摘 要：隨著人們生活水平的提高，對(duì)河道工程的完善提出了更高要求，提升寒區(qū)透水混凝土鋪裝使用時(shí)間的重要舉措就是在防凍脹設(shè)計(jì)上做到有效性。將實(shí)際工程作為對(duì)象，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，分別設(shè)定3種找平層材料和基層材料，分析不同方案下寒區(qū)河道工程的抗凍脹性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，河道工程基層與找平層材料可使用透水水穩(wěn)與中粗砂材料。建議使用相應(yīng)的工程技術(shù)機(jī)制，對(duì)滯留基層的徑流進(jìn)行及時(shí)排空，最大限度弱化凍脹的破壞問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：寒區(qū)河道工程；水凝膠透水材料；鋪裝構(gòu)造；抗凍脹

中圖分類(lèi)號(hào)：

TV85;TQ178

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號(hào)：

1001-5922（2024）01-0068-04

Application and performance analysis of hydrogel-coated permeable materials in river engineering in cold regions

ZAN Peng1，XIE Xinsheng2

（1.Slchuan Water Conservancy Vocational College，Chengdu 611830，China；

2.Sichuan University Slchuan，Chengdu 610065，China）

Abstract：With the improvement of people’s living standards，higher requirements are put forward for the improvement of river engineering.An important measure to extend the service life of permeable concrete pavement in cold regions is to achieve effectiveness in frost heave prevention design.Taking the actual project as the object，using the field test method，three kinds of leveling layer materials and base materials were set up respectively，and the frost heave resistance of river engineering in cold regions under different schemes was analyzed.The test results showed that permeable water-stable and medium-coarse sand materials could be used for the base and leveling layer materials of river engineering.It is suggested to use the corresponding engineering technical mechanism to timely drain the runoff of the retained base，and weaken the damage of frost heave to the greatest extent.

Key words：river engineering in cold regions;hydrogel permeable materials;pavement structure;anti-frost heave

近些年，我國(guó)城市化建設(shè)在不斷推進(jìn)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河道生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了更深遠(yuǎn)的影響。以往主要利用混凝土進(jìn)行大面積的鋪裝和澆注以恢復(fù)河道的生態(tài)系統(tǒng)，雖然對(duì)于河道的防洪、泄洪功能起到一定的提升作用，同時(shí)也對(duì)水體與周?chē)h(huán)境的生態(tài)關(guān)系人為的進(jìn)行了割裂，進(jìn)而帶來(lái)諸多的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。部分河道在此人工模式下導(dǎo)致生態(tài)功能基本喪失，對(duì)周?chē)h(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重破壞，而且很難進(jìn)行逆轉(zhuǎn)。為此，河道治理工程怎樣兼顧生態(tài)與水利價(jià)值，就成為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。目前生態(tài)透水砼鋪裝技術(shù)則是一種很好的兼顧舉措，在減少河道污染、補(bǔ)充地下水、減少雨水徑流等方面作用顯著，有助于對(duì)河道生態(tài)圈重構(gòu)，有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。本次研究立足于具體工程案例，深入剖析在不同找平層和透水鋪裝基層條件下透水鋪裝的抗凍性能，以期推進(jìn)寒區(qū)河道工程建設(shè)與發(fā)展。

透水鋪裝日益受到業(yè)界的關(guān)注，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：（1）具備良好的滲透特性，不透水的傳統(tǒng)鋪裝增加了集中強(qiáng)降雨時(shí)出現(xiàn)“城市看?！钡娘L(fēng)險(xiǎn)，而透水鋪裝可有效在雨天減少?gòu)搅?，減少道路積水；（2）透水鋪裝能夠吸附河道中的污染物，對(duì)地表污水起到一定的過(guò)濾作用，是降低污染物濃度的積極措施，有相關(guān)研究證明透水鋪裝對(duì)可溶性重金屬也有較好的吸附能力；（3）透水路面重新連接城市中的水循環(huán)，雨水可以通過(guò)透水路面滲入，補(bǔ)充地下水，保持土壤水分；（4）透水鋪裝的凹凸多孔結(jié)構(gòu)，還具備獨(dú)特的降噪、吸音作用，可吸收聲波、降低噪音分貝，改善城市噪音污染，營(yíng)造安靜舒適的生活環(huán)境［2-3］。

1 常見(jiàn)河道工程透水鋪裝材料和結(jié)構(gòu)

1.1 透水面層材料

充分掌握透水鋪裝材料的種類(lèi)和特性，是將其推廣到寒區(qū)河道工程建設(shè)中的基礎(chǔ)。常用的透水鋪裝面層材料有透水瀝青、透水砼、透水磚等；另外，鵝卵石鋪裝、嵌草磚等也是透水鋪裝的一種。

透水性水泥砼與瀝青是當(dāng)前較為相似的透水砼，只是因?yàn)樗褂玫哪z材料有所不同，使得他們?cè)谥瞥煞椒ㄉ嫌兄僭S的差別［4-5］。

透水砼主要構(gòu)成包括骨料、水泥、水、添加劑。前者主要為貝殼碎片、碎石等構(gòu)成，它們有著一定的強(qiáng)度；后者則主要為相關(guān)顏料或者外加劑等，它們通過(guò)混合的方式支撐多孔徑輕質(zhì)砼。透水性瀝青主要構(gòu)成材料包括添加劑、色料、石料、脫色瀝青等，這些材料基于一定溫度通過(guò)混合拌和支撐。這種材料的強(qiáng)度超過(guò)了透水水泥砼，應(yīng)用在寒區(qū)河道工程中更為廣泛。對(duì)于鋼渣透水瀝青而言，則是當(dāng)前創(chuàng)新的綠色材料，具體是將煉鋼形成的廢料用作骨料，將其摻入到透水瀝青中，不僅提升了集料的質(zhì)量，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)廢物重新利用；鋼渣瀝青從環(huán)保角度，顯然要比普通瀝青砼更好，在建設(shè)環(huán)保、節(jié)約型社會(huì)方面有著積極意義［6］。另外，通過(guò)檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)鋼渣瀝青的防滑性能更加突出。自然型透水材料有透水性木屑鋪裝、嵌草鋪地、卵石等。實(shí)際上國(guó)內(nèi)園林常?？吹铰咽伋尚÷?，不僅具有較高的美觀(guān)性，而且透水性強(qiáng)。不過(guò)這類(lèi)材料都有著自身局限性，例如從耐久性角度來(lái)看，要比透水磚差；雖然彩色砼大面積使用有著較高耐久性，但在審美方面存在著一定局限性。不同透水鋪裝用面層材料的性能特征如表1所示。

1.2 透水鋪裝結(jié)構(gòu)

一般的透水鋪裝結(jié)構(gòu)從下到上依次是由土基層、墊層、基層、找平層與面層組成，如圖1所示。

每層的厚度和主要作用不同，面層作為鋪裝結(jié)構(gòu)的表面，需要有較高的力學(xué)強(qiáng)度和耐摩擦性能，使用需要考慮河道工程的美觀(guān)性要求；面層透水性能對(duì)降雨的下滲有著顯著影響。目前寒區(qū)河道工程所使用的面層材料較多，在具體工程中，還要根據(jù)工程承載要求、材料的性能特點(diǎn)以及寒區(qū)的氣候條件等因素進(jìn)行綜合考量和選擇。承載力、材料模塊是決定面層厚度的主要因素，一般河道工程的面層厚度不低于4 cm［7-9］；找平層也被稱(chēng)為粘接層，在面層之下，在基層之上，其主要作用是幫助平整基層頂面，填平頂面的孔隙，與面層更好的接觸，便于面層的順利施工等。找平層作為中間層結(jié)構(gòu)，對(duì)河道或者路面下滲的雨水有一定的過(guò)濾、凈化效果，提升地下水的水質(zhì)，還能夠阻擋雜質(zhì)，避免基層的孔隙被輕易堵塞。找平層通常根據(jù)面層變化，如果面層采用的是小模塊鋪裝，那么使用干硬性砂漿、粗砂等作為找平層較為合適。如果面層采用的是整體鋪設(shè)，那么找平層就更適合采用級(jí)配碎石材料（小粒徑），以更好穩(wěn)定透水鋪裝結(jié)構(gòu)，提升結(jié)構(gòu)的承載力，一般河道工程找平層的厚度要求不低于3 cm；

基層分成半透水、透水基層。半透水基層基本不具備對(duì)下滲水的過(guò)濾、滲透作用，當(dāng)下滲雨水或河水到達(dá)半透水基層后，流向不再向下，而是側(cè)向流動(dòng)，通過(guò)排水設(shè)施排出。半透水基層所用的材料主要有水泥砼、砂礫等。透水基層則具備了良好的透水性、透氣性和保水性，能夠使雨水迅速下滲，可防止洪澇災(zāi)害。透水基層所用的材料主要有級(jí)配砂礫、多孔水泥穩(wěn)定碎石、透水水泥砼等。透水基層的構(gòu)建需要重點(diǎn)考慮孔隙率，才能保證其透水性和蓄水能力，而孔隙率的不斷增加，會(huì)影響到基層結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度［10］。為此，相比于透水基層，半透水基層的強(qiáng)度較高，區(qū)域承載力更大。墊層位于透水基層和土基層之間，可以對(duì)土基層溫度、水分進(jìn)行調(diào)節(jié)，適當(dāng)提升土基層的強(qiáng)度。另外，透水基層的孔隙率較大時(shí)，透水效果較好，墊層可一定程度上防范土基層水飽和，避免粘土顆粒上浮影響基層的透水性。墊層通常使用小粒徑中粗砂或者碎石等，需要從施工技術(shù)、土質(zhì)選擇等層面控制土基層質(zhì)量，確保其載荷能力與透水性［11］。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在北方寒區(qū)，河道工程透水鋪裝的建設(shè)難度和建成后的易損程度均顯著增加，這與混凝土本身的抗凍融性有一定的關(guān)聯(lián)，此外，基層與找平層材料也會(huì)對(duì)鋪裝的抗凍脹性能造成影響。

2.1 試驗(yàn)方案

按照透水砼鋪裝設(shè)計(jì)，在面層之下的找平層設(shè)定為3種，分別為砂質(zhì)找平層、干拌水泥找平層和石屑找平層。按照某地河道綜合治理實(shí)際工程 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鋪裝和試驗(yàn)。（1）中粗砂找平層：在透水砼面層之下直接鋪設(shè)4 cm左右厚的中粗砂即可；（2）干拌水泥找平層：采用400號(hào)普通水泥和普通河沙，以1∶3的比例配備為干拌水泥，在面層之下鋪設(shè)約5 cm厚［12-14］；（3）石屑找平層：石屑的來(lái)源廣泛且成本較低，是河道工程常用材料，在面層下鋪設(shè)6 cm左右。按照透水砼鋪裝設(shè)計(jì)，基層分別采用3種不同的材料，分別為透水水穩(wěn)材料、開(kāi)山混合料和透水級(jí)配碎石，其中要對(duì)透水級(jí)配碎石進(jìn)行篩選，去除小于0.075 mm和大于16 mm的集料。這3種材料的鋪設(shè)厚度均為30 cm，基層材料下均鋪設(shè)土工布；為便于對(duì)比研究，這3種基層上的找平層均為4 cm厚的中粗砂［15］。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

該河道工程中透水鋪裝完成后，對(duì)基層、找平層和周?chē)h(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，時(shí)間范圍為2021年12月10日至12月19日，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)共10 d。將試驗(yàn)結(jié)果均值用作最終測(cè)值，具體可參見(jiàn)表2。

由表2可知，不同試驗(yàn)方案下所得數(shù)據(jù)有著明顯差異，但也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性?；鶎雍驼移綄拥膭?dòng)態(tài)規(guī)律與環(huán)境溫度變化相似，不過(guò)變化程度隨著深度的增加而有所降低，時(shí)間上也呈現(xiàn)出滯后性。這意味著，深度可對(duì)透水鋪裝結(jié)構(gòu)的溫度變化產(chǎn)生明顯影響［16-18］。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)期間，找平層只出現(xiàn)一次凍融循環(huán)，基層則每天都有出現(xiàn)，由于基層出現(xiàn)頻次高，為此，需要將滯留其中徑流加速排空，從而規(guī)避凍脹破壞效應(yīng)。

2.2.2 不同找平層材料凍脹量試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)不同找平層試驗(yàn)方案，每3 d對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的凍脹量進(jìn)行1次測(cè)量，時(shí)間周期為1個(gè)月，獲得了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在找平層施工完成之后，第1次監(jiān)測(cè)就發(fā)現(xiàn)3種找平層都出現(xiàn)了顯著沉降，其中沉降量最大的是采用石屑材料的找平層，其次是干拌水泥找平層，中粗砂找平層的沉降最小。測(cè)量之后第9 d試驗(yàn)區(qū)發(fā)生降雪，由于降雪融水的滲入，透水鋪裝產(chǎn)生了凍脹現(xiàn)象，將徑流排空之后，透水鋪裝依舊有細(xì)微的沉降問(wèn)題，不久之后再次出現(xiàn)降雪，凍脹量再次提升。而且第2次要顯著超過(guò)第1次，這意味著透水鋪裝在凍脹效應(yīng)上存在著累加。根據(jù)不同試驗(yàn)方案，石屑材料的凍脹量最高，最小的為中粗砂［19-20］。

2.2.3 不同基層材料凍脹量分析

運(yùn)用和找平層相似的實(shí)驗(yàn)方法，每3 d完成凍脹量1次檢測(cè)，持續(xù)1個(gè)月時(shí)間，總共獲得了11次數(shù)據(jù)。據(jù)此得出不同基材下的凍脹量動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)。對(duì)其進(jìn)行分析可知，基層材料不同的凍脹量變化特點(diǎn)與找平層頗為相似，具體的分析就不再贅述。通過(guò)3種不同基層材料的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用開(kāi)山混合料基層的凍脹量最大，其次是級(jí)配碎石，最小的是透水水穩(wěn)材料。采用透水水穩(wěn)材料作為寒區(qū)河道工程的鋪裝材料，可在寒冷的天氣下保持較好的透水性能。

3 結(jié)語(yǔ)

透水鋪裝在現(xiàn)代城市建設(shè)中的應(yīng)用前景十分廣闊，合理選擇透水鋪裝結(jié)構(gòu)材料，是推進(jìn)寒區(qū)河道工程建設(shè)發(fā)展的重要措施。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析可知，透水砼進(jìn)行鋪裝使用時(shí)，溫度變化受到深度的影響；不同找平層材料和基層材料的凍脹量不同，可以?xún)?yōu)先選用中粗砂作為透水鋪裝的找平層，其次選擇石屑材料；對(duì)于基層則優(yōu)先選擇透水水穩(wěn)材料，其凍脹量最小。另外，基層出現(xiàn)凍融循環(huán)的頻次超高，在實(shí)際的河道工程中需要及時(shí)將滯留其中的徑流加快排空。

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