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透水砖及透水砖的生态型透水系统

前 言
目前,随着经济的发展,城市现代化建设步伐的加快,大多数城市相继出现地下水资源缺乏、热岛效应等。研究发现,这些问题都与城市建设中自然土壤植被不断被建筑物及各种不透水地面覆盖有关。国内许多城市的不透水地面比例已超过 70%,改变了原有的天然地面可渗透性属性,极大的破坏了生态环境。虽然现在许多城市的停车位、人行道等路面都铺设了透水砖、吸水砖等,但这些砖的基层却大都没有进行处理,致使这些砖仅限于吸取部分少量雨水和起排水作用,在大雨或暴雨时路面还会积水,给城市排水和防洪造成压力。另外,在旱季的时候也不能把地下水通过蒸发透过透水砖及时补充到空气中,无法缓解“热岛效应”。
通常透水性铺装系统是由一系列的混凝土块和塑料网状结构,填以砂、砾石及土壤组成,具有孔隙通透性。这些孔隙使雨水能渗入到地下土壤,对减少城市发展带来的雨水径流起到很大的作用。透水砖铺装系统具有削减径流洪峰、储存雨水、施工维修简易等优点,得到业内专家的推崇。许多学者针对透水砖材料强度、渗透系数等进行了研究,但目前尚缺乏对透水砖铺装系统的综合研究。造成透水砖铺装系统的使用效果参差不齐。
本文针对浙江方远建材科技有限公司生产的透水砖及其铺设各层材料的性能及作用,研究一种生态型透水系统,用以解决城市水循环和缓解“热岛效应”及有效调节城市小气候。
1 透水砖的性能研究
透水砖是生态型透水系统的主要组成部分,也是整个系统暴露在外面与人接触的部分,所以,根据透水砖的特点和在整个透水系统中的作用,在研发过程中对砖的类型、结构、配合比、制备工艺、性能进行分析研究。
1.1 透水砖的主要类型
透水混凝土制品按透水方式可分为 3 类:正面透水型、侧面透水型和接缝透水型。我们主要研究正面透水型砖的复合层型和单层型透水砖。
1.2 透水砖的结构形式与选材特点
本文主要研究的透水砖标准规格尺寸为边长 200 mm,厚度 60 mm,边长/厚度=3.33(小于 5)。块体由 2 层复合组成。面层:5~8 mm 厚,采用特制砂浆,既提高了面层的耐磨度,还便于掺加染料或人工彩砂,配制各种彩色质感透水砖。基层:55~52 mm 厚,为小粒径粗骨料透水混凝土,在较高的抗压强度时仍具有较大的连通孔隙率,以确保透水性。透水砖示意见
1.3 透水砖的配合比
1.3.1 基层配合比
基于透水混凝土的研究,考虑透水砖的特点,经大量试验,所制备的透水砖基层采用 1.25~5.0 mm 的骨料(浙江临海碎卵石)、水泥(海螺 P·Ⅱ52.5)、粉煤灰(台州电厂Ⅲ级灰)、水(混凝土拌合用水)和萘系高效减水剂(台州鲁班)5 种基本原材料,按水胶比 0.22,集灰比 3.0,目标孔隙率 15%,减水剂掺量为胶凝材料用量的 2.0%,计算基层配合比。
1.3.2 面层配合比
经过大量试验,面层采用特殊级配的砂(浙江长兴石英砂,粒径为0.63~1.25 mm)、水泥(海螺 P·Ⅱ52.5)、水(混凝土拌合用水)3 种基本原材料,并掺入减水剂(台州鲁班),同时掺入适量颜料(浙江联合颜料有限公司)增加色彩。采用水胶比 0.24,集灰比 3.2,目标孔隙率 10%,减水剂掺量为胶凝材料用量的 1.0%,颜料用量为胶凝材料用量 0.8%的配合比。
1.4 透水砖制备与成型工艺
通过试验,我们对透水砖的成型工艺、原材料配合比和养护方法进行了大量的摸索。确定了采用基层和面层复合成型,面层厚度 5mm,基层厚度 55 mm,选用北京瑞图公司产生产线,养护方法采用蒸汽养护。
(1)搅拌:透水砖的混合料应采用干硬性混合料,不能太稀,在振动条件下不能发生堆积现象,因此应采用强制式搅拌机搅拌,搅拌时间比塑性混凝土混合料适当延长。
(2)振动:振动可加速混合料的移动与压力传递。振动时间过短,混合料过于松散;振动时间过长,胶结材料会下沉,堵塞空隙,使透水性能下降。振动频率的选择也非常重要,要根据混合料选择调整振动频率,使其接近混合料的固有频率,从而缩短振动时间。经过多次试验,本研究确定了合适的振动时间与频率。
(3)压制成型:一定的压力可使混合料紧密地结合在一起,有利于提高强度,但过大的压力会造成透水性的降低。而且,成型压力还与振动时间、振动频率、混合料干硬程度、布料高度(量)等有关。本研究采用了二次布料,一次成型的方法,保证了基层与面层间的良好结合。
本研究采用正交实验法研究上述因素在不同水平下对透水砖的强度和透水性的作用,确定了优化的工艺参数:装机总功率:400 k W,振动电机:2×15 k W,上模振动电机:2×1.1 k W,液压站功率:58.7 k W,液压站工作压力:16 MPa。1.5 透水砖的性能透水砖的性能指标主要包括抗压强度、抗折强度(一般边长/厚度小于 5,抗折强度可以不予考虑)、耐磨性、保水性、透水系数等。在制作透水砖之前,首先进行不同粗骨料及不同配比的试件制作,并进行性能测试,待测试的性能满足要求后,再进行透水砖的制作。研究中发现,单层型透水砖制作简单,透水系数较大,但表层粗糙,耐磨性差,故对透水砖的后期研究主要关注复合型透水砖
2 透水混凝土的性能
以硅酸盐水泥为胶凝材料,采用单一粒级粗骨料,不用或少用细骨料,骨灰比为 3.0~4.0、水灰比为 0.30~0.35,混凝土拌合物较干硬采用压力成型,形成具有 15%~25%连通空隙的混凝土,其表观密度通常为 1700~2200 kg/m3,抗压强度可达 15~30 MPa,透水系数为 1~15 mm/s。
3 生态型透水系统机理及结构方案
3.1 生态型透水系统机理
生态型路面砖透水系统中透水砖与垫层因内部含有大量的连通空隙,在下雨或有积水时,水顺着连通空隙逐层下渗至土壤,部分来不及下渗的暂时存储在空隙中(部分由于地下原因等不能下渗的,可以人工设立储水池进行雨水收集),在一定条件下再进行下渗或者蒸发,从而使雨水在地表与地下进行互补。即在雨天,雨水透过渗透层下渗到地下或被储蓄、收集,在干燥和高气温时,再逆向透过渗透层补偿空气湿度,另外也可以用收集的雨水进行回灌喷洒,进行空气雨水循环,缓解城市热岛效应。
3.2 生态型透水系统结构方案
生态型透水系统下雨时可以吸纳雨水,天气热时可以“排汗”,有助于解决城市积水和热岛效应两大难题。在雨季,雨水顺利通过整个系统的高渗透性下渗、收集或储存在系统里。在干燥季节,整个透水系统中排列了大量的连通孔,能将渗入整个系统下或保留在整个系统里面的水反过来“排”到大气中,起到调节空气湿度、降低大气温度的作用。本文具体介绍以下 2 个方案:一是雨水集中回收处理方案,该方案分为有地下室和无地下室两类;二是雨水自然渗到地下土层方案。
3.2.1 雨水集中回收处理方案
(1)有地下室雨水集中处理的方案。由下至上各层结构分别为:结构层、储水池、防水层、陶粒渗透层、透水混凝土渗透层、铺贴层、透水砖层。
在结构层上做防水层,主要是防止雨水下渗到地下室。在地下室留雨水储存池,并将面上雨水集中引入池内(池内放小型离心泵,在干燥或高温天气可以利用收集的雨水对路面和植被进行喷洒,下同);渗透层铺陶粒(厚度大于 100 mm);陶粒层上浇筑大于 150 mm 厚的透水混凝土基层(强度不低于 C20);透水混凝土基层上用 30~50 mm 厚 1∶4 水泥砂浆铺贴透水砖。
(2)对无地下室且有雨水集中处理的方案。由下至上各层结构分别为:储水池、塘渣回填层、防水土工布防水隔离层、透水混凝土渗透层、铺贴层、透水砖层。
先选择预留储水池,然后进行塘渣回填压实找平,再在其上用防水土工布做防水隔离层,并在其上面浇筑大于 150 mm厚透水混凝土基层(强度不低于 C20);透水混凝土基层上用30~50 mm 厚 1∶4 水泥砂浆铺贴透水砖。
3.2.2雨水自然渗透到地表土层方案
此方案由下至上各层分别为:地下土层、砂石储水层、透水混凝土渗透层、铺贴层、透水砖层。
在地表层上用砂石回填压实找平(砂石回填时注意颗粒级配,里面留有适当空隙,一方面利于雨水下渗,另外空隙也可以储存来不及下渗的雨水),之上浇筑大于 150 mm 厚的透样,柱温 100 ℃保持 1 min,10 ℃/min 升温至 150 ℃保持 5 min,25 ℃/min 升温至 250 ℃保持 1 min 可得到峰形好、分离效果好的色谱图。分别检验了低浓度进样和高浓度进样的重复性,检验了低浓度进样(进样量 1×10-7 g 数量级)已知样品 N75 的准确度,测得 N75 游离 HDI 含量为 0.32%,变异系数为6.48%;以及高浓度进样(1×10-6 g 数量级)未知样品的精度,测得实验室制 HDI 缩二脲固化剂游离 HDI 含量为 44.18%,变异系数为1.77%,准确度和精度均符合测试方法要求。试验证明本方法简便,分析时间短,既可以用于测试合成反应过程中游离 HDI 含量在 30%~90%的样品,便于跟踪HDI 反应程度,确定反应终点;也可以用于测试产品中游离HDI 浓度在0.1%~2.0%的样品,以保证产品的质量。


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