基于低影響開發的透水鋪裝材料制備及應用

□文/劉 超 畢 宇 楊 旭

隨著城市化進程的快速發展，越來越多的自然地表被建筑和硬化地表所代替，綠化面積的大幅減少和不透水區域面積的激增使得降水無法回滲到土壤，誘發了水體污染、城市內澇、熱島效應等一系列的城市環境問題；理論上可采用工程性（如滯留池、滲透設施、人工濕地、生物過濾和停留系統等）并輔之以非工程性（如土地使用規劃、垃圾管理、街道清掃等）的措施來緩解因城市化進程帶來的環境問題。20 世紀90 年代末美國提出一種新的雨水管控理念——低影響開發（Low Impact Development）進行暴雨管理，其強調源頭處理的模式，以將城市的水文環境還原到未開發的狀態為目標。基于此，近年來我國提出了“海綿城市”的城市雨洪管理概念并在全國多個城市建立試點，實踐成果顯著[1～2]。

“滲、滯、蓄、凈、用、排”是實現低影響開發的主要環節和關鍵因素，“滲”作為整個體系的第一個環節起著至關重要的作用，目前采用的方法是透水鋪裝，常見的透水鋪裝材料有透水瀝青混凝土、透水水泥混凝土、透水磚[3～4]。

不同透水鋪裝材料在實際應用時又存在著各自的問題：透水瀝青混凝土在施工時需要高溫加熱拌和，能耗高且有刺激性氣味；透水水泥混凝土在施工時有揚塵；這都與現階段綠色施工要求不符，應用受到限制。透水磚施工時基礎采用河砂找平，使用期間由于雨水的滲透、沖刷作用，找平層會被破壞，導致路面不平或者磚塊滑脫，影響正常使用。聚氨酯膠水為無溶劑型雙組分聚氨酯材料，以其為膠黏劑制備透水路面鋪裝材料，在施工時不會有揚塵和刺激性氣味且由于施工采用整體鋪裝，保證了施工效果的功能性和美觀性。

1 樣品制備及檢測結果

1.1 原材料

1）巴斯夫聚氨酯膠水，A、B組分各一桶。

2）石子，粒徑3～5 mm。

1.2 制備方法

1.2.1 試驗設計

通過查詢文獻及咨詢聚氨酯樹脂生產廠家，初步確定聚氨酯膠水摻量范圍為3%～4%[5]。采用單一變量法，石子用量不變，聚氨酯膠水摻量試驗梯度為0.1%，共10個對照組，依據GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》指標要求，試塊尺寸為200 mm×100 mm×60 mm，劈裂抗拉強度、透水系數及耐磨性，每項指標制備3 塊，檢測結果取算數平均值，因此，共需制備試塊90塊。

1.2.2 樣塊制備

準備小型攪拌機、電子稱、抹子、插搗棒、稱料容器、模具等試驗設備并按以下工藝制備試塊：

1）將膠水A∶B=100∶85混合，攪拌1 min待用；

沙溝內地形陡峻，分布中志留系統韓家店組頁巖，巖性軟弱、風化強烈，為區域易滑地層，溝內滑坡、崩塌、坍塌等不良地質現象十分發育(圖2)，為泥石流的形成提供了豐富的松散固體物質來源。經野外勘查，溝內共有滑坡2個，崩滑體10個，崩滑堆積物源總量8.31×104 m3；溝內還堆積了豐富的溝道沖洪積體，體積2×104 m3，坡面強風化頁巖體積11×104m3。物源總量為21.31×104 m3，其中可參與泥石流活動的動儲量為10.2×104 m3(表2)。

2）按試驗分組依次稱取石子10 kg，分別摻入聚氨酯膠水 0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39、0.40 kg；

3）將石子與膠水混合攪拌3～5 min；

4）將混合料倒入模具，分層插搗成型，表面用抹子按壓抹平；

5）24 h后拆模。

1.3 檢測方法

按照GB/T 25993—2010 規定的檢測方法，對樣塊的裂抗拉強度、透水系數及耐磨性進行檢測。

1.4 檢測結果

檢測結果見表1。

表1 樣塊檢測結果

2 試驗數據分析

依據表1，使用origin軟件繪制聚氨酯膠水用量與劈裂抗拉強度、透水系數的關系，見圖1。

圖1 聚氨酯膠水用量對劈裂抗拉強度、透水系數的影響

2.1 聚氨酯膠水用量對劈裂抗拉強度的影響

隨著聚氨酯膠水用量的增加，試塊的劈裂抗拉強度增加。

區別于傳統透水混凝土的強度增加方式，本試驗樣塊的強度主要是依靠聚氨酯膠水的熟化程度。骨料之間的連接方式是點連接，隨著聚氨酯樹脂用量的增加，骨料間點與點之間的連接得到加強，甚至會出現面連接的情況，從而增加了試塊的劈裂抗拉強度。

2.2 聚氨酯膠水用量對透水系數的影響

隨著聚氨酯膠水用量的增加，試塊的透水系數呈現遞減趨勢且在3.6%～3.8%之間出現急劇減小的情況。

造成這種現象的原因有兩個：一是由于聚氨酯膠水用量的增加，試塊結構內連通孔隙的數量有所減少；二是聚氨酯膠水用量超過某一限值時出現流掛、結皮現象。

2.3 聚氨酯膠水用量對耐磨性的影響

聚氨酯膠水用量的增加在3%～4%范圍內對樣塊的耐磨性的影響不大，其主要因素來自骨料自身的強度指標。

2.4 聚氨酯膠水合理摻量的選擇

通過分析圖1，綜合考慮聚氨酯膠水用量增加對試塊劈裂抗拉強度與透水系數的影響，確定合理的摻加范圍介于3.6%～3.8%之間。重新制備樣塊，綜合考慮現行標準要求及成本因素，最終確定聚氨酯膠水的摻量為3.7%。

3 應用分析

3.1 氣候條件

3.1.1 降水量

我國年平均降水量總的分布趨勢是由東南向西北逐漸減少。就干旱地區而言需從技術、經濟角度綜合制定透水路面的設計與實施方案并充分評估其可行性。本文制備的透水路面材料，透水系數遠高于標準值，可應用于我國大部分區域，尤其是年平均降水量較高的地區。在設計方案時可以采取增加厚度的方式增加滲透路徑，可短時間蓄水。保證雨水順利下滲、路面不致出現積水和徑流現象[6～8]。

3.1.2 溫度

我國建筑氣候分區眾多，大致可分為嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區。因此，環境溫度對透水鋪裝材性能的影響需引起重視，尤其是抗凍性能。通過抗凍性能測試，本文制備的透水鋪裝材料在35 次凍融循環后質量損失為0，強度損失17%，具有較高的抗凍性能[9]。

3.2 地質條件

考慮到透水鋪裝材料為多孔材料，作為路面使用時，其基礎最好為砂性土地基，粉土和飽和度較高的黏性土不適宜，施工前需進行必要的加固處理。根據地質條件的不同，本文制備的透水鋪裝材料在實際應用中可以通過全透水結構和半透水結構來實現。全透水結構是在砂性土地基上直接鋪設，半透水結構是指在非砂性土地基加固后進行鋪設施工[10～12]。

3.3 場址屬性

城市按區域功能的不同可分為工業區、商業區、文教區、住宅區、觀光區等。重工業區空氣懸浮物多，重載車輛使用率高，不適宜修建透水路面。透水路面最宜建在空氣質量與環境衛生較好及車輛使用率低的文教區、住宅區和觀光區。透水鋪裝在“雨水花園”中的應用極具推廣價值，作為一種雨水處理設施，雨水花園是在低洼區域種植特定種類植物，通過土壤與植物的過濾作用凈化雨水并最終將雨水暫時滯留滲入地下或利用溢流裝置排出以減少地表徑流[13]。

4 結論

1）本文制備的透水路面鋪裝材料的聚氨酯膠水的最佳摻量為3.7%，透水系數可達25.3×10-2cm/s，劈裂抗拉強度、耐磨強度等指標通過國家現行標準檢測，具備推廣價值，后續將針對現場施工工藝進行編制及優化。

2）結合材料性質以及透水鋪裝選址所需的氣候、地址、場址性質等因素綜合考慮，本文制備的透水鋪裝材料適合用在城區的商業區、文教區、住宅區、觀光區等并結合低影響開發的其他技術手段，最大限度發揮其作用。