陶瓷透水砖堵塞系数实验研究

金雪莉，廖仕乐，朱俊炫，李淑晶，卢任机

（广州番禺职业技术学院建筑工程学院，广州511483）

1 前言

随着经济发展和城市化进程的加快，热岛效应、城市内涝等自然灾害不断破坏我们美丽的城市，人们研制具有透水能力的路面砖和地下蓄水系统来减缓灾害对城市环境的破坏，效果显著。

陶瓷透水砖是近几年新推出一种透水路面铺装材料，它利用陶瓷原材料，经筛分选料、成型、烘干、高温烧结而成，具有抗压强度高、透水性好、防滑性能好、抗冻性能优异、耐久性好等优点[1]，被迅速推广应用于广场、人行道、停车场、公园等人流量相对密集的场所。经过几年的投入使用，人们发现陶瓷透水砖路面出现不同情况的堵塞，这是由于细小颗粒物被人与自然风带到砖表面，再加上下雨天雨水地表径流的冲刷，导致细小颗粒物随着水流进入砖内部连通孔隙，引起堵塞，大大降低了陶瓷透水砖的渗透速率，严重影响正常使用。

本文通过分析广州本地雨水杂质颗粒粒径分布特点，人工模拟降雨堵塞过程，研究陶瓷透水砖堵塞对其渗透性能的影响，为市政工程能及时更换因堵塞而失去效果的透水砖提供可行性研究数据，并为陶瓷透水砖生产提供可靠的实验数据，帮助改进其渗透性能。

2 雨水样品采集和颗粒分析

2.1 雨水样品采集地点和采集方法

2.1.1 雨水采集选点

透水路面砖绝大多数铺设在广场、人行道、停车场等人流量相对密集的场所，本文经过广泛调研选取了以下三个采样地点，分别为：广州番禺职业技术学院，番禺市桥广场、天河花城广场。每个地点采集700 mL的地表积聚雨水，分别装入两个350 mL透明矿泉水瓶中密封，并同时记录采集样品编号，采样时间段、地点、当前气温温度、采样前未降雨天数等相关信息。

2.1.2 采集方法

准备若干350 mL聚丙烯塑料矿泉水瓶、一个塑料烧杯、一根适长作搅拌的棍子。同时时刻关注气象局发出的实时天气预告并加以记录，待调研目标地区下雨后进行户外现场采集地表积聚的雨水。采样开始前要对雨水坑的树叶等可见的杂物清理干净，再用搅拌棒对雨水坑进行均匀搅拌，下一步用塑料烧杯盛起350 mL的雨水倒入矿泉水瓶中密封，采集完成。

2.2 样品细小颗粒物粒径分布测试

参考GB/T 19077-2016，用水相湿法分析细小颗粒物粒径。将选定样品倒入液体石蜡中，在超声波清洗器中振荡分散 10 min，置于铜网上，用马尔文激光粒度仪（Mastersizer 3000）进行细小颗粒物粒径分析。

图1是三个雨水样品的细小颗粒物粒径检测报告，三份检测报告的颗粒粒径分布非常接近。约10%颗粒尺寸小于 13 μm（D10=13 μm），颗粒尺寸中值约为 38 μm（D50=38 μm），颗粒尺寸大于 114 μm（D90=114 μm）约占10%。

表1 细小颗粒物含量测试结果

2.3 样品细小颗粒物含量测试

将雨水细小颗粒物样品摇匀倒入干燥后的烧杯，用湿润的滤纸盖住不规则的烧杯口，防止干燥时微小颗粒物随水蒸气跑出烧杯外，影响实验精度。干燥箱采用电热鼓风干燥箱XMTD-2100，调节恒温温度105℃，直至肉眼判断水分被烘干，打开干燥箱自然降温，待干燥箱温度接近室温即可取出称量，称量完毕，再次将装有细小颗粒物的烧杯放入干燥箱干燥30 min后称量，多次操作直至质量数值不再变化。细小颗粒物含量测试结果见表1，由于样品取自不同的广场，地面洁净程度不同，因此总细小颗粒物含量有差别，根据现场判断广场的清洁程度，本次实验研究选择雨水细小颗粒物含量为0.484 g/L。

3 模拟降雨堵塞实验

3.1 地表雨水合成

本研究在实验室内进行，选用级配硅砂模拟大自然中的泥土。硅砂具有稳定的物化性质，对实验的误差影响较小，是研究粒径堵塞过程非常优良的材料[2]。本文结合雨水样品1、2、3的细小颗粒物粒径分布和含量测试结果，用五种不同粒径的硅砂按1：2：4：2：1的比例制备了与大自然粒径级配相似的沉积物，称为“调整后的细颗粒物”（AFS）。AFS粒径分布见表2。

表2 调整后的细颗粒物（AFS）粒径分布

3.2 模拟降雨加速装置

3.2.1 雨水模拟

根据广州气象年鉴近五年记录最高降雨量为2734.8 mm，这个降雨量值被用于计算试验所需要得雨水量。需要在陶瓷透水砖施加246 L（2734 mm×0.09 m2）的流入量来模拟相当于一年的降雨量，因此实验室特质的不锈铁缸需能容纳300 mL的水。在实验过程中为能使硅砂在水中处于悬浮状态而不是沉积在缸底，在铁缸上加装有搅拌用的电机，下部连接直伸铁缸底部的双扇叶装置。电机开启可达到120 r/min，可满足硅砂均匀悬浮在水中的要求。

3.2.2 降雨堵塞过程模拟

模拟降雨量的加速实验需要一个稳定的水压，使雨水均匀地洒在透水砖面上。实验采用增压泵（型号QRS25-10，最大流量 90 L/min，最高扬程 10 m），同时配合着闸阀控制出水口流量，达到模拟要求的降雨量。为了能模拟雨水及所选级配硅砂能均匀洒在透水砖面，本实验采用300×300 mm的淋浴喷头，淋雨喷头正面有144个小孔，小孔直径为3 mm，满足硅砂顺利通过喷头小孔而不造成堵塞。

3.3 透水砖渗透速率实验

3.3.1 实验样品——陶瓷透水砖（简写“TC”）

陶瓷透水砖具有抗压性能高、耐风化、防火好、耐久及色彩丰富，透水性能好等特点，适用于人行道及广场。陶瓷透水砖由陶瓷原材料烧结而成，由于其材料和制作工艺的特点，孔隙率非常高，可达到20%以上，具有良好的渗透性。本实验用陶瓷透水砖样品的规格为300×300×55 mm。

3.3.2 实验原理

渗透系数是衡量透水铺装材料渗流能力的重要指标，该指标遵循达西定律，通常采用常水头进行测试[3]。根据达西定律，水流过试件横截面积时，水体流速与水头损失成正比且与流经距离成反比，计算公式如下，

式中：K 为渗水系数，cm·s－1；Q 为渗流量，cm3；A 为试件断面面积，cm2；L为水流流经试件的长度，cm；h为水头差，cm；t为试验持续时间，s。

3.3.3 实验装置

根据透水砖路面技术规程（CJJ/T188-2012）要求，设计测试渗透系数实验装置，按照本次实验陶瓷透水砖材料尺寸进行改良，具体见图4。

3.3.4 实验步骤

（1）实验预处理：先将透水砖浸泡一晚，保证透水砖内部的孔隙充满水。

（2）初始渗透系数测试：实验前把定水头装置下水口与水龙头打开，随着液面的上升到一定高度，多余的水从下水口与上水口同时流出，待两个出水口流出的水稳定后使用游标卡尺测量下水面与上水面高度，计算出水头差，再用塑料水盘从下方出水口接水，用秒表计时测量20 s的渗水量，用量筒测量出渗水量并计算定水头初始渗透系数。

（3）堵塞后渗透系数测试：在模拟降雨堵塞加速实验中采用降雨持续时间8 h，在雨量缸内放263 L水，将调配好比例的硅砂倒入水中，开启电机搅拌，待电机搅拌五分钟，水中硅砂均匀悬浮在水中后，开启闸阀，水及水中硅砂在正增压泵的加压下通过多孔喷头均匀洒在透水砖表面上。实验结束后，重新安装到定水头实验装置，按上述步骤再次测试透水砖渗透系数。

4 实验结果及分析

表3 陶瓷透水砖堵塞实验结果

4.1 渗透系数测试结果

图5是对三个陶瓷透水砖样品TC1、TC2和TC3分别做三次渗透系数实验后的数据对比。根据图中数据计算，三块样品渗透系数测试结果平均值分别为0.0766、0.0638、0.0607 cm·m-1，三个样品三次测试的数据均有不同，测试结果的重复性误差和变异性误差分别为。结果表明：重复性实验数据有差异，但是差异较小，在可接受范围内；测试样品有差异，这是由于渗透系数受孔隙迂回度、孔径尺寸及开放孔隙率等多种因素影响[4]，且透水材料实际制作过程较粗糙，造成了材料孔隙特征参数离散性较大。

4.2 堵塞系数测试结果

表3是对三个陶瓷透水砖样品TC1、TC2和TC3模拟降雨过程淋水8 h后，测试得到的渗透系数值，可以看出实验室合成雨水中的细小颗粒物对陶瓷透水砖造成了明显的堵塞。三个样品堵塞后渗透系数和初始渗透系数之比分别为32.0%、35.1%和30.0%，可见虽然陶瓷透水砖材料之间差异较大，但是堵塞行为非常接近。

5 结论

（1）本文研究了广州本地雨水细小颗粒物粒径分布及含量特征，在实验室用五种不同粒径的硅砂按配比人工合成细小颗粒物含量为0.484 g/L的雨水，用于模拟降雨过程实验。

（2）研究根据达西定律设计了陶瓷透水砖渗透系数实验装置，用于堵塞实验前后陶瓷透水砖渗透系数的测试。测试结果表明：1）雨水中的细小颗粒物对陶瓷透水砖造成了明显的堵塞，堵塞后渗透系数约为初始渗透系数的1/3；2）实验的重复性误差较小，说明实验装置的精确度较高，实验结果较可靠；3）不同样品的差异性误差较大，说明陶瓷透水砖材料孔隙特征参数离散性较大。