高聚物膠結碎石多孔材料透水性及堵塞試驗研究

譚慧明，丁寶楨，陳 佳

(1.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098)

多孔透水材料的多孔隙結構使得材料具有良好的透水性能，雨水可快速通過材料滲入地下，從而有效減小或消除城市暴雨引發的洪澇災害，使其在海綿城市的建設中發揮作用。目前工程界使用較為廣泛的多孔透水材料主要有透水混凝土和透水瀝青混合料。研究表明[1-6]多孔透水材料護岸在透水性、消波、抗洗掘及生態性方面均有較好的表現，然而對于多孔材料一個無法避免的問題就是隨著使用年限的增加孔隙會不斷堵塞。對于透水混凝土和透水瀝青，最常見的堵塞機制就是在使用過程中水體內存在懸浮顆粒，泥砂和碎屑造成多孔材料內孔隙的堵塞，隨著時間的推移這些顆粒會隨水流不斷進入孔隙，透水材料中的小顆粒逐漸積累堆積，堵住了透水通道。

Reiser[7]等根據堵塞發展過程的不同，將透水混凝土路面的堵塞分為2種類型：一類堵塞是少量沉積物持續或循環沉積的緩慢過程；另一類是快速堵塞過程。Deo[8]等研發了一種滲透裝置進行堵塞循環模擬試驗，每次堵塞循環開始時在試件上表面均勻地加入25 g砂粒,接著進行滲透試驗,如此循環至滲透系數維持在一個定值時結束試驗。崔新壯[9]等研發了一種與電導率測試相結合的實時滲透性測試系統，進行暴雨作用下透水混凝土路面快速堵塞試驗模擬，并且基于柯茲尼-卡曼方程得到了透水路面快速堵塞預測模型。

透水瀝青同樣具有堵塞問題，研究表明透水瀝青路面正常通車3～7 a后，透水能力降低至通車初期的50%左右[10-16]。與其他多孔透水材料類似，高聚物碎石材料在使用過程中必然會產生材料孔隙堵塞問題。趙舶汛等[17]對聚氨酯碎石透水路面實際施工配和比和不同膠粘劑用量下的強度、孔隙率及透水性進行了試驗研究。試驗結果表明：聚氨酯碎石透水路面具有孔隙率大、透水性好、抗折強度高等優點，但抗壓強度較低，一般不超過10 MPa。邵洪濤等[18]采用聚氨酯樹脂，拌入級配碎石后制得聚氨酯碎石透水路面。著重分析了聚氨酯樹脂的用量對聚氨酯碎石透水路面的孔隙率、抗壓強度和抗折強度的影響。然后討論了級配碎石的粒徑對聚氨酯碎石透水路面的抗壓強度、抗折強度和透水性能的影響。上述研究均主要側重于材料抗壓、抗折強度的相關影響因素討論，對材料的透水性能也僅僅討論了孔隙率與透水系數的關系，未研究材料堵塞機理和相關影響因素，缺乏對材料透水性能以及堵塞過程的深入研究。

本文通過室內試驗分析了骨料粒徑與種類、用膠量等因素對高聚物膠結碎石多孔材料透水性能的影響，并且具體給出了其透水系數與上述因素之間的關系。通過堵塞實驗分析水中砂顆粒對其孔隙的堵塞作用，給出了堵塞過程中四個階段的剩余透水百分比變化規律，最后通過測量去除表面堵塞物后材料的剩余透水百分比給出一種行之有效的減緩堵塞的手段。

1 高聚物碎石材料透水性能試驗研究

1.1 透水系數的測量

(1)

式中：KT為水溫T°C時的透水系數,cm/s；Q為t秒內的滲出水量，mL；L為試件的厚度,cm；H為水位差,cm；t為測定時間,s；A為截面面積,cm2。

本文透水性試驗試件使用D=7.5 cm、H=20 cm的PVC管澆筑的圓柱體試件，試驗儀器采用自制的滲透試驗儀器(如圖1-a所示)。實驗儀器示意圖如圖1-b所示。

1-a 實物圖 1-b 示意圖

1.2 孔隙率的測量

多孔材料的孔隙率是指多孔介質中孔隙的總體積與材料的表觀總體積的比值，多孔介質的孔隙率可分為有效孔隙率和總孔隙率，有效孔隙率是指多孔介質內相互聯通的微小孔隙的總體積與該多孔介質的表觀體積的比值，總孔隙率則是指材料內部所有孔隙的體積與表觀體積的比值，而對于多孔材料中的閉口孔隙對透水性能并無影響，故本文測定的孔隙率為有效孔隙率，測量采用質量體積法。按下式計算試件的孔隙率θ(精確到0.01%)

(2)

式中：V為試件的體積，cm3；ρw為水的密度，g/cm3；m1為試件在自然狀態時的重量，g；m2為試件浸水飽和狀態下在水中的質量，g。

1.3 實驗材料及方案

采用的聚氨酯材料由A型與B型兩種材料快速攪拌混合而成(混合時間約1 min)。其中A型材料是膠結材料，較粘稠；B型材料為固化劑，易在空氣中發生氧化反應。再生骨料由建筑廢棄物破碎而成，經人工篩分，取粒徑5～10 mm、10～20 mm和20～31.5 mm的骨料。碎石采用粒徑小于31.5 mm的普通碎石，經人工篩分，選取5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm的碎石使用。級配碎石為以5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm三種粒徑碎石按質量比為1:2:1的比例人工配制而成。

透水實驗目的是研究孔隙率、用膠量、骨料粒徑以及骨料種類對透水系數的影響，試驗采用5～10 mm粒徑的高聚物碎石材料，保持其他條件相同的情況下，分別設置3%、4%、5%、6%4個用膠量實驗組次，還設置了再生骨料實驗組以及10～20 mm、20～31.5 mm和級配三種碎石形態的高聚物碎石材料實驗組，分別測量不同組次試樣的孔隙率，然后采用常水頭法測量了各組次試樣的透水系數。需要說明的是普通透水材料的總孔隙率在15%～30%，本文通過控制碎石骨料粒徑和用膠量，得到有效孔隙率40%以上的大孔隙高聚物碎石透水材料，透水系數普遍達到或超過2 cm/s，在持續暴雨環境中有更強的排水能力。

1.4 試驗數據分析

1.4.1 各試樣透水系數

采用上述方法分別測量各試樣的孔隙率，然后將試樣裝入儀器，測量其透水系數，注意測量透水系數前通水1 min以上以排出試樣中的氣泡。測量得試樣的孔隙率及透水系數如表1。

《2018-2022年全國干部教育培訓規劃》強調：著力培養又博又專、底蘊深厚的復合型干部，使之做到既懂經濟又懂政治、既懂業務又懂黨務、既懂專業又懂管理。黨的十九大報告指出：人與自然是生命共同體，生態文明建設功在當代、利在千秋。建設生態文明是中華民族永續發展的千年大計，是實現中華民族偉大復興中國夢的題中之意。黨校在生態文明建設中要不遺余力、積極作為，為培養造就忠誠干凈擔當的高素質專業化干部隊伍不懈努力。

表1 各試樣透水系數

1.4.2 透水系數的影響因素

(1)用膠量。

根據上述測量結果，對比5～10 mm粒徑的高聚物碎石材料的透水系數與孔隙率之間的關系(圖2)。從圖中可以看出，在其他條件相同的情況下，高聚物碎石材料的透水系數隨孔隙率的增加而增大，孔隙率最大增加了12.38%，透水系數增大了23.46%。隨著用膠量的增大，更多膠液包裹在碎石表面，增加了碎石顆粒的體積，占用了更多孔隙空間，導致了孔隙率的減小，進而引起透水系數的減小。如圖3所示，隨著用膠量的增加，透水系數先緩慢下降然后加速降低，使用5%的用膠量，孔隙率為32.14%時，相比于6%的用膠量，僅僅增加1%的用膠量，透水系數減小了13.83%。這是由于隨著用膠量的增加，較小透水通道上的附著膠液趨于飽和，附著在主要透水通道的膠液量變多，而主要透水通道對透水系數影響較大，因此其透水系數表現為先平穩下降，然后快速下降。

圖2 透水系數與孔隙率關系曲線

(2)粒徑大小。

分析2、7及3、8試樣，碎石材料的透水系數與孔隙率關系如圖4所示，顯然隨著顆粒粒徑變大，試樣中的透水通道也在增大，高聚物碎石材料的孔隙率和透水系數也在增大，對比4%用膠量5～10 mm、10～20 mm碎石的孔隙率和透水系數發現，兩者孔隙率僅相差1.8%，而透水系數卻相差21.5%，而5%用膠量5～10 mm、20～31.5 mm碎石兩者的孔隙率僅相差1.96%，而透水系數更是相差了24.5%，這可以理解為粒徑較大的碎石材料其主要透水通道更大，且有更多透水通道相互連通在一起，大大增加了其排水速率。由表1數據可以看出，采用6%用膠量的級配碎石試樣的孔隙率與采用5%用膠量的20～31.5 mm碎石的試樣孔隙率相差僅為2.67%，其透水系數相差達16.9%。由于級配碎石有較大的粒徑范圍，各種粒徑的顆粒相互填充，孔隙能夠被充分填充，相比粒徑較大時所形成的透水通道更加細小，水流通過透水通道時的阻礙更大，因此透水系數下降較大。

圖4 碎石粒徑與孔隙率、透水率關系

(3)骨料種類。

由圖5可知，在同樣5%用膠量5～10 mm粒徑的情況下，采用再生骨料的試樣孔隙率比采用碎石的試樣大12.65%，透水系數大了36.17%。這種巨大的差異是兩種骨料不同的微觀特性導致的。試驗中5～10 mm粒徑的再生骨料為建筑垃圾破碎而成，表面有很多細微的小坑，凹凸不平，這樣的微觀結構使得其表面積比普通碎石的表面積更大，包裹所需要的膠液更多。此外，在膠液包裹骨料的過程中，一部分膠液填充了再生骨料表面凹凸的小坑。因此在同樣的用膠量下，再生骨料的高聚物碎石材料中填充骨料間孔隙的膠液的量就比使用普通碎石的高聚物碎石材料的少，其測得的透水系數要比再生骨料高聚物碎石材料小得多。

圖5 兩種不同骨料的高聚物碎石材料的孔隙率與透水系數差異

2 高聚物碎石材料堵塞試驗研究

2.1 堵塞試驗方案

(1)堵塞物。堵塞實驗中選用級配砂作為堵塞物，使用500 g砂做顆分試驗，其各直徑篩選數據如表2所示。由篩分數據采用內插法計算的級配砂的d10、d30、d60分別為0.125 2、0.200 6、0.434 4。

表2 級配砂篩分表

圖6 級配砂顆粒級配曲線

(2)試驗步驟。堵塞試驗多次循環加砂的方式模擬現實中的堵塞，每組試樣循環35次，每次投入砂5 g，每次循環的具體步驟如下：關閉出水閥門，調整水位線到初始刻度線；將5 g砂倒入有機玻璃筒中，靜置1 min；打開出水閥門，同時在注水口加水，使水位保持在刻度線不變，待出水口水流不再渾濁后接水并計時，記錄時間及所接水的質量。

記第x次堵塞循環后的透水系數為kx，試件的初始透水系數為k0，可以得到試樣的剩余透水百分比S，這一無量綱數據可以衡量堵塞前后的透水性降低的幅度，剩余透水百分比S計算公式如下

(3)

2.2 試驗結果分析

在堵塞的情況下，高聚物碎石材料的透水性發生了顯著的下降。試驗以級配砂作為堵塞物時的5～10 mm粒徑的不同孔隙率的高聚物碎石材料透水性能變化來分析該材料的堵塞性能。級配砂堵塞試樣參數如表3所示。

表3 級配砂堵塞試驗試樣參數

試驗每次循環加砂后，通水初期一部分粒徑較小的砂會被水沖出，還有一小部分會沉留在試驗儀器的底座凹槽中，但絕大多數會在試樣上形成砂層堆積。試樣上表面的砂堆積如圖7所示，隨著加砂量的增加，試樣上表面的堆積砂量也逐漸增多，先是少量堆積，然后是大部分被砂層覆蓋，僅留主要透水孔洞，到最后上表面全部被砂層覆蓋。

7-a 未覆蓋 7-b 部分覆蓋 7-c 完全覆蓋

對于5～10 mm粒徑碎石的高聚物透水材料，不同孔隙率的試樣透水系數隨循環次數的增加而有規律地變化。在使用級配砂作為堵塞材料的情況下，不同孔隙率的5～10 mm粒徑高聚物碎石材料的透水系數均隨著堵塞物數量的增加而降低，最終在0.37 cm/s附近達到相對穩定。

圖8 級配砂堵塞試樣的剩余透水百分比變化

透水系數的下降速度也表現出先慢后快再慢再快，最后趨于穩定，這與試樣上表面砂的堆積形態具有對應關系。開始加砂至上表面出現堆積為第一階段，這時試樣內的孔隙逐漸被堵塞，透水系數表現為平緩地下降；表面開始堆積至上表面大部分被砂覆蓋，僅留主要透水孔洞，此時為第二階段，該階段試樣中的狹小孔隙開始大量被堵塞，透水系數出現第一次較快地下降，此過程的剩余透水百分比下降幅度約占40%～50%，是四個階段中透水性能失效最快的階段；之后進入第三階段，試樣中孔隙較大的主透水路徑相對不易被堵塞，該階段隨著加砂的增加，透水系數表現為緩慢地下降；待主要透水孔洞也開始被堵塞，進入透水系數第二次較快下降的第四階段，主要透水孔洞堵塞后，試樣上表面形成一層砂層，透水系數便開始趨于穩定。

在簡單除去上表面覆蓋的砂后，重新測量各試樣的透水系數，并計算剩余透水百分比，數據如表4所示。各試樣的剩余透水系數百分比S均達到60%以上，各試樣的透水系數得到極大地恢復。由表4可知，27.85%、32.14%、36.50%和40.23%孔隙率試樣的最終剩余透水百分比分別為21.01%、18.48%、17.70%和16.71%，孔隙率與剩余透水百分比成反比，究其原因是較大的孔隙率使得材料上表面堵塞砂中相對較大的粒徑也能夠進入材料孔隙內部，從而加劇了堵塞。

表4 級配砂堵塞試樣除去上覆砂后的透水性

由以上數據可知，測量得到的最終透水系數并非試樣孔隙被堵塞后的實際透水系數，這一數據受到上覆砂層的很大影響。此外，從除去上覆砂前后的剩余透水百分比也可推斷出，在實際應用中通過及時清除材料表面的堵塞物就可以極大地減緩材料的堵塞，減緩透水性失效的速度。

3 結論

(1)高聚物碎石材料的透水系數隨其孔隙率的增加而增大，隨用膠量的增加，膠液占用了更多的孔隙空間，透水系數和孔隙率逐漸減小。隨著顆粒粒徑變大，透水通道逐漸增多，高聚物碎石材料的孔隙率和透水系數也在增大。采用再生骨料的試樣孔隙率和透水系數均比采用碎石的試樣大，這是因為再生骨料表面有許多小坑，比表面積較大，要與碎石材料達到相同的透水效果需要更多膠液包裹碎石填充孔隙。高聚物碎石材料透水性能的實質影響因素就是材料中孔隙大小、多少與組成形態共同決定的，孔隙越大越豐富，相對應的透水性能也更好，孔隙形態越有利于水的排出，透水性也越好。

(2)級配砂的堵塞主要分為四個階段，第一階段表現為隨著加砂量的增加，這時碎石材料內的孔隙逐漸被堵塞，透水系數表現為平緩的下降；進入第二階段后，上表面大部分被砂覆蓋，碎石材料中的狹小孔隙開始大量被堵塞，透水系數出現第一次較快地下降；進入第三階段后，由于碎石材料中孔隙較大的主透水路徑相對不易被堵塞，隨著加砂的增加，透水系數表現為緩慢地下降；進入第四階段后，主要透水孔洞幾乎被完全堵塞，透水系數出現第二次較快地下降，碎石材料上表面形成一層砂層，透水系數便開始趨于穩定。透水系數最大減小了約80%，嚴重影響使用效果，必須采取應對措施。

(3)水中砂顆粒對試樣內部孔隙堵塞較小，在除去碎石材料表面覆蓋的砂層后，材料的透水系數得到極大地恢復，最多約可恢復至原來的80%，因此及時清除材料表面的堵塞物就可以極大地減緩材料的堵塞，減緩透水性失效的速度。