要指標(biāo)，該指標(biāo)遵循達(dá)西定律，通常采用常水頭進(jìn)行測(cè)試[16]，計(jì)算式見式(4)。中國通常以15 ℃水溫為標(biāo)準(zhǔn)溫度，該溫度下的透水系數(shù)見式(5)。

(4)

(5)

式中：KT為水溫為T℃時(shí)的透水系數(shù)，cm/s；Q為t秒內(nèi)滲出的水量，mL；S為試件上表面的面積，cm2；H為水位差，cm；t為時(shí)間，s；k15為15 ℃時(shí)的材料透水系數(shù)；ηT為T℃時(shí)水的動(dòng)力粘度系數(shù)，kPa·s；η15為15 ℃時(shí)水的動(dòng)力粘度系數(shù)，kPa·s。

滲透實(shí)驗(yàn)參考《透水磚》(JB/T 945—2005)[9]進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。將試件切割為200 mm×100 mm×60 mm試件各3塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將干燥的試件用密封膠密封，一共涂刷3次，每次間隔時(shí)間為6 h，以保證密封膠徹底晾干，從而使水分全部通過上表面向下層滲透；將密封后的試件與高300 mm、平面尺寸與試件相同的玻璃透水圓筒采用玻璃膠進(jìn)行粘合，靜止24 h，以確保玻璃膠完全干燥；將密封好的試件放進(jìn)玻璃容器后放入真空箱內(nèi)，抽真空至90±1 kPa，并保持30 min；在真空狀態(tài)下，將采用新制備的蒸餾水(水溫20 ℃)注入玻璃容器內(nèi)，當(dāng)水面高于透水磚上表面10 cm后停止加水，停止抽真空，浸泡試件20 min后取出，以備實(shí)驗(yàn)使用；把真空處理好的試件放入透水系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置中，將蒸餾水緩緩倒入圓筒中。待溢流槽內(nèi)的溢流量和透水圓筒的溢流量穩(wěn)定后，用鋼直尺測(cè)量透水圓筒水位和溢流槽水位之差，并用量筒從出水口處接水，記錄5 min內(nèi)的滲流量。

圖4 滲透實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Permeability test device

1.3 誤差分析

為衡量測(cè)試結(jié)果誤差，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5725—1:1994[17]中關(guān)于重復(fù)性誤差的定義及參考相關(guān)文獻(xiàn)[18]的計(jì)算方法，采用平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差rs來描述測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性誤差rsrepeatability及由材料不均一引起的誤差rsmaterial，rsrepeatability計(jì)算公式為

(6)

(7)

(8)

(9)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 真空飽和實(shí)驗(yàn)

3種透水材料真空飽和含濕量如圖5所示，其中，ZS最高、PT次之、TC最低，ZS、PT、TC的真空飽和含濕量平均值分別為： 270.63、234.65、202.59 kg/m3，表明在極端情況下，ZS保水性能最優(yōu)，高于PT的1.15倍、TC的1.34倍，這是因?yàn)樵偕橇媳砻姘僭S硬化水泥沙漿，而這這些沙漿表面粗糙、內(nèi)部孔隙率大，有很強(qiáng)的保水能力。3組樣本測(cè)試的ZS、PT、TC的重復(fù)性及變異性誤差分別是：0.77%和1.40%、1.91%和0.89%、1.08%和6.32%，整體精度較高，其中，TC的變異性誤差較大，這是由于其在燒結(jié)過程中內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)變化不均一導(dǎo)致的。

圖5 真空飽和含濕量Fig.5 Vacuum saturated moisture content

由真空飽和含濕量及式(3)計(jì)算得到的3種透水材料孔隙率如圖6所示，結(jié)果仍為ZS最大、PT次之、TC最小，ZS、PT、TC的孔隙率平均值分別為：27.08%、22.32%、20.27%，ZS、PT、TC的3次測(cè)試結(jié)果重復(fù)性及變異性誤差分別位：0.78%和1.33%、1.79%和0.56%、1.08%和6.32%，其中TC的變異性誤差較大，仍為其在燒結(jié)的過程中內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)變化不均一導(dǎo)致的。

圖6 孔隙率Fig.6 Porosity

利用式(1)計(jì)算出的3種透水材料表觀密度如圖7所示，3種材料表觀密度為PT最大、ZS次之、TC最小，PT、ZS、TC的3組樣本結(jié)果平均值分別為：2 061.75、1 937.41、1 866.18 kg/m3，PT、ZS、TC測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性及變異性誤差分別是： 1.53%和0.41%、0.24%和0.54%、0.19%和0.46%，整體精度高，主要原因?yàn)樵擁?xiàng)指標(biāo)通過水下稱重獲得，此種稱重方式干擾因素較小。

圖7 表觀密度Fig. 7 Apparent density

2.2 單面浸泡實(shí)驗(yàn)

3種類型透水材料毛細(xì)吸水速率如圖8所示。吸水第1階段過程中，TC吸水速率最快、PT次之、ZS最慢，經(jīng)線性回歸得到3種透水材料的毛細(xì)吸水系數(shù)如圖9所示，TC、PT、ZS的3組樣本測(cè)試所得吸水系數(shù)平均值A(chǔ)average分別為：2.04、0.07、0.03 kg/m2·s0.5，表明TC吸水速率高于ZS的69倍、高于PT的25.88倍。TC、PT、ZS的3組樣本測(cè)試結(jié)果重復(fù)性和變異性誤差分別為： 2.17%和10.30%、6.44%和3.35%、8.81%和7.44%，測(cè)試誤差較真空飽和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大，這主要是由材料連通孔隙率的不均一性導(dǎo)致。

圖8 毛細(xì)吸水速率Fig.8 Capillary water absorption rate

吸水第2階段過程中，由于透水材料的孔隙阻力增加及水分重力影響，3種透水材料單位面積含水量均逐步到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，最終三者單位面積含水量為ZS最大、TC次之、PT最差，將第2階段與第1階段擬合曲線聯(lián)合求解得到的3種透水材料毛細(xì)飽和含濕量如圖10所示，仍為ZS最高、TC次之、PT最小，ZS、TC、PT的毛細(xì)飽和含濕量平均值分別為：190.59、121.07、86.41 kg/m3，其中，TC和PT的該項(xiàng)數(shù)據(jù)與真空飽和含濕量數(shù)據(jù)規(guī)律相反，主要原因是：毛細(xì)吸水主要受連通孔隙影響，而真空飽和狀態(tài)下材料的真空飽和含濕量受連通與半連通孔隙等共同影響，由于肉眼觀察下PT的孔隙明顯大于ZS和TC，而三者開放孔隙率均相差不大，導(dǎo)致其毛細(xì)儲(chǔ)水能力較差，進(jìn)而導(dǎo)致了毛細(xì)飽和含濕量的差異。

圖10 毛細(xì)飽和含濕量Fig.10 Capillary saturated moisture content

2.3 滲透實(shí)驗(yàn)

3種透水材料滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖11所示。其中，TC滲透系數(shù)最大、PT次之、ZS最低，TC、PT、ZS的3組樣本測(cè)試結(jié)果平均值分別為0.069、0.020、0.003 cm/s，表明ZS滲透性能最差。TC、PT、ZS的3組樣本測(cè)試結(jié)果重復(fù)性誤差和變異性誤差分別為：1.01%和31.02%、3.01%和40.41%、2.44%和41.89%，變異性誤差較大，其中，TC的3個(gè)樣本中，最大滲透系數(shù)可以達(dá)到0.094 cm/s，最小滲透系數(shù)0.044 cm/s，差異達(dá)2.14倍；PT的3個(gè)樣本最高值與最低值相差為2.30倍，再生磚為3.21倍，該結(jié)果表明，測(cè)試樣本個(gè)體差異較大，主要原因?yàn)闈B透系數(shù)受孔隙迂回度、孔徑尺寸及開放孔隙率等多種因素影響[19]，考慮到透水材料實(shí)際制作過程較為粗糙，造成材料孔隙特征參數(shù)離散性較大，影響測(cè)試結(jié)果，由吸水系數(shù)測(cè)試誤差也可以獲得相似結(jié)論。

圖11 滲透系數(shù)Fig.11 Permeability coefficient

2.4 透水磚性能評(píng)價(jià)

透水鋪裝材料除了應(yīng)具有良好的滲透性能以保證其在自身達(dá)飽和后能快速滲透雨水，避免產(chǎn)生徑流。此外，從蒸發(fā)降溫的角度來說，較好的保水性能有效保持無雨條件下的蒸發(fā)降溫效果。但在室外條件下，天然降雨是鋪裝材料水分的主要來源且透水材料不可能在任何時(shí)候都處于飽和狀態(tài)，此時(shí)，良好的吸水性能保證其在降雨時(shí)間段內(nèi)快速儲(chǔ)存更多的雨水。

從單面浸泡測(cè)試結(jié)果可以看出，3種透水材料的吸水性能差異較大，且與開放孔隙率及真空飽和含水率等指標(biāo)并不成正相關(guān),如ZS雖然真空飽和含水率及開放孔隙率較TC大，但其吸水系數(shù)很低，造成了吸水速度較慢，無法在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存較多雨水，故采用真空飽和含水率及開放孔隙率衡量磚體在實(shí)際環(huán)境的保水能力有一定缺陷，應(yīng)在滿足滲透系數(shù)的前提下，結(jié)合吸水系數(shù)指標(biāo)綜合考慮。

3 結(jié)論

1)通過真空飽和實(shí)驗(yàn)測(cè)試了透水鋪裝材料的真空飽和含水率、孔隙率及表觀密度，結(jié)果表明，3種透水材料的真空飽和含水率為ZS最高、PT次之、TC最低，ZS、PT、TC的真空飽和含濕量平均值分別為270.63、234.65、202.59 kg/m3；開放孔隙率仍為ZS最高、PT次之、TC最低，ZS、PT、TC的孔隙率平均值分別為27.08%、22.32%、20.27%。上述測(cè)試結(jié)果中TC的變異性誤差較大，這是在燒結(jié)過程中內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)變化不均一導(dǎo)致的。

2)通過單面浸泡實(shí)驗(yàn)測(cè)試了透水鋪裝材料的吸水系數(shù)和毛細(xì)飽和含濕量，結(jié)果表明，3種材料的吸水系數(shù)為TC最優(yōu)、PT次之、ZS最弱，三者吸水系數(shù)平均值分別為2.04、0.07、0.03 kg/m2.s0.5；毛細(xì)飽和含濕量為ZS最高、TC最次之、PT最小，三者毛細(xì)飽和含濕量平均值為190.59、121.07、86.41 kg/m3，測(cè)試結(jié)果受材料不均一影響，變異性誤差較大。

3)通過滲透實(shí)驗(yàn)測(cè)試了透水鋪裝材料的滲透性能，結(jié)果表明，TC滲透性能最優(yōu)、PT次之、ZS最差，3組樣本測(cè)試結(jié)果平均值分別為0.069、0.020、0.003 cm/s，測(cè)試結(jié)果受材料不均一影響，變異性誤差較大。

4)材料的吸水性能與保水性能并非正相關(guān)，不應(yīng)單獨(dú)采用真空飽和含水率及開放孔隙率衡量磚體在實(shí)際環(huán)境的保水能力，應(yīng)結(jié)合吸水系數(shù)、真空飽和含水量及滲透系數(shù)指標(biāo)綜合決定。

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