金雪莉，廖仕樂，朱俊炫，李淑晶，盧任機(jī)

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，廣州511483）

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇等自然災(zāi)害不斷破壞我們美麗的城市，人們研制具有透水能力的路面磚和地下蓄水系統(tǒng)來減緩災(zāi)害對(duì)城市環(huán)境的破壞，效果顯著。

陶瓷透水磚是近幾年新推出一種透水路面鋪裝材料，它利用陶瓷原材料，經(jīng)篩分選料、成型、烘干、高溫?zé)Y(jié)而成，具有抗壓強(qiáng)度高、透水性好、防滑性能好、抗凍性能優(yōu)異、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，被迅速推廣應(yīng)用于廣場(chǎng)、人行道、停車場(chǎng)、公園等人流量相對(duì)密集的場(chǎng)所。經(jīng)過幾年的投入使用，人們發(fā)現(xiàn)陶瓷透水磚路面出現(xiàn)不同情況的堵塞，這是由于細(xì)小顆粒物被人與自然風(fēng)帶到磚表面，再加上下雨天雨水地表徑流的沖刷，導(dǎo)致細(xì)小顆粒物隨著水流進(jìn)入磚內(nèi)部連通孔隙，引起堵塞，大大降低了陶瓷透水磚的滲透速率，嚴(yán)重影響正常使用。

本文通過分析廣州本地雨水雜質(zhì)顆粒粒徑分布特點(diǎn)，人工模擬降雨堵塞過程，研究陶瓷透水磚堵塞對(duì)其滲透性能的影響，為市政工程能及時(shí)更換因堵塞而失去效果的透水磚提供可行性研究數(shù)據(jù)，并為陶瓷透水磚生產(chǎn)提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幫助改進(jìn)其滲透性能。

2 雨水樣品采集和顆粒分析

2.1 雨水樣品采集地點(diǎn)和采集方法

2.1.1 雨水采集選點(diǎn)

透水路面磚絕大多數(shù)鋪設(shè)在廣場(chǎng)、人行道、停車場(chǎng)等人流量相對(duì)密集的場(chǎng)所，本文經(jīng)過廣泛調(diào)研選取了以下三個(gè)采樣地點(diǎn)，分別為：廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，番禺市橋廣場(chǎng)、天河花城廣場(chǎng)。每個(gè)地點(diǎn)采集700 mL的地表積聚雨水，分別裝入兩個(gè)350 mL透明礦泉水瓶中密封，并同時(shí)記錄采集樣品編號(hào)，采樣時(shí)間段、地點(diǎn)、當(dāng)前氣溫溫度、采樣前未降雨天數(shù)等相關(guān)信息。

2.1.2 采集方法

準(zhǔn)備若干350 mL聚丙烯塑料礦泉水瓶、一個(gè)塑料燒杯、一根適長作攪拌的棍子。同時(shí)時(shí)刻關(guān)注氣象局發(fā)出的實(shí)時(shí)天氣預(yù)告并加以記錄，待調(diào)研目標(biāo)地區(qū)下雨后進(jìn)行戶外現(xiàn)場(chǎng)采集地表積聚的雨水。采樣開始前要對(duì)雨水坑的樹葉等可見的雜物清理干凈，再用攪拌棒對(duì)雨水坑進(jìn)行均勻攪拌，下一步用塑料燒杯盛起350 mL的雨水倒入礦泉水瓶中密封，采集完成。

2.2 樣品細(xì)小顆粒物粒徑分布測(cè)試

參考GB/T 19077-2016，用水相濕法分析細(xì)小顆粒物粒徑。將選定樣品倒入液體石蠟中，在超聲波清洗器中振蕩分散 10 min，置于銅網(wǎng)上，用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer 3000）進(jìn)行細(xì)小顆粒物粒徑分析。

圖1是三個(gè)雨水樣品的細(xì)小顆粒物粒徑檢測(cè)報(bào)告，三份檢測(cè)報(bào)告的顆粒粒徑分布非常接近。約10%顆粒尺寸小于 13 μm（D10=13 μm），顆粒尺寸中值約為 38 μm（D50=38 μm），顆粒尺寸大于 114 μm（D90=114 μm）約占10%。

表1 細(xì)小顆粒物含量測(cè)試結(jié)果

2.3 樣品細(xì)小顆粒物含量測(cè)試

將雨水細(xì)小顆粒物樣品搖勻倒入干燥后的燒杯，用濕潤的濾紙蓋住不規(guī)則的燒杯口，防止干燥時(shí)微小顆粒物隨水蒸氣跑出燒杯外，影響實(shí)驗(yàn)精度。干燥箱采用電熱鼓風(fēng)干燥箱XMTD-2100，調(diào)節(jié)恒溫溫度105℃，直至肉眼判斷水分被烘干，打開干燥箱自然降溫，待干燥箱溫度接近室溫即可取出稱量，稱量完畢，再次將裝有細(xì)小顆粒物的燒杯放入干燥箱干燥30 min后稱量，多次操作直至質(zhì)量數(shù)值不再變化。細(xì)小顆粒物含量測(cè)試結(jié)果見表1，由于樣品取自不同的廣場(chǎng)，地面潔凈程度不同，因此總細(xì)小顆粒物含量有差別，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)判斷廣場(chǎng)的清潔程度，本次實(shí)驗(yàn)研究選擇雨水細(xì)小顆粒物含量為0.484 g/L。

3 模擬降雨堵塞實(shí)驗(yàn)

3.1 地表雨水合成

本研究在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，選用級(jí)配硅砂模擬大自然中的泥土。硅砂具有穩(wěn)定的物化性質(zhì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的誤差影響較小，是研究粒徑堵塞過程非常優(yōu)良的材料[2]。本文結(jié)合雨水樣品1、2、3的細(xì)小顆粒物粒徑分布和含量測(cè)試結(jié)果，用五種不同粒徑的硅砂按1：2：4：2：1的比例制備了與大自然粒徑級(jí)配相似的沉積物，稱為“調(diào)整后的細(xì)顆粒物”（AFS）。AFS粒徑分布見表2。

表2 調(diào)整后的細(xì)顆粒物（AFS）粒徑分布

3.2 模擬降雨加速裝置

3.2.1 雨水模擬

根據(jù)廣州氣象年鑒近五年記錄最高降雨量為2734.8 mm，這個(gè)降雨量值被用于計(jì)算試驗(yàn)所需要得雨水量。需要在陶瓷透水磚施加246 L（2734 mm×0.09 m2）的流入量來模擬相當(dāng)于一年的降雨量，因此實(shí)驗(yàn)室特質(zhì)的不銹鐵缸需能容納300 mL的水。在實(shí)驗(yàn)過程中為能使硅砂在水中處于懸浮狀態(tài)而不是沉積在缸底，在鐵缸上加裝有攪拌用的電機(jī)，下部連接直伸鐵缸底部的雙扇葉裝置。電機(jī)開啟可達(dá)到120 r/min，可滿足硅砂均勻懸浮在水中的要求。

3.2.2 降雨堵塞過程模擬

模擬降雨量的加速實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)穩(wěn)定的水壓，使雨水均勻地灑在透水磚面上。實(shí)驗(yàn)采用增壓泵（型號(hào)QRS25-10，最大流量 90 L/min，最高揚(yáng)程 10 m），同時(shí)配合著閘閥控制出水口流量，達(dá)到模擬要求的降雨量。為了能模擬雨水及所選級(jí)配硅砂能均勻?yàn)⒃谕杆u面，本實(shí)驗(yàn)采用300×300 mm的淋浴噴頭，淋雨噴頭正面有144個(gè)小孔，小孔直徑為3 mm，滿足硅砂順利通過噴頭小孔而不造成堵塞。

3.3 透水磚滲透速率實(shí)驗(yàn)

3.3.1 實(shí)驗(yàn)樣品——陶瓷透水磚（簡(jiǎn)寫“TC”）

陶瓷透水磚具有抗壓性能高、耐風(fēng)化、防火好、耐久及色彩豐富，透水性能好等特點(diǎn)，適用于人行道及廣場(chǎng)。陶瓷透水磚由陶瓷原材料燒結(jié)而成，由于其材料和制作工藝的特點(diǎn)，孔隙率非常高，可達(dá)到20%以上，具有良好的滲透性。本實(shí)驗(yàn)用陶瓷透水磚樣品的規(guī)格為300×300×55 mm。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)原理

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[3]。根據(jù)達(dá)西定律，水流過試件橫截面積時(shí)，水體流速與水頭損失成正比且與流經(jīng)距離成反比，計(jì)算公式如下，

式中：K 為滲水系數(shù)，cm·s－1；Q 為滲流量，cm3；A 為試件斷面面積，cm2；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。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)透水磚路面技術(shù)規(guī)程（CJJ/T188-2012）要求，設(shè)計(jì)測(cè)試滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，按照本次實(shí)驗(yàn)陶瓷透水磚材料尺寸進(jìn)行改良，具體見圖4。

3.3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）實(shí)驗(yàn)預(yù)處理：先將透水磚浸泡一晚，保證透水磚內(nèi)部的孔隙充滿水。

（2）初始滲透系數(shù)測(cè)試：實(shí)驗(yàn)前把定水頭裝置下水口與水龍頭打開，隨著液面的上升到一定高度，多余的水從下水口與上水口同時(shí)流出，待兩個(gè)出水口流出的水穩(wěn)定后使用游標(biāo)卡尺測(cè)量下水面與上水面高度，計(jì)算出水頭差，再用塑料水盤從下方出水口接水，用秒表計(jì)時(shí)測(cè)量20 s的滲水量，用量筒測(cè)量出滲水量并計(jì)算定水頭初始滲透系數(shù)。

（3）堵塞后滲透系數(shù)測(cè)試：在模擬降雨堵塞加速實(shí)驗(yàn)中采用降雨持續(xù)時(shí)間8 h，在雨量缸內(nèi)放263 L水，將調(diào)配好比例的硅砂倒入水中，開啟電機(jī)攪拌，待電機(jī)攪拌五分鐘，水中硅砂均勻懸浮在水中后，開啟閘閥，水及水中硅砂在正增壓泵的加壓下通過多孔噴頭均勻?yàn)⒃谕杆u表面上。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，重新安裝到定水頭實(shí)驗(yàn)裝置，按上述步驟再次測(cè)試透水磚滲透系數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表3 陶瓷透水磚堵塞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖5是對(duì)三個(gè)陶瓷透水磚樣品TC1、TC2和TC3分別做三次滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)對(duì)比。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計(jì)算，三塊樣品滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果平均值分別為0.0766、0.0638、0.0607 cm·m-1，三個(gè)樣品三次測(cè)試的數(shù)據(jù)均有不同，測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性誤差和變異性誤差分別為。結(jié)果表明：重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有差異，但是差異較小，在可接受范圍內(nèi)；測(cè)試樣品有差異，這是由于滲透系數(shù)受孔隙迂回度、孔徑尺寸及開放孔隙率等多種因素影響[4]，且透水材料實(shí)際制作過程較粗糙，造成了材料孔隙特征參數(shù)離散性較大。

4.2 堵塞系數(shù)測(cè)試結(jié)果

表3是對(duì)三個(gè)陶瓷透水磚樣品TC1、TC2和TC3模擬降雨過程淋水8 h后，測(cè)試得到的滲透系數(shù)值，可以看出實(shí)驗(yàn)室合成雨水中的細(xì)小顆粒物對(duì)陶瓷透水磚造成了明顯的堵塞。三個(gè)樣品堵塞后滲透系數(shù)和初始滲透系數(shù)之比分別為32.0%、35.1%和30.0%，可見雖然陶瓷透水磚材料之間差異較大，但是堵塞行為非常接近。

5 結(jié)論

（1）本文研究了廣州本地雨水細(xì)小顆粒物粒徑分布及含量特征，在實(shí)驗(yàn)室用五種不同粒徑的硅砂按配比人工合成細(xì)小顆粒物含量為0.484 g/L的雨水，用于模擬降雨過程實(shí)驗(yàn)。

（2）研究根據(jù)達(dá)西定律設(shè)計(jì)了陶瓷透水磚滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，用于堵塞實(shí)驗(yàn)前后陶瓷透水磚滲透系數(shù)的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：1）雨水中的細(xì)小顆粒物對(duì)陶瓷透水磚造成了明顯的堵塞，堵塞后滲透系數(shù)約為初始滲透系數(shù)的1/3；2）實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性誤差較小，說明實(shí)驗(yàn)裝置的精確度較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較可靠；3）不同樣品的差異性誤差較大，說明陶瓷透水磚材料孔隙特征參數(shù)離散性較大。