城市绿地常用渗透性铺装材料的性能对比

姚莎莎 张德顺 刘鸣 李科科

摘要：城市园林铺装材料水文特性对于涵养绿地水源，减少地表径流，改善土地滲透性质，加强地上水与地下水互补以及绿地局部干旱等问题有重要影响。文章选取陶瓷透水砖、透水混凝土砖、砂基透水砖、细砂、粗砂、糠粱砂、碎石7种材料，在模拟200mm/h特大暴雨情景下，分别测定了其保水性和渗透性，其中，保水率最高的为细砂，最低的是碎石。渗透性方面，砂质材料，积蓄时间最长，渗透量最小，透水砖类次之，碎石最差。研究得出的结论可为城市绿地硬质铺装的生态化设计提供参考依据。

关键词：低影响开发，渗透性铺装，性能对比，城市绿地

目前，城市绿地铺装材料的物理特性和铺装形式已经呈现多样化的趋势，广场道路铺装水文特性对于土地渗透性质、地上水与地下水互补以及绿地局部干旱等问题有重要影响。合理选取硬质铺装用材，科学测定其透水特性，对于维持生态系统服务功能和生态系统弹性、加强水系健康循环、减少地表径流、涵养绿地水源都具有重要意义。LID（Low Impact Develop-ment，低影响开发）即是在城市化大背景下，通过大量实践证明的建设干预最小化的新思路，它从源头控制，以滞留、渗透为主要手段，旨在最大限度地降低城市开发建设对场地的水文状况造成的影响。在城市化面积不断扩大的需求下，让渗透铺装材料代替不透水下垫面，从而保证原有的自然雨水下渗过程不被截断，通过近似开发前的自然的水循环体系，消减雨洪，缓解城市排水压力。

1 试验材料与测试方法

1.1 验材料

为了观察和比较不同渗透铺装的渗透机理和性能，本文选取陶瓷透水砖（PC）、透水混凝土砖（PI）、砂基透水砖（SB）、细砂（FS）、粗砂（CS）、糠粱砂（GO）、碎石（GS）7种材料为研究对象。按照实际施工工艺简化多种渗透铺装模块，并在不同雨强模拟条件下，通过对比材料保水性和渗水性的性能差异，为硬质铺装的生态化设计提供参考依据。

1.2 保水性测试方法

取一定量试验材料进行烘干，称重，再进行浸水试验，达到水饱和后取出分别称重，通过前后称重的数值差可以得到单位量的材料对应的吸水量。根据吸水量和材料的体积等参数计算单位体积的保水率，详细步骤如下。

1）将试样置于温度110℃的烤箱中烘干24h，取出，用电子天平称重。直至前后两次称重相差小于0.1%，此时可视为完全烘干，数据记录为干燥试样重量m₁。

2）试样冷却至室温后，置入25℃自来水中浸泡24h，取出试样，沥干表面水分，使其无明显滴落水珠则视为达到水份饱和。用电子天平称重，记录为材料吸水后重量m₂。

3）测量试样的尺寸，分别计算其体积V。

4）保水率计算公式：

其中，B为保水率，单位g/cm³;m₁是干燥试样的重量，单位g;m₂是试样吸水饱和的重量，单位g;V是试样体积，单位cm³。

1.3 渗透性测试方法

1.3.1 试验装置设计

设计专门的试验装置（图1），通过模拟不同雨强的人工降雨装置，检测在一定时间内渗透铺装的渗透水量。其主体为铁架，其中包括上部分可拆卸的人工降雨模拟装置和下部放置铺装材料并收集渗透流的装置。降雨装置由钻孔的PVC水管架和缓冲水滴的纱窗组成（PVC水管架连通流量计，两层纱窗固定于铁架上）。降雨模拟过程可视为雨水做初速度为零的自由落体运动。用纱窗承接水滴，使其瞬时速度为零再自由落体，以最大程度减少初始动量的影响，以免水流动量干扰透水性能的测定结果;另一方面，由于纱窗空隙细密，可以使降落的水滴或水柱更加均匀地洒落，而不会使模拟雨水集中于局部。下部分的渗透装置包括放置铺装模块的“箱子”和收集渗透水的装置。“箱子”四周使用透明亚克力板，其透明质地方便观察渗透产流的过程和监控试验进程。箱子的底部固定5mm×5mm空隙的细密铁丝网，以承受铺装材料重量、避免砂砾流失，同时要能保证渗透水流的通过，在测试糠梁砂等散装材料时加铺一层纱窗，如图2，图3所示。

1.3.2 试验过程

试验分为2个步骤。第1步是降雨模拟装置的校准。使用降雨模拟装置，根据流量计读数，调试4种等级降雨，收集所有降雨计算水量，经多次重复，计算降雨模拟装置的误差。第2步分别测试每一种铺装材料的渗透性能，即所有使用的材料，在4种等级降雨模拟条件下，测试其渗透性能。

1.3.3 降雨模拟装置校准

将暴雨强度设定为200mm/h的特大型暴雨强度，以模拟极端天气状况产生渗透流的时间和径流情况。

根据降雨量与雨强公式：

Q=P·A·t·10_-9（2）

其中，Q为降雨量，单位L;P为降雨雨强，单位mm/h; A为受雨面积，为铺装模块箱体横截面积：300mm×400mm=120000mm²;t是降雨持续时长，单位h。

Q=v·t（3）

其中，v是模拟降雨装置进水流速，单位L/h。

由（1）R（2）可得，Q=p·A·t·10^-9=v·t，

v=P·A·10^-9（4）

根据公式（3）可知，如果将流速分别控制在24L/h，理论上可模拟降雨雨强200mm/h。经过3次实测得到相关数据如表1。

1.3.4 表面径流量计算

将7种受试材料分别放人装置内进行试验，每次试验10mim，收集渗透流并量取水量，观测渗透产生的时间以及是否能观察到径流。

其中，径流量（Q_j）=模拟降雨量（Q₀）-保水率（B）×材料体积（V）-渗透流量（L）-误差损耗（V_w）。

2 结果与分析

2.1 各指标的差异性分析

对7种受试材料的密度、保水率、渗透水量和产生渗透时间4项指标做单因子方差分析（表2），其中，材料密度和渗透水量两个指标具有显著性差异（P<0.05）。保水率的差异也接近显著性水平（P=0.053），但各材料在产生渗透时间上不存在差异性，不同材料可能具有相似的渗透时间。

2.2 不同材料之间的保水性

经多次重复测定，结果如表3所示。保水率最高的为细砂，最低的是碎石。可见，保水率的高低与材料的颗粒和骨料大小有关，材质越疏松多孔，其保水能力越强，而相反，材质越是致密少孔，保水率則越小。

对保水率和密度做相关性分析可知，材料密度与保水率之间呈二次曲线关系（图4）。砂质材料随着密度的增大，保水率也相应增大。但对于砖质材料，密度超过一定阈值，保水率则呈下降趋势，如沙基透水砖和透水混凝土砖的密度差别不大，分别为1.76g/cm³和1.78g/cm³，但沙基透水砖的保水率达到砖类材料的保水率最大值0.26g/cm³，而透水混凝土砖保水率却为0.14g/cm³，呈现出明显差别。密度最大的陶瓷透水砖，保水率反而较小。碎石由于颗粒空隙太大，保水率最小。因此，通过综合对比分析，砂质透水砖的保水性能最优，不仅密度适中，承重力强，而且能吸纳更多的水分。

2.3 不同材料之间的渗透性

经过10min的多次重复试验，记录其渗透水量和产生渗透的时间，结果如表5所示。

除陶瓷透水砖出现径流外，其他材料均未观察到明显的表面径流。因陶瓷透水砖密度最高，吸水率低，极易迅速到达饱和，故能产生表面径流，而其他材料吸水率较大，渗透性较高，在短时间内，能够吸纳更多的降水量，达到水饱和状态的时间较长，渗透速率大于饱和速率，较难出现明显的径流现象。因此，在相同雨强条件和降雨时长下，除陶瓷透水砖外，其他材料对于雨洪洪峰的消减有明显的优势，能快速有效地吸纳并渗透雨水，不易产生积水现象。

如图5可知，因材料粒径和骨料性质的差异，渗透水量和渗透时间之间大致呈负相关关系。碎石材料因间隙较大，渗水量最大，渗透时间最短。因砂质材料中保水率较高，而粗砂具有大小合适的空隙，保水量较大，积蓄时间最长，故具有最小的渗水量。而透水砖类的渗透时间均为lmin左右，因此当遇到较长时间的大暴雨时，很容易出现路面积水现象。

3 结论

1）铺装渗透性能的发挥需要选择不同的组合搭配。通过以上渗透铺装物理性能研究，得出保水率最高的为细沙，最低的是碎石，保水率的高低与材料的颗粒大小有关，对于预制透水砖材料，保水率与骨料大小有关。碎石比沙质材料具有更大的渗水量，但渗透时间短;相反，沙质材料因其保水率较大，具有渗透延时性。通过保水率和渗透性试验，碎石垫层与现浇透水混凝土渗透性能最理想，砂基透水砖和粗砂由于吸水率较高，渗透水量最小且产生渗透流的时间较长。在未来渗透铺装设计中可以结合场地铺装对保水率和渗透率的要求，提出不同场地应该具有不同的渗透铺装设计方案，进行不同的渗透铺装设计。此外，在实际项目中，还需要考虑透水性铺装的抗压强度问题。

2）渗透铺装对雨洪的消减能力应综合考虑保水性和渗透性。因砂质材料具有较高的保水率、较小的渗透量和较长的蓄积时长，故在抵御暴雨极端事件中能很好地消减灾害冲击，不至于使路面出现大面积的积水问题，但超过饱和极限，仍然有造成灾害的风险。高密度的透水砖虽然有一定的保水和渗水性能，但面对持续的强降雨，也较快达到饱和状态，出现地表径流。碎石材料因其低保水性和高渗透性，几乎不能蓄积降水，因此，在应对极端暴雨灾害方面，应综合考虑材料保水和渗透性能。