路面透水砖的研究应用现状与展望

马 高, 曹琼方, 刘 欢, 黄 靓

(1.湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410082；2.工程结构损伤诊断湖南省重点实验室(湖南大学),湖南 长沙 410082)

传统城市的路面大多采用不透水路面，当雨水降落时，主要通过泵站、管渠等“灰色”设施来进行排水，这种人工行为的集中排水机制很容易引起城市的内涝现象。与不透水路面比较而言，透水路面是一种较为分散的排水机制，从雨水产生径流的源头着手，逐步降低雨水径流对路面造成的环境影响。我国住建部颁布出台的《海绵城市建设技术指南》[1]指出，建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市能有效提高城市排水系统标准，缓解城市内涝压力，透水砖铺装系统不仅能解决城市地表硬化，还能维护城市的生态平衡。透水砖作为一种绿色环保的新型建材产品，不仅具有良好的透水性和保湿性，而且可以调节城市小气候、缓解城市热岛效应。同时透水砖将工业废料、沙漠沙土等进行二次利用，变废为宝，对创建资源节约型建筑产业具有重要的意义。本文对透水砖的国内外研究应用现状、分类、制作方法与性能以及透水砖铺装设计等进行了阐述，探讨了我国当前阶段在应用和研究方面存在的不足，并对其未来的发展提出相应的建议和展望。

1 国内外发展状况

20世纪80年代，日本“雨水渗透”计划采用具有透水性能的混凝土、沥青和砖体铺设路面，至1996年初，东京的透水路面铺设面积达495 000 m2，雨水流出率由原来的51.8%降至5.4%。美国对低影响开发的研究与应用也较早，无砂混凝土曾凭借其良好的渗透和储水能力成为佛罗里达州、新墨西哥州和犹他州停车场的地面铺设材料，以迅速缓解暴雨造成的路面径流过大问题[2]。美国环保局(USEPA)从经济角度出发，对透水路面和传统路面进行对比研究，结果表明：虽然低影响开发系统的安装成本略高，但大大降低了后期雨水存储的资金耗费，经济效益更为显著，如传统停车场路面单位安装成本为0.23美元，雨水存储成本2.43美元/L；而铺设多孔停车场路面虽单位安装成本为0.25美元，但雨水存储成本仅为0.16美元/L[3]。ALAM[4]等对多孔混凝土路面(PCP)、 联锁混凝土路面(PICP)和砾石联锁块路面(IBPG)这3种可渗透路面(见图1)进行了研究，结果表明：与传统路面相比，透水路面的峰值流量和径流量的衰减均达到30%以上，原因是垫层和土壤中增多的集料孔隙增加了入渗；可渗透路面的类型和底层介质对径流的减少和渗透有显著影响；IBPG存储雨水能力最佳，而PCP缓解地表径流效果最优，高出传统路面98%。德国《混凝土路面砖》标准中明确规定，路面砖的孔隙率须达到10%以上，确保地表水的下渗。同时还可铺设有孔的联锁透水混凝土砖，将土填充在砖孔中，孔洞中生出的杂草能实现绿化功能[5]。

(a) 多孔混凝土路面(PCP)

国内对透水路面的研究起步较晚，20世纪90年代才发明了一种通过砖体上的孔洞实现渗水的路面砖。随着我国基础建设的快速发展，不透水硬化路面的弊端逐渐显露，道路铺设材料的选择开始得到重视。2002年，咸阳陶瓷研究设计院研发出抗折、抗压强度满足国家人行道路砖标准的环保陶瓷砖，其孔隙率达40%～50%[6]。随后，国家发改委在2005年发布了由咸阳陶瓷研究设计院和西安墙体材料研究设计院共同负责起草的透水砖行业标准《透水砖(JC/T 945-2005)》[7]，该标准有效推动了透水砖行业的发展。目前，国内学者对透水砖已经开展了较多研究，其方向主要集中在废料的利用、配合比设计、砖体性能和铺装结构等方面。

2 透水砖的特点和分类

透水砖作为一种高效透水路面材料，具有如下优点：①绿色低碳、环保利废。透水砖大部分采用建筑废料、陶瓷废弃物、沙漠沙土等作为原料，可减轻工业废料对生态环境的污染并能有利于沙漠治理。②孔隙率高，透水性好。透水砖可使雨水迅速流入地下，对地下水和土壤水进行及时补充，保持土壤的湿度。③透气性好，多孔结构。良好的透气性能可使地面植物和土壤微生物的生存条件得到改善。透水砖的多孔结构可以对地表局部空间的温度和湿度进行调节，使城市热岛效应得到缓解。并且多孔结构具备一定的吸音功能，可以减轻路面噪音污染。④缓降内涝，蓄水节水。以“慢排缓释”和“源头分散”为主要规划设计理念，透水砖铺装系统通过构建“降雨-径流-下渗-回用”的良性循环，既能有效防止内涝，又能起到蓄水作用。⑤安全出行。透水砖表面呈现微小的凹凸状，避免路面出现反光，且其表面摩擦系数较大，利于安全出行。

透水砖按照组成和制备工艺可分为2类[8-9]：一类是以陶瓷、固体工业废料、建筑垃圾等为原料，经过粉碎、成型、高温、烧制而成的透水砖，称为陶瓷透水砖；另一类以无机非金属材料为主要原料，利用黏结剂成形、固化而成，无须烧结，称为非陶瓷透水砖。

2.1 陶瓷透水砖

a.废陶瓷为主要原料。

将陶瓷废弃物，如烧结废料、废匣钵、废窑具等，经过重新粉碎并筛分、选取合理的颗粒级配、添加适当结合剂，经成型、烘干、高温烧结制成透水砖。殷海荣[10]等利用废玻璃、陶瓷废料和黏土为主要原料，制得尺寸为120 mm×80 mm×10 mm的高温烧结透水砖。试验结果表明最佳配比为陶瓷废料、废玻璃、黏土分别占70%、15%和15%，此时透水系数达到1.0 mm/s，抗压强度为12.1 MPa。随着烧结温度的升高，体积密度增大，砖吸水率会下降，可通过加入滑石、氧化锌改善透水砖的烧结性能。

b.工业固废为主要原料。

工业固废堆积不仅占用土地，其淋污后还会造成严峻的土壤和水源污染问题。工业固废的加工再利用已成为研究热点。丁海萍[11]利用质量比为12∶3∶5的褐煤粉煤灰、煤矸石和炉渣，在1 080 ℃高温下制成透水砖，透水系数为1.12 mm/s，抗压强度为31.2 MPa。饶玲丽[12]等利用粉煤灰制备透水砖，试件尺寸为100 mm×100 mm×40 mm，试验表明成型压力对透水砖的力学性能和透水性能有重要影响。

c.建筑垃圾为主要原料。

建筑物和构筑物的新建、拆除、修缮等过程都会产生大量的建筑垃圾，常见的类型有渣土、混凝土块、砂浆、砖石等。据统计，建筑垃圾在城市总垃圾中的占比高达1/3～2/5，其运输和堆放消耗了大量资源，由此产生的粉尘污染和土壤污染也不容忽视。陈金桂[13]在研制透水砖时，将建筑垃圾红砖和钢渣总含量控制在60%以上，分别使用水玻璃、糊精作低温黏结剂，经1 000 ℃高温烧结后砖体抗压强度达到32.3 MPa，透水系数为0.39mm/s，具有优异的耐磨性能，且该透水砖在承受25次冻融循环后仍能保持抗压强度不低于27.9 MPa。

2.2 非陶瓷透水砖

a.砂基透水砖。

砂基透水砖是以硅砂或风积砂为主要骨料，利用有机黏结剂粘结，经免烧结工艺制成。沙粒堆积形成的孔隙是实现透水功能的基础，也为透水砖兼顾透水性和强度的设计提供了依据。此外，以沙漠中的沙土为主要原料，可减少河砂开采，保护生态环境。在砂基透水砖的粘结方面，已有研究以环氧树脂、水泥基为黏结剂，或以水玻璃为黏结剂、氯化铝为固化剂。徐向舟[14]等以P.O 52.5号水泥作为黏结剂，研制出一种在砖体上预制透水孔的砂基透水砖，如图2所示。在保证砖体强度、透水性、保水性和环保性的前提下，该透水砖造价为60～100元/m2，远低于同类砂基透水砖造价的220元/m2。

图2 多孔混凝土砂基透水砖构造图(单位：mm)

b.混凝土透水砖。

混凝土透水砖与普通混凝土的区别在于：它采用特殊级配集料，将其用水泥浆体包裹，通过胶结剂和特定工艺制成，内含大量的连通孔隙。杨静[15]为提高透水混凝土砖体的承载力，对骨料粒径、矿物掺合料和有机增强的影响进行了研究，试验表明：同时掺入6%的硅灰和高效减水剂，混凝土强度可以提高60%以上，砖体抗压强度超过了35.5 MPa，透水系数为2.9 mm/s。混凝土透水砖和砂基透水砖均属于免烧结类，生产能耗低，经济效益好，适合于在经济欠发达地区进行推广，是透水砖材料发展的重要方向。

综上所述，国内学者对5类透水砖已开展了相应的研究和应用实践，不同类型透水砖在原材料、制备方式、抗压强度、透水性能等方面存在各自的优缺点，针对不同的应用场合和环境条件，如何选用最优化的使用方案将会成为未来透水砖研究的重点和难点。

3 透水砖应用存在的问题

3.1 透水铺装设计

传统硬化路面只考虑路基的稳固性，而透水铺装设计时应考虑路面结构设计和地下水文条件等多个方面，SWAN[16]等结合结构设计和水文设计方法的发展，提出透水砖在设计过程中需要考虑路面荷载、地基承载力和水文环境条件等因素，以适应不同的环境需求。李俊奇[17]等以透水砖铺装为例，探讨了承载能力、渗透能力以及滞蓄能力在设计中的关键问题和设计参数。《透水砖路面技术规程(CJJ/T 188-2012)》[18]明确规定透水砖路面结构应包括面层、找平层、基层和垫层等(见图3)，并对每一铺装层提出了相应的设计要求。透水砖路面可应用于人行道、小区、公园道路等，不同场合对承载能力、渗透能力和滞蓄能力的要求各不同。因此，透水砖路面的结构层设计需根据应用的环境确定[19]，表1总结了3种透水砖路面的结构层构造方案，其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型路面分别适用于小区道路、市政人行道路和小区步行道。目前国内研究侧重于透水砖产品的设计、制备与性能分析，而对基层和垫层等下承层缺乏深入探究，从铺装面层到土基的各个结构层都需达到其功能要求，才能形成良好的渗、滞、蓄、排等通道，构建“降雨-径流-下渗-回用”的良性循环。因此，后期需要侧重透水砖路面下承层材料设计与施工工艺的研究。

图3 透水砖铺筑构造

表1 透水砖路面结构构造方案[19]Table 1 Schemes of pervious brick pavement structure[19]结构层Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型面层透水砖透水砖透水砖找平层干硬性水泥砂浆或中粗砂干硬性水泥砂浆或中粗砂干硬性水泥砂浆或中粗砂基层透水水泥混凝土级配碎石中粗砂或级配砂砾底基层级配碎石——土基压实土基压实土基压实土基

3.2 透水砖路面的堵塞和维护

透水砖作为一种路面材料，长期的荷载和摩擦会对砖体表面产生一定损伤，而且雨水径流中会夹杂泥沙、污质等沉积物，极易堵塞孔隙，降低渗透效率。已有研究表明透水路面孔隙的堵塞不仅影响其渗透性能，而且会显著缩短其使用寿命，当路面使用时间达到10 a时，其渗透率仅为最初渗透率的1/4至1/10，这一定程度上加大了“海绵城市”推广应用的难度[20-22]。

目前国内外学者从时间历程、堵塞位置和堵塞颗粒物粒径等方面对透水铺装系统的堵塞规律展开了研究[23-27]。BOOGAARD[25]等对荷兰和澳大利亚的55处使用时间1～12 a的透水路面进行测试，结果表明路面渗透率与其使用年限存在衰减关系。LUCKE[26]等发现对于联锁混凝土砖透水路面，超过90%的颗粒沉积物都堵塞在面层和垫层骨料孔隙之间。刘嘉豪[27]等通过对透水系数历时曲线进行分析，指出透水砖堵塞过程可分为颗粒截留的迅速堵塞、水流冲刷的小幅恢复和颗粒逐渐粘结的慢速堵塞3个阶段。堵塞速度与透水砖孔隙率、进水水位等因素有关，经过长时间的堵塞，渗透系数最终达到稳定。通过对透水砖堵塞规律进行研究，可以提高对透水砖维护需求和维护方法的认识。

定期清理和维护是保证透水铺装系统实现自然渗透和雨水循环功能的必要环节，也是延长其使用寿命的重要措施。目前常用的清理方式有清扫、高压水冲洗和真空抽吸等。机械清扫和人工清扫均只能清除道路表面的可见污染物，防止其经过碾压深入下层孔隙。透水砖堵塞可分为表面堵塞和内部堵塞，用配置的悬浊液模拟雨水径流可使砖体渗透率下降幅度达到96%，采用虹吸法和反向注水法处理堵塞，发现高压水洗仅能清除砖体表面沉积物，砖体渗透性恢复不明显[28]。李美玉[29]等基于北京近30 a的实际降雨量和颗粒污染浓度，模拟透水铺装的堵塞程度，结果表明真空抽吸尘的效果优于高压冲洗，并提出更新找平层会取得更好的恢复效果。由图4可见，3种清理方式下(不清理、真空抽吸尘和压力水冲洗)旧砖的渗透率分别为新砖的14%、53.7%、20.6%。已有研究表明，无论采用何种清理维护方式都不能完全恢复路面的透水性能，并且已有研究主要涉及不同清理方式对透水砖渗透性能恢复的影响，并未针对不同环境条件提出合理的维护周期、水压负压范围以及透水砖路面的使用年限等。孔隙堵塞规律、堵塞预防和维护研究将成为透水砖铺装系统的重点研究方向。

图4 不同清理方式下旧砖的渗透速率比较

近年来，利用太阳光产生催化还原作用，分解砖体表面和孔隙污物的自清洁透水砖成为新兴研究热点。南京优凝舒布洛克公司利用纳米二氧化钛与炉渣水泥按比例混合压制成了自洁式透水砖，在此基础上，荆扬扬[30]提出以固体废弃物为主要原料，采用负压法将纳米二氧化钛前驱体负载至透水砖孔隙中，制备光催化性能较好的自清洁透水砖。

4 结论与展望

透水砖铺装作为一种缓解城市内涝压力，维持开发区域水系统平衡的低冲击开发系统，具备良好的生态效益和广阔的发展前景，是建设海绵城市的重要手段。绿色环保、性价比高的砂基透水砖和混凝土透水砖将会拥有更加广阔的市场前景。今后在进行研发和工程应用时，应考虑整个透水铺装系统的路面结构设计、排水蓄水设计和施工工艺等，加强透水砖堵塞规律、长期服役与维护、新材料等方面的研究，让透水砖在实际工程中得到更好的应用。