透水鋪裝材料濕物理性質測定

汪俊松，韓雪穎，張玉，張磊，孟慶林

(華南理工大學 建筑學院；亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣州 510640)

相比傳統下墊面高熱容量帶來的城市熱島惡化現象[1]，透水鋪裝除了能夠在降雨時段有效緩解徑流[2-3]，還能通過吸水蒸發過程，降低鋪裝表面溫度，進而改善室外熱環境[4-5]。中國南方地區夏季高溫多雨，利用被動蒸發降溫有很大優勢[6]。研究表明，透水鋪裝可在降雨時段內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指標值比普通不透水混凝土鋪裝小，最大差別達到4 ℃，有效降低了行人在戶外活動時被灼傷的可能[8]。透水鋪裝材料的滲透、吸水及保水性能是評價其綜合性能的基礎指標，從緩解徑流的角度，采用滲透系數這一濕物理性質參數即可進行評價[9]；但從蒸發降溫的角度，降雨后鋪裝材料的初始含水率是其蒸發降溫過程的重要初始邊界條件之一，而該指標與鋪裝材料的吸水率和保水率有關，國際上多采用吸水系數及真空飽和含水率[10]兩項多孔材料濕物理性質參數分別進行評價。

然而，鋪裝材料濕物理性質參數在中國嚴重缺失，部分產品出廠時也僅標注滲透系數。基于此，選取中國南方居住區常用的3種類型透水鋪裝材料：燒結陶瓷透水磚、普通混凝土透水磚和再生骨料混凝土透水磚，參考濕物理性質相關測試標準，采用真空飽和實驗測試了3種材料的真空飽和含濕量、并計算得出表觀密度及開放孔隙率；采用單面浸泡實驗測試了其吸水系數、毛細飽和含濕量；最后，對比分析了三者吸水、保水及滲透性能差異，以期完善透水鋪裝材料濕物理性質數據庫。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

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“TC”)、再生骨料透水磚(簡稱“再生磚”，代號“ZS”)和普通混凝土透水磚(簡稱“普通磚”，代號“PT”)，其中,陶瓷磚由陶瓷材料添加結合劑后，高溫燒結而成[11]；再生磚由建筑混凝土廢料經破碎后篩分，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

實驗前，將試件放置于溫度為105±5 ℃的鼓風烘干箱內，每隔24 h稱重，當連續3次稱重試件質量變化率不超過0.1%，且質量不呈單調變化時，則視為達到恒重，將烘干后的試件取出，記錄質量，然后置于實驗環境內穩定至常溫恒重，以排除溫度對實驗的影響。其他涉及到的實驗器材有：天平(SHIMADZU UX4200H型，分度值0.01 g，最大量程6.2 kg)、電子溫度計(精度±0.3 ℃，量程-40～500 ℃)、蒸餾水、量筒(2個，量程分半為2 000±10 mL、100±1 mL)、燒杯(2 000±200 mL)及自制實驗裝置等。

1.2 實驗方法

1.2.1 真空飽和實驗 真空飽和實驗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參數，可參考國際標準ASTMC 1699—09[14]。實驗通過真空箱內的內外壓差使放在其內的多孔材料孔隙內的氣體被全部抽出，然后向真空箱內注入蒸餾水，在內外壓差作用下，水分進入多孔材料內部，待開放孔隙全部被水填充后，通過水下稱重及出水稱重，計算出多孔材料的真空飽和含濕量。此外，該實驗還能測試出多孔材料的開放孔隙率和表觀密度等基礎物理指標。

為操作方便并縮短實驗時間，將透水材料均切割為100 mm×100 mm×60 mm的試件各3塊進行實驗。實驗環境控制為：空氣溫度20±1 ℃，相對濕度50%±2%，實驗裝置如圖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，然后放入密閉的真空箱中，降低真空箱內部氣壓至20 mbar以下，保持該壓力4 h，以便徹底排除試件孔隙內的空氣，保持真空箱內的低壓，向干燥器內緩緩注入蒸餾水(水溫20 ℃)，通過閥門調節進水速度，使液面上升速度保持在5 cm/s左右，當水面到達試件上方5 cm后，停止注水，保持試件在水下3 d后稱重。水下稱重時，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，在空氣中進行稱重(mwet，kg)，則按照式(1)～(3)計算材料的表觀密度ρ、真空飽和含濕量wvac及開放孔隙率φ。

(1)

(2)

(3)

式中：ρwater為實驗條件下水的密度，kg/m3。

圖2 真空飽和實驗裝置示意圖Fig.2 Vacuum saturation test device

圖3 單面浸泡實驗裝置示意圖Fig.3 Partial immersion test device

1.2.3 滲透實驗 滲透系數是衡量透水鋪裝材料滲流能力的重要指標，該指標遵循達西定律，通常采用常水頭進行測試[16]，計算式見式(4)。中國通常以15 ℃水溫為標準溫度，該溫度下的透水系數見式(5)。

(4)

(5)

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

滲透實驗參考《透水磚》(JB/T 945—2005)[9]進行，實驗裝置如圖4所示。將試件切割為200 mm×100 mm×60 mm試件各3塊進行實驗。將干燥的試件用密封膠密封，一共涂刷3次，每次間隔時間為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玻璃容器后放入真空箱內，抽真空至90±1 kPa，并保持30 min；在真空狀態下，將采用新制備的蒸餾水(水溫20 ℃)注入玻璃容器內，當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，以備實驗使用；把真空處理好的試件放入透水系數實驗裝置中，將蒸餾水緩緩倒入圓筒中。待溢流槽內的溢流量和透水圓筒的溢流量穩定后，用鋼直尺測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內的滲流量。

圖4 滲透實驗裝置示意圖Fig.4 Permeability test device

1.3 誤差分析

為衡量測試結果誤差，根據國際標準ISO 5725—1:1994[17]中關于重復性誤差的定義及參考相關文獻[18]的計算方法，采用平均相對標準差rs來描述測試結果的重復性誤差rsrepeatability及由材料不均一引起的誤差rsmaterial，rsrepeatability計算公式為

(6)

(7)

(8)

(9)

2 實驗結果及分析

2.1 真空飽和實驗

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，高于PT的1.15倍、TC的1.34倍，這是因為再生骨料表面包裹少許硬化水泥沙漿，而這這些沙漿表面粗糙、內部孔隙率大，有很強的保水能力。3組樣本測試的ZS、PT、TC的重復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，這是由于其在燒結過程中內部材料結構變化不均一導致的。

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)計算得到的3種透水材料孔隙率如圖6所示，結果仍為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次測試結果重復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，仍為其在燒結的過程中內部材料結構變化不均一導致的。

圖6 孔隙率Fig.6 Porosity

利用式(1)計算出的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組樣本結果平均值分別為：2 061.75、1 937.41、1 866.18 kg/m3，PT、ZS、TC測試結果的重復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，主要原因為該項指標通過水下稱重獲得，此種稱重方式干擾因素較小。

圖7 表觀密度Fig. 7 Apparent density

2.2 單面浸泡實驗

3種類型透水材料毛細吸水速率如圖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，經線性回歸得到3種透水材料的毛細吸水系數如圖9所示，TC、PT、ZS的3組樣本測試所得吸水系數平均值Aaverage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組樣本測試結果重復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%，測試誤差較真空飽和實驗數據大，這主要是由材料連通孔隙率的不均一性導致。

圖8 毛細吸水速率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穩定狀態，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階段擬合曲線聯合求解得到的3種透水材料毛細飽和含濕量如圖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的該項數據與真空飽和含濕量數據規律相反，主要原因是：毛細吸水主要受連通孔隙影響，而真空飽和狀態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，導致其毛細儲水能力較差，進而導致了毛細飽和含濕量的差異。

圖10 毛細飽和含濕量Fig.10 Capillary saturated moisture content

2.3 滲透實驗

3種透水材料滲透系數測試結果如圖11所示。其中，TC滲透系數最大、PT次之、ZS最低，TC、PT、ZS的3組樣本測試結果平均值分別為0.069、0.020、0.003 cm/s，表明ZS滲透性能最差。TC、PT、ZS的3組樣本測試結果重復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個樣本中，最大滲透系數可以達到0.094 cm/s，最小滲透系數0.044 cm/s，差異達2.14倍；PT的3個樣本最高值與最低值相差為2.30倍，再生磚為3.21倍，該結果表明，測試樣本個體差異較大，主要原因為滲透系數受孔隙迂回度、孔徑尺寸及開放孔隙率等多種因素影響[19]，考慮到透水材料實際制作過程較為粗糙，造成材料孔隙特征參數離散性較大，影響測試結果，由吸水系數測試誤差也可以獲得相似結論。

圖11 滲透系數Fig.11 Permeability coefficient

2.4 透水磚性能評價

透水鋪裝材料除了應具有良好的滲透性能以保證其在自身達飽和后能快速滲透雨水，避免產生徑流。此外，從蒸發降溫的角度來說，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候都處于飽和狀態，此時，良好的吸水性能保證其在降雨時間段內快速儲存更多的雨水。

從單面浸泡測試結果可以看出，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并不成正相關,如ZS雖然真空飽和含水率及開放孔隙率較TC大，但其吸水系數很低，造成了吸水速度較慢，無法在短時間內儲存較多雨水，故采用真空飽和含水率及開放孔隙率衡量磚體在實際環境的保水能力有一定缺陷，應在滿足滲透系數的前提下，結合吸水系數指標綜合考慮。

3 結論

1)通過真空飽和實驗測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%。上述測試結果中TC的變異性誤差較大，這是在燒結過程中內部材料結構變化不均一導致的。

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

3)通過滲透實驗測試了透水鋪裝材料的滲透性能，結果表明，TC滲透性能最優、PT次之、ZS最差，3組樣本測試結果平均值分別為0.069、0.020、0.003 cm/s，測試結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，不應單獨采用真空飽和含水率及開放孔隙率衡量磚體在實際環境的保水能力，應結合吸水系數、真空飽和含水量及滲透系數指標綜合決定。

參考文獻：

[1] QIN Y, HILLER J E. Understanding pavement-surface energy balance and its implications on cool pavement development [J]. Energy & Buildings, 2014, 85: 389-399.

[2] HUANG J, VALEO C, HE J, et al. Three types of permeable pavements in cold climates: Hydraulic and environmental performance [J]. Journal of Environmental Engineering, 2016, 142(6): 04016025.

[3] ALIZADEHTAZI B, DIGIOVANNI K, FOTI R, et al. Comparison of observed infiltration rates of different permeable urban surfaces using a cornell sprinkle infiltrometer [J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2016, 21(7): 06016003.

[4] YAMAGATA H, NASU M, YOSHIZAWA M, et al. Heat island mitigation using water retentive pavement sprinkled with reclaimed wastewater [J]. Water Science & Technology, 2008, 57(5):763-771.

[5] LI H, HARVEY J T, HOLLAND T J, et al. The use of reflective and permeable pavements as a potential practice for heat island mitigation and stormwater management [J]. Environmental Research Letters, 2013, 8(1): 3865-3879.

[6] SANTAMOURIS M. Using cool pavements as a mitigation strategy to fight urban heat island: A review of the actual developments [J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2013, 26(10): 224-240.

[7] PRATT C, MANTLE J, SCHOFIELD P. Porous pavements for flow and pollutant discharge control[C]// 5th International Conference on Urban Storm Drainage, Osaka, Japan, 1990.

[8] 金玲, 孟慶林. 地面透水性對室外熱環境影響的實驗分析[C]//中國建筑學會建筑物理分會.綠色建筑與建筑物理——第九屆全國建筑物理學術會議論文集(一),南京，2004: 128-131.

JIN L， MENG Q L. Experimental study on the effect of ground permeability on outdoor thermal environment [C]// Building Physics Branch of Chinese Architecture Society. Green Building and Building Physics - Proceedings of the 9th National Conference on Building Physics (1), Nanjing，2004: 128-131. (in Chinese)

[9] 透水磚: JC/T 945—2005 [S]. 2005.

Water Permeable Brick: JB/T 945-2005 [S]. 2005. (in Chinese)

[10] 馮馳. 多孔建筑材料濕物理性質的測試方法研究[D]. 廣州：華南理工大學, 2014.

FENG C. Study on the test methods for the hygric properties of porous building materials [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2014. (in Chinese)

[11] 成智文, 閆開放. 陶瓷透水磚的生產技術及發展前景[J]. 磚瓦, 2016(2):21-23.

CHENG Z W，YAN K F. Production technology and development prospect of ceramic permeable brick [J]. Block-Brick-Tile, 2016(2):21-23. (in Chinese)

[12] 王軍強. 再生骨料透水混凝土的強度和透水性能試驗研究[J]. 結構工程師, 2015(4):167-171.

WANG J Q. Testing study on the strength and permeable performance of recycled aggregate pervious concrete [J]. Structural Engineers, 2015(4): 167-171. (in Chinese)

[13] 王海燕, 劉華章. 混凝土透水磚的配合比設計、生產與施工[J]. 新型建筑材料， 2007(7):27-29.

WANG H Y，LIU H Z. Mix design, production and construction of concrete pervious brick [J]. New Building Materials, 2007(7): 27-29. (in Chinese)

[14] Standard Test Method for Moisture Retention Curves of Porous Building Materials Using Pressure Plates: ASTMC1699-09 [S].

[15] Hygrothermal performance of building materials and products - Determination of water absorption coefficient by partial immersion: EN ISO 15148:2002 [S].

[16] QIN Y, YANG H, DENG Z, et al. Water permeability of pervious concrete is dependent on the applied pressure and testing methods [J]. Advances in Materials Science & Engineering, 2015, 2015: 1-6.

[17]Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results - part 1: General principles and definitions: ISO 5725-1: 1994 [S].

[18] FENG C, JANSSEN H, FENG Y, et al. Hygric properties of porous building materials: Analysis of measurement repeatability and reproducibility [J]. Building & Environment, 2015, 85: 160-172.

[19] BENAVENTE D, PLA C, CUETO N, et al. Predicting water permeability in sedimentary rocks from capillary imbibition and pore structure [J]. Engineering Geology, 2015, 195: 301-311.