水凝膠包裹的透水材料在寒區河道工程中應用及性能分析

摘 要：隨著人們生活水平的提高，對河道工程的完善提出了更高要求，提升寒區透水混凝土鋪裝使用時間的重要舉措就是在防凍脹設計上做到有效性。將實際工程作為對象，利用現場試驗方法，分別設定3種找平層材料和基層材料，分析不同方案下寒區河道工程的抗凍脹性能。試驗結果顯示，河道工程基層與找平層材料可使用透水水穩與中粗砂材料。建議使用相應的工程技術機制，對滯留基層的徑流進行及時排空，最大限度弱化凍脹的破壞問題。

關鍵詞：寒區河道工程；水凝膠透水材料；鋪裝構造；抗凍脹

中圖分類號：

TV85;TQ178

文獻標志碼：

A文章編號：

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，我國城市化建設在不斷推進，人類活動對河道生態環境帶來了更深遠的影響。以往主要利用混凝土進行大面積的鋪裝和澆注以恢復河道的生態系統，雖然對于河道的防洪、泄洪功能起到一定的提升作用，同時也對水體與周圍環境的生態關系人為的進行了割裂，進而帶來諸多的生態環境問題。部分河道在此人工模式下導致生態功能基本喪失，對周圍環境帶來了嚴重破壞，而且很難進行逆轉。為此，河道治理工程怎樣兼顧生態與水利價值，就成為當前研究的焦點。目前生態透水砼鋪裝技術則是一種很好的兼顧舉措，在減少河道污染、補充地下水、減少雨水徑流等方面作用顯著，有助于對河道生態圈重構，有著積極的現實意義。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，以期推進寒區河道工程建設與發展。

透水鋪裝日益受到業界的關注，其應用優勢：（1）具備良好的滲透特性，不透水的傳統鋪裝增加了集中強降雨時出現“城市看?！钡娘L險，而透水鋪裝可有效在雨天減少徑流，減少道路積水；（2）透水鋪裝能夠吸附河道中的污染物，對地表污水起到一定的過濾作用，是降低污染物濃度的積極措施，有相關研究證明透水鋪裝對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，雨水可以通過透水路面滲入，補充地下水，保持土壤水分；（4）透水鋪裝的凹凸多孔結構，還具備獨特的降噪、吸音作用，可吸收聲波、降低噪音分貝，改善城市噪音污染，營造安靜舒適的生活環境［2-3］。

1 常見河道工程透水鋪裝材料和結構

1.1 透水面層材料

充分掌握透水鋪裝材料的種類和特性，是將其推廣到寒區河道工程建設中的基礎。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前較為相似的透水砼，只是因為所使用的凝膠材料有所不同，使得他們在制成方法上有著少許的差別［4-5］。

透水砼主要構成包括骨料、水泥、水、添加劑。前者主要為貝殼碎片、碎石等構成，它們有著一定的強度；后者則主要為相關顏料或者外加劑等，它們通過混合的方式支撐多孔徑輕質砼。透水性瀝青主要構成材料包括添加劑、色料、石料、脫色瀝青等，這些材料基于一定溫度通過混合拌和支撐。這種材料的強度超過了透水水泥砼，應用在寒區河道工程中更為廣泛。對于鋼渣透水瀝青而言，則是當前創新的綠色材料，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量，同時還能實現廢物重新利用；鋼渣瀝青從環保角度，顯然要比普通瀝青砼更好，在建設環保、節約型社會方面有著積極意義［6］。另外，通過檢測可發現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。實際上國內園林常?？吹铰咽伋尚÷?，不僅具有較高的美觀性，而且透水性強。不過這類材料都有著自身局限性，例如從耐久性角度來看，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 透水鋪裝結構

一般的透水鋪裝結構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，面層作為鋪裝結構的表面，需要有較高的力學強度和耐摩擦性能，使用需要考慮河道工程的美觀性要求；面層透水性能對降雨的下滲有著顯著影響。目前寒區河道工程所使用的面層材料較多，在具體工程中，還要根據工程承載要求、材料的性能特點以及寒區的氣候條件等因素進行綜合考量和選擇。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構，對河道或者路面下滲的雨水有一定的過濾、凈化效果，提升地下水的水質，還能夠阻擋雜質，避免基層的孔隙被輕易堵塞。找平層通常根據面層變化，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，那么找平層就更適合采用級配碎石材料（小粒徑），以更好穩定透水鋪裝結構，提升結構的承載力，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下滲水的過濾、滲透作用，當下滲雨水或河水到達半透水基層后，流向不再向下，而是側向流動，通過排水設施排出。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，可防止洪澇災害。透水基層所用的材料主要有級配砂礫、多孔水泥穩定碎石、透水水泥砼等。透水基層的構建需要重點考慮孔隙率，才能保證其透水性和蓄水能力，而孔隙率的不斷增加，會影響到基層結構的力學強度［10］。為此，相比于透水基層，半透水基層的強度較高，區域承載力更大。墊層位于透水基層和土基層之間，可以對土基層溫度、水分進行調節，適當提升土基層的強度。另外，透水基層的孔隙率較大時，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、土質選擇等層面控制土基層質量，確保其載荷能力與透水性［11］。

2 試驗設計

在北方寒區，河道工程透水鋪裝的建設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聯，此外，基層與找平層材料也會對鋪裝的抗凍脹性能造成影響。

2.1 試驗方案

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

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 溫度監測結果與分析

該河道工程中透水鋪裝完成后，對基層、找平層和周圍環境溫度進行監測和記錄，時間范圍為2021年12月10日至12月19日，監測時長共10 d。將試驗結果均值用作最終測值，具體可參見表2。

由表2可知，不同試驗方案下所得數據有著明顯差異，但也呈現出一定的規律性?；鶎雍驼移綄拥膭討B規律與環境溫度變化相似，不過變化程度隨著深度的增加而有所降低，時間上也呈現出滯后性。這意味著，深度可對透水鋪裝結構的溫度變化產生明顯影響［16-18］。通過對監測數據的分析，發現整個試驗期間，找平層只出現一次凍融循環，基層則每天都有出現，由于基層出現頻次高，為此，需要將滯留其中徑流加速排空，從而規避凍脹破壞效應。

2.2.2 不同找平層材料凍脹量試驗結果

針對不同找平層試驗方案，每3 d對試驗場地的凍脹量進行1次測量，時間周期為1個月，獲得了試驗數據。對這些數據進行分析，在找平層施工完成之后，第1次監測就發現3種找平層都出現了顯著沉降，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。測量之后第9 d試驗區發生降雪，由于降雪融水的滲入，透水鋪裝產生了凍脹現象，將徑流排空之后，透水鋪裝依舊有細微的沉降問題，不久之后再次出現降雪，凍脹量再次提升。而且第2次要顯著超過第1次，這意味著透水鋪裝在凍脹效應上存在著累加。根據不同試驗方案，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

運用和找平層相似的實驗方法，每3 d完成凍脹量1次檢測，持續1個月時間，總共獲得了11次數據。據此得出不同基材下的凍脹量動態曲線。對其進行分析可知，基層材料不同的凍脹量變化特點與找平層頗為相似，具體的分析就不再贅述。通過3種不同基層材料的結果對比，發現采用開山混合料基層的凍脹量最大，其次是級配碎石，最小的是透水水穩材料。采用透水水穩材料作為寒區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 結語

透水鋪裝在現代城市建設中的應用前景十分廣闊，合理選擇透水鋪裝結構材料，是推進寒區河道工程建設發展的重要措施。經過試驗分析可知，透水砼進行鋪裝使用時，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，可以優先選用中粗砂作為透水鋪裝的找平層，其次選擇石屑材料；對于基層則優先選擇透水水穩材料，其凍脹量最小。另外，基層出現凍融循環的頻次超高，在實際的河道工程中需要及時將滯留其中的徑流加快排空。

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