再生骨料透水混凝土铺装入渗和净化能力试验研究

郜会彩，周如杰，胡云进，杨申东，包家豪

（1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000；2.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江绍兴 312000；3.浙江省山体地质灾害防治协同创新中心，浙江绍兴 312000）

0 引言

近年来暴雨频发，加之城市化进程不断加快，导致不透水路面面积日益增加。雨水不能及时通过道路下渗，造成严重的城市内涝和面源污染，带来了巨大的环境污染和经济损失［1］。为了城市可持续健康发展，人们开发了许多海绵城市建设新技术，最为广泛应用的是多种低影响开发（LID）措施。其中透水铺装措施可有效削减径流［2］、提高入渗量［3］，对二者的主要影响因素是铺装内部孔隙率和径流污染物浓度［4］；同时透水铺装措施也能有效净化径流污染物［5，6］。经研究表明，透水混凝土路面比透水沥青路面对污染物的净化效果好［7］、铺装结构层使用水泥稳定碎石比普通稳定碎石对污染的物净化效果好［8］。另外温度变化［9］和使用年限［10］也会影响透水铺装系统的入渗和污染物去除能力。

与此同时，在城市化进程中，建筑拆建工程不断增加，产生了大量建筑垃圾，其中建筑砖垃圾和建筑混凝土垃圾的数量之多尤为突出。为响应“无废城市”建设的号召，可将建筑垃圾再生成为骨料，应用至道路铺装等方面。虽然再生骨料内部孔隙率较高［11］，但力学性能并不会显著降低［12］，且渗水、蓄水能力均明显提高［13，14］，满足做透水路面的基本要求［15］；同时建筑垃圾中携带的某些介质具有吸附作用［16］，比如砂浆和球状菌等［17］。将其应用到透水铺装中，对污染物的去除效果显著强于普通透水铺装［18］。

综上所述，透水铺装系统可以有效削减径流产生量并去除径流中携带的污染物，建筑垃圾回收利用优势明显。但将建筑垃圾再生并合理应用到透水铺装中，综合研究其对径流雨水的入渗和净化能力还较缺乏［19］。为此，本文拟开展透水混凝土铺装系统（Permeable Concrete Pavement System，PCPS）在不同降雨重现期和污染物浓度下的降雨入渗和净化能力试验研究，通过改良PCPS 面层和结构层，利用建筑砖垃圾和建筑混凝土垃圾制备再生砖骨料透水混凝土铺装系统（PCPS1）和再生混凝土骨料透水混凝土铺装系统（PCPS2），并将普通透水混凝土铺装系统（PCPS0）设置为对照组，研究3 种不同PCPS 的径流入渗能力和对典型污染物的净化能力。

1 材料与方法

1.1 试验装置

透水混凝土铺装模型装置采用直径400 mm，高度500 mm的PVC 圆筒（内壁面粗糙化处理），外部设置直径25 mm 的取样口和溢流口，铺装模型配备人工降雨装置，如图1所示。

图1 试验装置图Fig.1 Layout plan of test equipment

1.2 试验材料及水质

1.2.1 试验材料

试验设置了3 种PCPS，分别为PCPS0、PCPS1 和PCPS2，各PCPS 的结构见表1。PCPS 面层由PO42.5 级普通硅酸盐水泥、粒径5 mm 骨料、聚羧酸减水剂等浇筑而成，其中水灰比为0.3、集灰比为3.7。

表1 PCPS的结构组成Tab.1 Composition and material setting of PCPS

1.2.2 径流雨水水质

由于路面的使用功能和铺设要求不同，导致路面的径流污染物浓度差别甚大［20，21］。为了试验的可靠性，本文采集路面原水水样进行检测，采样点设置于绍兴某道路的雨水口。在降雨开始产生径流后的5、10、15、20 min 分别采集地表径流水样，在规定保存时间内，按照国家环境监测标准方法进行水质指标的测定，并结合国内近年道路径流水质［20］，确定各典型污染物浓度，并使用化学药剂配置径流雨水。绍兴道路径流和国内道路径流污染物浓度及配置化学药剂见表2。

表2 径流雨水污染物浓度情况Tab.2 Concentration of pollutants in runoff and rainwater

1.3 试验方法及分析方法

1.3.1 试验方法

根据绍兴市暴雨公式（1），计算降雨重现期5、10、50、100 a的降雨强度，结果分别为0.835、0.96、2.172、2.460 mm/min。

式中：i为降雨强度，mm/min；P为降雨重现期，a；t为降雨历时，min。

根据绍兴道路径流污染物浓度检测值范围并结合国内近年道路径流污染物浓度范围，将污染物浓度设置为5种，如表3所示，每种浓度配置10 L雨水。

表3 污染物浓度设置 mg/LTab.3 Pollutant concentration setting

利用人工降雨装置，分别进行不同降雨重现期和污染物浓度的试验，如表4 所示。试验降雨历时60 min，每隔5 min 记录一组数据。

表4 两种试验类型Tab.4 Two test types

1.3.2 分析方法

雨水入渗能力用雨水径流系数来反映，污染物净化试验水样需要在24 h内检测，具体检测方法如表5所示，污染物净化率按文献［22］中公式计算。

表5 污染物分析方法Tab.5 Pollutant analysis method

2 结果与分析

2.1 不同降雨重现期对PCPS入渗及净化能力的影响

2.1.1 降雨重现期与径流系数的关系

图2 为不同降雨重现期下不同PCPS 的径流系数。由图可知，当降雨重现期P=5 a时，3 种PCPS 均未出现地表径流，这是由于雨水的入渗速率大于降雨强度，故可完全下渗雨水；当降雨重现期P=10 a时，PCPS0在45 min时产生地表径流，PCPS1在50 min 时产生地表径流；当降雨重现期P=50 a时，3 种PCPS 均出现了地表径流，PCPS0 最早产流，PCPS2 最晚产流，说明随着降雨强度的增大，雨水下渗速率不足，导致3 种PCPS 均出现地表径流；当降雨重现期P=100 a时，3种PCPS的产流顺序与降雨重现期P=50 a时相同，且产流时间均提前。在相同降雨重现期下，PCPS2的径流系数相对较低，说明其入渗能力最强。

图2 不同降雨重现期下PCPS径流系数Fig.2 Runoff coefficient of PCPS under different rainfall return periods

综上所述，3 种PCPS 的径流系数均随降雨重现期的增大而增大，产流时间随降雨重现期增大而缩短。在相同降雨重现期下，由于PCPS1 和PCPS2 的孔隙连通性较好，雨水能够快速入渗，场次降雨径流系数均低于PCPS0，能有效控制地表径流的发生，故建筑砖垃圾和建筑混凝土垃圾以再生骨料的形式应用到透水铺装中可有效削减径流，延迟产流时间。

2.1.2 降雨重现期与污染物净化的关系

图3 为不同降雨重现期下不同PCPS 对径流污染物SS 的净化效能。其中图3（a）～3（c）为各PCPS对污染物SS的净化率，可明显看出随降雨时间的增加，SS的净化率呈先迅速增长后趋于平缓的趋势，由图3（d）可知PCPS1和PCPS2对径流污染物SS的场次降雨净化率要明显高于PCPS0，幅度在5%左右。这是由于径流污染物SS 的净化机理为过滤、沉淀、吸附、截留，而再生骨料比普通骨料的孔隙率高，吸附、截留能力较强，因此再生骨料对SS的净化率优于普通骨料。随着降雨重现期的增大，径流污染物SS的净化率均呈下降趋势，下降幅度在3%左右。

图3 不同降雨重现期下PCPS对径流污染物SS的净化效能Fig.3 Purification efficiency of PCPS for runoff pollutant SS under different rainfall reappearing periods

图4 为不同降雨重现期下不同PCPS 对径流污染物COD 的净化效能。其中图4（a）～4（c）为各PCPS 对污染物COD 的净化率，可明显看出随降雨时间的增加，COD 的净化率呈增长趋势，由图4（d）可知在相同降雨重现期下，PCPS1 和PCPS2 对径流污染物COD 的净化率要略高于PCPS0，随着降雨重现期的增大，各PCPS 对径流污染物COD 的净化率整体呈下降趋势。这是由于径流污染物COD 的净化机理为吸附、过滤等非生物作用过程以及生物氧化等生物作用过程，而建筑砖垃圾和混凝土垃圾携带一定量的有机物，加之其孔隙率要高于普通骨料，因此再生骨料PCPS对COD的净化率要高于普通骨料PCPS。

图4 不同降雨重现期下PCPS对径流污染物COD的净化效能Fig.4 Purification efficiency of PCPS for runoff pollutant COD under different rainfall reappearing periods

图5为不同降雨重现期下不同PCPS对径流污染物TN 的净化效能。其中图5（a）～5（c）为各PCPS 对污染物TN 的净化率，可明显看出随降雨时间的增加，TN 的净化率呈增长趋势，由图5（d）可知3种PCPS对径流污染物TN的场次降雨净化率范围分别为26.84%～31.93%、28.99%～34.11%、28.01%～32.96%。由于径流污染物TN 的净化主要是截留、吸附、离子交换和微生物分解，并且砖和混凝土在使用过程中内部产生微量微生物，制备成骨料时部分微生物存留了下来，因此在相同降雨重现期下，PCPS1 和PCPS2 的净化率高于PCPS0，幅度为2%左右，随着降雨重现期的增大，雨水冲刷发生解吸附，部分微生物随雨水冲刷而流失，导致径流污染物TN的净化率降低。

图5 不同降雨重现期下PCPS对径流污染物TN的净化效能Fig.5 Purification efficiency of PCPS for runoff pollutant TN under different rainfall reappearing periods

图6 为不同降雨重现期下不同PCPS 对径流污染物TP 的净化效能。其中图6（a）～6（c）为各PCPS 对污染物TP 的净化率，可看出随降雨时间的增加，TP的净化率呈平缓增长趋势。由图6（d）可知在相同降雨重现期下，PCPS1 和PCPS2 对径流污染物TP 的净化率要高于PCPS0，这是由于再生砖骨料和再生混凝土骨料上残留了部分水泥，与污染物TP 发生化学反应，将其转化为不可溶性P 被过滤、吸附、截留净化，进而提高了PCPS1 和PCPS2对TP的净化能力。随着降雨重现期的增大，场次降雨径流污染物TP 的净化率呈现出减小趋势，但3 种PCPS 对径流污染物TP的净化效果均较好，净化率在70%左右。

2.2 不同污染物浓度对PCPS底部排水量和污染物净化的影响

2.2.1 污染物浓度对PCPS底部排水量的影响

图7 为不同PCPS 的底部排水量与污染物浓度的关系。由图7 可知，在相同污染物浓度下，PCPS2 的峰值出水量最大，PCPS1的峰值出水量最小，说明再生混凝土块的渗水能力最好；随径流污染物浓度的增加，3 种PCPS 排水开始时间延迟，排水量降低，这是由于雨水的入渗是受控于重力和基质吸力，在径流污染物浓度较低时，各PCPS 内部颗粒间隙均未堵塞，孔隙率未被改变，但在高污染物浓度下，PCPS内部颗粒间隙出现堵塞，导致孔隙率下降，PCPS的入渗率降低。砖和混凝土经过之前的使用内部出现大量裂纹，制备成骨料后增大了PCPS 的孔隙率，故随污染物浓度的增加，对PCPS1 和PCPS2 的排水量影响较小。部分峰值排水量处于波动状态，这是由于渗漏通道被堵塞，导致部分水体被蓄留在内部，随着被蓄留的水越来越多，堵塞体承受的水压力越来越大，将堵塞体冲开，之前被堵塞的水也随之流出，因此会出现先下降后上升的现象。

图7 不同PCPS排水情况Fig.7 Drainage of different PCPS

综上所述，随径流污染物浓度的增加，会降低PCPS 的入渗能力，但建筑垃圾所制备的再生骨料比天然骨料的孔隙率大，在较高径流污染物浓度下，内部颗粒物堵塞较轻，对入渗能力影响较小，故不同污染物浓度下排水量波动较小。

2.2.2 污染物浓度对不同PCPS污染物净化的影响

通过计算可得不同污染物浓度下各PCPS 对典型污染物的净化率和平均净化率，如表6 所示。随着径流污染物浓度的增加，各PCPS 对径流污染物净化率均呈下降趋势，但下降趋势较小，这是由于常见的径流污染物浓度，各PCPS 的净化能力均在范围之内，故随污染物浓度的升高呈现轻微下降趋势。其中对径流污染物SS 平均净化率均达到93%以上，对污染物TP 平均净化率均达到70%以上，可以较好地净化污染物SS 和TP，但对污染物COD 和TN 的净化效果不理想。总体而言，随径流污染物浓度的增加，PCPS1和PCPS2的净化率下降幅度比PCPS0小，相同径流污染物浓度下，PCPS1 和PCPS2 对径流污染物的净化效果优于PCPS0。

表6 不同浓度径流污染物净化率 %Tab.6 Purification rate of runoff pollutants with different concentrations

3 结论

（1）随着降雨重现期的增大，3 种PCPS 的径流系数均上升，典型污染物的净化率均下降。在相同降雨重现期下，PCPS1 对典型污染物SS、COD、TN的净化效果最好，PCPS2的入渗能力和对典型污染物TP的净化能力表现出明显优势。

（2）随着径流污染物浓度的增加，3 种PCPS 的入渗能力和对典型污染物净化能力均不同程度下降。在较高径流污染物浓度时，介质内部堵塞是影响PCPS 入渗率的主要因素，故再生骨料入渗能力和净化能力随径流污染物浓度的增加影响较小。

（3）建筑垃圾所制成的再生骨料因孔隙率高、自身带有吸附介质等特点，使再生骨料透水混凝土在入渗和污染物净化方面表现出明显优势。因此再生骨料透水混凝土铺装具有良好的应用前景，为今后建筑垃圾再利用提供了一种有效的途径。