基于低影响开发的透水铺装材料制备及应用

□文/刘 超 毕 宇 杨 旭

随着城市化进程的快速发展，越来越多的自然地表被建筑和硬化地表所代替，绿化面积的大幅减少和不透水区域面积的激增使得降水无法回渗到土壤，诱发了水体污染、城市内涝、热岛效应等一系列的城市环境问题；理论上可采用工程性（如滞留池、渗透设施、人工湿地、生物过滤和停留系统等）并辅之以非工程性（如土地使用规划、垃圾管理、街道清扫等）的措施来缓解因城市化进程带来的环境问题。20 世纪90 年代末美国提出一种新的雨水管控理念——低影响开发（Low Impact Development）进行暴雨管理，其强调源头处理的模式，以将城市的水文环境还原到未开发的状态为目标。基于此，近年来我国提出了“海绵城市”的城市雨洪管理概念并在全国多个城市建立试点，实践成果显著[1～2]。

“渗、滞、蓄、净、用、排”是实现低影响开发的主要环节和关键因素，“渗”作为整个体系的第一个环节起着至关重要的作用，目前采用的方法是透水铺装，常见的透水铺装材料有透水沥青混凝土、透水水泥混凝土、透水砖[3～4]。

不同透水铺装材料在实际应用时又存在着各自的问题：透水沥青混凝土在施工时需要高温加热拌和，能耗高且有刺激性气味；透水水泥混凝土在施工时有扬尘；这都与现阶段绿色施工要求不符，应用受到限制。透水砖施工时基础采用河砂找平，使用期间由于雨水的渗透、冲刷作用，找平层会被破坏，导致路面不平或者砖块滑脱，影响正常使用。聚氨酯胶水为无溶剂型双组分聚氨酯材料，以其为胶黏剂制备透水路面铺装材料，在施工时不会有扬尘和刺激性气味且由于施工采用整体铺装，保证了施工效果的功能性和美观性。

1 样品制备及检测结果

1.1 原材料

1）巴斯夫聚氨酯胶水，A、B组分各一桶。

2）石子，粒径3～5 mm。

1.2 制备方法

1.2.1 试验设计

通过查询文献及咨询聚氨酯树脂生产厂家，初步确定聚氨酯胶水掺量范围为3%～4%[5]。采用单一变量法，石子用量不变，聚氨酯胶水掺量试验梯度为0.1%，共10个对照组，依据GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》指标要求，试块尺寸为200 mm×100 mm×60 mm，劈裂抗拉强度、透水系数及耐磨性，每项指标制备3 块，检测结果取算数平均值，因此，共需制备试块90块。

1.2.2 样块制备

准备小型搅拌机、电子称、抹子、插捣棒、称料容器、模具等试验设备并按以下工艺制备试块：

1）将胶水A∶B=100∶85混合，搅拌1 min待用；

沙沟内地形陡峻，分布中志留系统韩家店组页岩，岩性软弱、风化强烈，为区域易滑地层，沟内滑坡、崩塌、坍塌等不良地质现象十分发育(图2)，为泥石流的形成提供了丰富的松散固体物质来源。经野外勘查，沟内共有滑坡2个，崩滑体10个，崩滑堆积物源总量8.31×104 m3；沟内还堆积了丰富的沟道冲洪积体，体积2×104 m3，坡面强风化页岩体积11×104m3。物源总量为21.31×104 m3，其中可参与泥石流活动的动储量为10.2×104 m3(表2)。

2）按试验分组依次称取石子10 kg，分别掺入聚氨酯胶水 0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39、0.40 kg；

3）将石子与胶水混合搅拌3～5 min；

4）将混合料倒入模具，分层插捣成型，表面用抹子按压抹平；

5）24 h后拆模。

1.3 检测方法

按照GB/T 25993—2010 规定的检测方法，对样块的裂抗拉强度、透水系数及耐磨性进行检测。

1.4 检测结果

检测结果见表1。

表1 样块检测结果

2 试验数据分析

依据表1，使用origin软件绘制聚氨酯胶水用量与劈裂抗拉强度、透水系数的关系，见图1。

图1 聚氨酯胶水用量对劈裂抗拉强度、透水系数的影响

2.1 聚氨酯胶水用量对劈裂抗拉强度的影响

随着聚氨酯胶水用量的增加，试块的劈裂抗拉强度增加。

区别于传统透水混凝土的强度增加方式，本试验样块的强度主要是依靠聚氨酯胶水的熟化程度。骨料之间的连接方式是点连接，随着聚氨酯树脂用量的增加，骨料间点与点之间的连接得到加强，甚至会出现面连接的情况，从而增加了试块的劈裂抗拉强度。

2.2 聚氨酯胶水用量对透水系数的影响

随着聚氨酯胶水用量的增加，试块的透水系数呈现递减趋势且在3.6%～3.8%之间出现急剧减小的情况。

造成这种现象的原因有两个：一是由于聚氨酯胶水用量的增加，试块结构内连通孔隙的数量有所减少；二是聚氨酯胶水用量超过某一限值时出现流挂、结皮现象。

2.3 聚氨酯胶水用量对耐磨性的影响

聚氨酯胶水用量的增加在3%～4%范围内对样块的耐磨性的影响不大，其主要因素来自骨料自身的强度指标。

2.4 聚氨酯胶水合理掺量的选择

通过分析图1，综合考虑聚氨酯胶水用量增加对试块劈裂抗拉强度与透水系数的影响，确定合理的掺加范围介于3.6%～3.8%之间。重新制备样块，综合考虑现行标准要求及成本因素，最终确定聚氨酯胶水的掺量为3.7%。

3 应用分析

3.1 气候条件

3.1.1 降水量

我国年平均降水量总的分布趋势是由东南向西北逐渐减少。就干旱地区而言需从技术、经济角度综合制定透水路面的设计与实施方案并充分评估其可行性。本文制备的透水路面材料，透水系数远高于标准值，可应用于我国大部分区域，尤其是年平均降水量较高的地区。在设计方案时可以采取增加厚度的方式增加渗透路径，可短时间蓄水。保证雨水顺利下渗、路面不致出现积水和径流现象[6～8]。

3.1.2 温度

我国建筑气候分区众多，大致可分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。因此，环境温度对透水铺装材性能的影响需引起重视，尤其是抗冻性能。通过抗冻性能测试，本文制备的透水铺装材料在35 次冻融循环后质量损失为0，强度损失17%，具有较高的抗冻性能[9]。

3.2 地质条件

考虑到透水铺装材料为多孔材料，作为路面使用时，其基础最好为砂性土地基，粉土和饱和度较高的黏性土不适宜，施工前需进行必要的加固处理。根据地质条件的不同，本文制备的透水铺装材料在实际应用中可以通过全透水结构和半透水结构来实现。全透水结构是在砂性土地基上直接铺设，半透水结构是指在非砂性土地基加固后进行铺设施工[10～12]。

3.3 场址属性

城市按区域功能的不同可分为工业区、商业区、文教区、住宅区、观光区等。重工业区空气悬浮物多，重载车辆使用率高，不适宜修建透水路面。透水路面最宜建在空气质量与环境卫生较好及车辆使用率低的文教区、住宅区和观光区。透水铺装在“雨水花园”中的应用极具推广价值，作为一种雨水处理设施，雨水花园是在低洼区域种植特定种类植物，通过土壤与植物的过滤作用净化雨水并最终将雨水暂时滞留渗入地下或利用溢流装置排出以减少地表径流[13]。

4 结论

1）本文制备的透水路面铺装材料的聚氨酯胶水的最佳掺量为3.7%，透水系数可达25.3×10-2cm/s，劈裂抗拉强度、耐磨强度等指标通过国家现行标准检测，具备推广价值，后续将针对现场施工工艺进行编制及优化。

2）结合材料性质以及透水铺装选址所需的气候、地址、场址性质等因素综合考虑，本文制备的透水铺装材料适合用在城区的商业区、文教区、住宅区、观光区等并结合低影响开发的其他技术手段，最大限度发挥其作用。