透水塊材專利技術分析

米嬋娟，王 濤

（國家知識產權局專利局，北京 100088）

近些年，由于采用傳統不透水路面而導致的城市內澇現象引發了人們的關注，越來越多的城市道路、公共廣場工程都選擇使用具有透水性能、能夠快速消除積水現象的透水塊材進行鋪裝。透水塊材是鋪設于市政人行道、園林景觀小徑、非重載路面廣場等場合，透水性能滿足要求的透水路面磚和透水路面板的簡稱[1]。作為一種綠色環保的新型建材產品，透水塊材不僅具有良好的透水性和保濕性，而且可以調節城市小氣候，緩解城市熱島效應，對創建資源節約型建筑產業具有重要的意義[2]。文章針對國內外透水塊材領域的專利申請進行專題檢索，對相關專利技術進行整理歸納分析，并選取各時期具有代表性的專利技術進行簡單介紹。

1 數據采集

文章以中國專利數據庫以及外文專利數據庫為采集源（截至檢索日期2022年5月14日），以E01C5為IPC分類號，“滲水”“透水”“磚”“面板”“塊材”“permeable”“paver”“brick”“flag”“block”“slab”等為關鍵詞進行檢索，對獲取結果進行篩選整理，共得到中文專利文獻（含發明和實用新型）3 086篇，外文專利文獻647篇。

2 結果分析

2.1 國內專利申請

2.1.1 申請量

檢索結果顯示，在20世紀90年代，中國透水塊材相關專利僅有零星申請，絕大部分申請都集中在2000年以后。圖1顯示2000—2021年的申請量變化趨勢，需要說明的是，由于2021年的部分專利申請處于未公布階段，因此，2021年的數據存在偏差。

圖1 2000—2021年申請量趨勢

從圖1中的申請量趨勢可以看出，中國在透水塊材方面的研發生產從2000年開始起步，但在2010年以前基本處于萌芽階段，申請量很低。2010年以后申請量呈現增長趨勢，在2015年、2016年有大幅上升，并在之后的幾年一直延續高量申請。這種趨勢分布與中國透水塊材應用研發歷史也是相符合的。隨著不透水路面弊端的不斷顯露，人們對“城市熱島”、城區地下水“漏斗”現象的重新認識，透水鋪裝作為一種解決問題的手段在2000年之后開始得到發展和應用。2010年，由中國建筑材料聯合會提出，中國建材西安墻體材料研究設計院、路橋集團國際建設股份有限公司、中國建筑砌塊協會、中國建材咸陽陶瓷研究設計院共同起草了中華人民共和國國家標準《透水路面磚和透水路面板》（GB/T 25993—2010）。2015年10月，國務院辦公廳印發《關于推進海綿城市建設的指導意見》（國辦發〔2015〕75號），提出了通過加強城市規劃建設管理，充分發揮建筑、道路和綠地、水系等生態系統對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實現自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發展方式。這些國家標準、方針政策的頒布和實施有力地促進了透水塊材技術的發展，由此在2015年后關于透水塊材的申請量大幅增長。

2.1.2 專利類型及法律狀態

在3 086件中國專利申請中，發明專利申請1 500件，占比49%，實用新型專利申請1 586件，占比51%。由于實用新型專利是未經實質審查而授予的專利權，授權率高但法律穩定性較差，而發明專利權相對而言有著更高的穩定性，也更能體現技術價值。經統計，在上述發明專利申請中，除去處于公布狀態仍未審結的申請，處于專利權維持狀態的案件率約為百分之三十。這也從一個角度說明，在透水塊材領域還存在技術含量偏低的問題，在技術研發方面還有很大提升空間。

2.1.3 重點申請人及專利技術分析

除去失效、駁回以及撤回的申請，在剩余的申請中，申請量排名靠前的申請人包括廈門美益綠科技有限公司、玉溪碩龍科技發展有限公司、福州大學、北京仁創科技集團有限公司、廣西四通建材股份有限公司、昆山通海建材科技有限公司、阜陽市鑫源建材有限公司、浙江大學等。可以看出，主要申請人集中在建材科技公司和高校，也是創新研發的主力。

透水塊材相關專利申請的技術方案主要集中在2個技術分支，一是透水塊材結構，二是透水塊材材料。表1示出了透水塊材結構技術分支各時間段的代表性專利。

表1 結構技術分支代表性專利

縱觀透水塊材結構方面的相關專利可以看出，對于結構上的創新和改進，基本都是通過在基層內部設置排水通道，從表層滲透下來的雨水順著排水通道進行排水，從而使雨水不會積于道路表面而是滲入基層。之后，為了解決灰塵、路面污染物等堵塞透水空隙，使透水鋪裝透水性能下降的問題，出現了在排水通道內設置對雨水起過濾作用的過濾裝置從而使透水塊材具備截污和自潔功能的技術方案。隨著技術的發展，又出現了同時具備蓄水-透水功能的蓄透水磚，即先將雨水截留以備熱天降低地面溫度、減少熱島效應，再將多余的雨水排走以避免地面積水的先蓄水后透水的路面塊材。另外，在排水通道的結構、布置上也都有了更多形式、更多功能的改進。

表2為透水塊材材料技術分支各時間段的代表性專利。

從相關專利可以看出，透水塊材的制備材料一般選用廢瓷片、鋼渣、工業冶煉廢渣、建筑固廢、尾礦渣、硅砂等為主要原料經各類成型工藝制成。各技術方案圍繞如何進一步優化透水塊材性能做了一系列改進，比如采用對砂基透水磚進行微波固化、對硅鈣渣進行熱活化處理、在骨料中引入可溶性鹽等技術手段提高透水塊材的透水性能、抗壓強度、耐久性等。除了透水性、強度等基本性能，在其他性能方面也有相應的創新和發展，比如采用鐵鋁酸鹽水泥混凝土并加入沸石以提高透水磚吸附重金屬污染物性能，使用含有疏油疏水性能的黏結劑以將油污經透水磚內部通路快速排走，通過原位負載的方法使納米光催化劑直接生長，在透水磚的孔隙內以自動降解空氣中的有害氣體，增加一層特殊工藝制備的面料層從而提高透水磚的耐污和易清潔性，選用彩色陶砂或陶瓷粉作為面層骨料提高面層著色效果，在面層上涂敷高反射涂料層以改善室外熱環境等。另外，還開發了一些具有地域特色的原材料，例如河道淤泥、油頁巖半焦等。

2.2 國外專利申請

2.2.1 申請量

圖2為國外申請1980—2020年的申請量變化趨勢圖。在20世紀80年代，國外便開始了透水塊材相關技術的研發與應用，1990年之后進入了穩步發展階段，在2000年前后申請量達到高峰，之后持續相對穩定但整體處于下降的狀態。可見，國外透水塊材技術的起步和應用都早于中國，在2000年之后技術已經趨于成熟。

2.2.2 專利國別

圖3示出了按專利國別統計排名比較靠前的國別分布及數量百分比。可見，日本申請的數量最多，約占到了總量的一半。眾所周知，日本常年夏季多雨，由于獨特的地形條件以及人均水資源的匱乏，日本對水資源的再利用、城市防洪抗災和城市排水系統等方面從很早就開始進行技術研究及發展[3]。韓國和美國也是申請量相對較多的國家。“低影響開發”理念就是在1990年由美國馬里蘭州喬治王子郡環境資源署提出的，而韓國的首爾為改變區域性水循環惡化，提出的解決方案之一就是分階段將路邊人行道和停車場的不透水地磚更換為透水地磚。這些國家在透水塊材領域技術的先進性也體現在了專利申請量上。

2.2.3 重點申請人及專利技術分析

經統計，國外專利申請人排在前列的絕大部分為日本企業，如太平洋水泥株式會社、東麗株式會社、住友大阪水泥株式會社、伊奈株式會社、佐藤道路株式會社等。下面仍從2個技術分支展示透水塊材領域相關的代表性專利。

表3為結構技術分支各時間段的代表性專利。表4為材料技術分支各時間段的代表性專利。從相關專利技術也可以看出，國外的相關技術方案更注重在細節上的改進，比如調整排水通道的形狀、布置方式以及布置位置從而使雨水更加迅速持續導出，通過調整骨料配合比或者骨料形狀使透水塊材達到最優的骨料空隙率、空隙形狀以及空隙形態從而提高透水塊材各項性能。還提出了很多具備除基本功能外其他功能的技術方案，比如在塊材表面形成以氧化鈦為主成分的覆膜減少道路上存在的氮氧化物，在下層部形成混合手工礦渣和木炭的環境層，從而有助于土壤的中和微生物的生長發育，并且能夠實現雨水的凈化，在頂部形成夜光透水性層，從而可以美學地呈現夜間的外觀等。從原材料方面，也提出了諸如鑄件廢砂、牡蠣殼等廢棄物再利用的方案。

表3 結構技術分支代表性專利

表4 材料技術分支代表性專利

3 結語

透水塊材作為一種綠色環保建材已經得到廣泛應用，國內外對透水塊材相關技術也都進行了相當深入的研究。目前，透水塊材在中國還保持著良好的發展勢頭，技術研發日趨活躍，實踐應用日益廣泛，在結構和材料技術改進等方面均有較大進展。而在優化透水性能的同時，如何進一步提高其力學性能或其他功能方面成為研發熱點，這些新技術的發展將使透水塊材在海綿城市建設中發揮更大作用。