暴雨作用下新型再生透水混凝土的抗堵塞性能

朱平華，史志浩，嚴(yán)先萃，楊 磊，宗美榮

（常州大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

近些年來(lái)中國(guó)暴雨內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，“逢雨必澇”已成為中國(guó)許多城市的真實(shí)寫照［1］.透水混凝土（PC）是一種多孔輕質(zhì)混凝土［2］，具有良好的透水功能［3］，是治理城市暴雨內(nèi)澇的重要實(shí)踐［4］.然而，傳統(tǒng)PC 相鄰集料之間的黏結(jié)砂漿減少，在實(shí)際使用環(huán)境中更容易開裂和剝落，嚴(yán)重降低PC 的使用壽命.Welker等［5］發(fā)現(xiàn)在降雨時(shí)不同粒徑的顆粒隨著水流進(jìn)入PC 內(nèi)部并顯著降低了連通孔隙的數(shù)量.Yong 等［6］發(fā)現(xiàn)剝落的細(xì)小路面顆粒會(huì)堵塞PC 的小孔徑通道并增加堵塞深度，例如由于PC 表面的過(guò)早失效（松動(dòng)），丹佛市城市排水和防洪區(qū)暫停使用PC 路面.此外，由于高彎曲度的孔道，部分堵塞顆粒會(huì)隨著暴雨徑流滯留在PC 上部并發(fā)生嚴(yán)重的快速堵塞，之后這些物質(zhì)被車輛載荷分解成更細(xì)小的顆粒，造成PC 路面的滲透性持續(xù)降低，增加了暴雨內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的可能［7］.

一種具有垂直孔道的新型再生透水混凝土（NRPC）在英國(guó)得到了成功的運(yùn)用.NRPC 具有以下特點(diǎn)：通過(guò)引入垂直人工通道來(lái)實(shí)現(xiàn)滲透性，具有高強(qiáng)、高滲透性和耐堵塞性.NRPC 在中國(guó)沒(méi)有得到有效推廣，主要原因是擔(dān)心孔道堵塞后其使用壽命會(huì)大幅降低.眾多學(xué)者對(duì)NRPC 展開了研究：Kia 等［8］發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)多次堵塞循環(huán)后，增加孔徑可以降低NRPC 堵塞發(fā)生的可能性；Kia等［9］根據(jù)NRPC 開發(fā)了高強(qiáng)抗堵塞的透水路面，使用后發(fā)現(xiàn)增加孔隙率可以減少表面的堵塞顆粒滯留；Li等［10］將NRPC 和預(yù)制混凝土板結(jié)合后提出了預(yù)制混凝土板路面系統(tǒng).不同孔徑的NRPC對(duì)不同粒徑堵塞物敏感性是不同的，然而這些研究主要集中在孔隙率對(duì)NRPC 排水和抗堵塞性能的影響［11］，關(guān)于孔徑變化對(duì)NRPC 抗堵塞性能影響的研究較少［12］，尤其是在極端暴雨作用下由不同粒徑堵塞物引起的快速堵塞.

因此，本文利用自制的暴雨機(jī)器模擬暴雨，采用4種粒徑范圍的堵塞物，對(duì)4種孔徑的NRPC暴雨堵塞循環(huán)后的堵塞結(jié)構(gòu)、透水系數(shù)、堵塞深度和堵塞物通過(guò)率進(jìn)行研究.此外，為了提高NRPC在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用潛力，采用100%再生粗骨料代替天然骨料，為確定NRPC在透水路面材料中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)支撐和理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)

1.1 骨料、膠凝材料和堵塞物

水泥為江蘇揚(yáng)子水泥廠生產(chǎn)的P·O 52.5級(jí)水泥；常州熱電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰（FA）和硅灰（SF），表觀密度分別為2 500 kg/m3和2 759 kg/m3；細(xì)骨料為天然河砂（NFA），細(xì)度模數(shù)2.4，表觀密度2 586 kg/m3；常州綠和有限公司生產(chǎn)的再生粗骨料（RCA），粒徑5～16 mm，表觀密度2 203 kg/m3；減水劑為減水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）超過(guò)30%的聚羧酸系減水劑；堵塞物按照其粒徑（r）分為細(xì)砂（CM0.60-1.18）、中砂（CM1.18-2.36）、粗砂（CM2.36-4.75）和全級(jí)配砂（CM0.60-4.75），不同類型堵塞物的級(jí)配如表1所示.

表1 不同類型堵塞物的級(jí)配Table 1 Gradation of different types of clogging materialsw/%

1.2 配合比和試件制備

采用自密實(shí)混凝土作為NRPC 基體，NRPC 的配 合 比 如 表2 所 示.采 用Li 等［10］提 出 的 工 藝 制 備NRPC，如圖1 所示.首先在開孔模具上放置目標(biāo)孔徑的鋼筋，然后將新拌制的自密實(shí)混凝土澆筑到模具中，在混凝土初凝（5～6 h）后拔出鋼筋即可形成帶有垂直孔道的NRPC.NRPC 試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，孔隙率（體積分?jǐn)?shù)）均為0.28%，孔 道 均 為 圓 柱 形，孔 徑（d）分 別 為1.2、1.5、2.0、3.0 mm，孔道分布分別為5×5、4×4、3×3、2×2，分別命名為0.28-1.2-PC、0.28-1.5-PC、0.28-2.0-PC 和0.28-3.0-PC.每組3 個(gè)平行試件，即每種孔徑的立方體試件制備12 個(gè)，共48 個(gè)試件.

圖1 NRPC 的制備過(guò)程Fig.1 Preparation process of NRPC

表2 NRPC 的配合比Table 2 Mix proportion of NRPC kg/m3

1.3 暴雨試驗(yàn)

采用圖2 所示裝置模擬重現(xiàn)期為100 a 的暴雨（芝加哥雨型），暴雨強(qiáng)度i（mm/min）按式（1）計(jì)算.

圖2 常水頭透水系數(shù)測(cè)定儀Fig.2 Constant water head permeability coefficient tester

式中：P為暴雨重現(xiàn)期，a；t為降雨時(shí)間，min.

1.4 透水系數(shù)試驗(yàn)

透水系數(shù)試驗(yàn)之前先打開降雨噴頭并放入堵塞物進(jìn)行暴雨試驗(yàn)，然后進(jìn)行透水系數(shù)試驗(yàn).本試驗(yàn)中透水系數(shù)的測(cè)量采用的是常水頭法，如圖2所示.先將試件放入透水方筒裝置中，試件頂部與方筒上部接觸處用橡皮泥密封.向方筒中加水至上部出水口處，待上部出水口的流量穩(wěn)定后從下部溢流口開始計(jì)時(shí)接水，記錄時(shí)間取30 s.透水系數(shù)的計(jì)算如式（2）所示：

式中：K為透水系數(shù)，mm/s，取3 次試驗(yàn)的平均值；Q為t時(shí)刻的水流量，mm3；L為NRPC 厚度，mm；A為NRPC 的橫截面積，mm2；H為水位差，mm.

1.5 快速堵塞試驗(yàn)

使用表1 中4 種級(jí)配的堵塞物對(duì)NRPC 進(jìn)行快速堵塞試驗(yàn).快速堵塞試驗(yàn)按照以下流程進(jìn)行：（1）用清水對(duì)NRPC 進(jìn)行初始透水試驗(yàn)，得到初始滲透系數(shù)（Ki）；（2）將25 g 的堵塞物均勻散在NRPC 表面，然后將NRPC 放在暴雨噴頭下進(jìn)行暴雨試驗(yàn)；（3）暴雨試驗(yàn)結(jié)束后用清水測(cè)試NRPC 堵塞后的透水系數(shù)（Kr）.步驟（2）、（3）記作1 次堵塞循環(huán)，然后重復(fù)4 次堵塞循環(huán).4 次堵塞循環(huán)結(jié)束后，用1 根直徑等于孔道孔徑的鋼筋從透水混凝土底部緩慢伸入，當(dāng)鋼筋被堵塞物阻礙而停止時(shí)記錄鋼筋伸入孔道的長(zhǎng)度，用透水混凝土的高度減去鋼筋伸入孔道內(nèi)部的長(zhǎng)度作為最底層堵塞物到NRPC 表面的距離，即堵塞深度.最后將散落于套筒內(nèi)及試件上表面的砂粒收集起來(lái)，洗凈、烘干、稱重并篩分，計(jì)算堵塞物通過(guò)率.堵塞物通過(guò)率為通過(guò)孔道堵塞物的質(zhì)量與4 次堵塞循環(huán)過(guò)程中全部堵塞物質(zhì)量的比值.

2 結(jié)果與討論

2.1 孔道內(nèi)的堵塞形式

2.1.1 單一截面堵塞結(jié)構(gòu)

小粒徑和大粒徑的堵塞物都可以造成NRPC 透水系數(shù)降低，但對(duì)于不同孔徑的NRPC，所形成的堵塞結(jié)構(gòu)是不同的，這是因?yàn)镹RPC 的堵塞結(jié)構(gòu)并不單一取決于孔徑或堵塞物粒徑，而是由孔徑d和堵塞物粒徑（r）共同決定.圖3 給出了本試驗(yàn)中觀察到的不同的單一截面堵塞結(jié)構(gòu)，并根據(jù)孔徑和堵塞物粒徑的比值（d/r）進(jìn)行了初步的分類.從圖3 可以看出，d/r的變化對(duì)堵塞結(jié)構(gòu)的影響顯著.根據(jù)d/r范圍，NRPC 堵塞結(jié)構(gòu)可分為3 類：?jiǎn)晤w粒表面堵塞、單顆?？椎蓝氯投囝w?？椎蓝氯?當(dāng)d/r≤1.0 時(shí)，NRPC 主要發(fā)生單顆粒表面堵塞，堵塞物不會(huì)進(jìn)入孔道，但在水流等外力沖擊下容易發(fā)生移動(dòng).單顆粒孔道堵塞通常發(fā)生在1.0＜d/r≤1.5 時(shí)，單顆粒堵塞時(shí)擁有較高的殘余空隙，對(duì)透水系數(shù)衰減作用有限［13］，但其穩(wěn)定性最高.當(dāng)1.5＜d/r≤6.0 時(shí)，孔道內(nèi)部容易形成多顆粒堵塞，其特點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致透水系數(shù)迅速降低，但隨著d/r的增加，多顆粒堵塞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)不斷降低.上述結(jié)果表明，d/r的不同對(duì)NRPC 的堵塞結(jié)構(gòu)有不同程度的影響.因而在NRPC孔徑設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)缆范氯锪椒植即_定后，可以適當(dāng)增加d/r，不僅可以避開引起堵塞的顆粒敏感粒徑，還可以減小多顆粒堵塞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低堵塞發(fā)生的可能性.

圖3 不同的單一截面堵塞結(jié)構(gòu)Fig.3 Different single cross-section clogging structures

2.1.2 連續(xù)堵塞結(jié)構(gòu)

在暴雨沖刷下，單顆粒表面堵塞只發(fā)生在NRPC 表面并無(wú)法進(jìn)入孔道，因此只將單顆?？椎蓝氯投囝w?？椎蓝氯M(jìn)行組合，來(lái)模擬NRPC 孔道內(nèi)的連續(xù)堵塞結(jié)構(gòu).圖4 給出了6 種NRPC 孔道中的連續(xù)堵塞結(jié)構(gòu)（Type A～Type F）.單顆粒堵塞和多顆粒堵塞發(fā)生的初始位置決定了之后的堵塞結(jié)構(gòu).初始堵塞結(jié)構(gòu)發(fā)生在孔道下部時(shí)通常會(huì)使孔道發(fā)生完全堵塞，這是因?yàn)槎氯飼?huì)跟隨雨水在初始堵塞結(jié)構(gòu)的上方不斷累積，直至填滿整個(gè)孔道或形成新的堵塞結(jié)構(gòu).Type B、Type D、Type E 和Type F 大多出現(xiàn)在堵塞物為CM0.60-1.18 和CM0.60-4.75 時(shí)，其他2 種類型堵塞物（CM1.18-2.36，CM2.36-4.75）出現(xiàn)的堵塞結(jié)構(gòu)多為Type A 和Type C，說(shuō)明與大粒徑堵塞物相比，在暴雨沖刷下小粒徑堵塞物更容易進(jìn)入孔道.此外由于過(guò)高的自重，暴雨結(jié)束后粒徑大于1.18 mm 的堵塞物多停留在NRPC 的表面，因此很少在孔道內(nèi)發(fā)生聚集.在所有連續(xù)堵塞結(jié)構(gòu)中，Type F 是最常見(jiàn)的堵塞結(jié)構(gòu)，然而d/r越大，Type F 在大粒徑堵塞物的沖擊下越容易遭到破壞.此外，Type C 要優(yōu)于Type F，這是因?yàn)椋篢ype C 殘留孔隙率顯著高于Type F；另外Type C 相當(dāng)于在孔道表面形成了一個(gè)阻隔結(jié)構(gòu)，可以防止后續(xù)的堵塞物進(jìn)入孔道內(nèi)部.

圖4 連續(xù)堵塞結(jié)構(gòu)Fig.4 Continuous clogging structures

2.2 透水系數(shù)變化規(guī)律

選用4 種粒徑范圍的堵塞物對(duì)4 種孔徑的NRPC 進(jìn)行暴雨作用下的快速堵塞試驗(yàn)，得到NRPC透水系數(shù)的變化如圖5 所示.從圖5 可以看出，NRPC的透水系數(shù)在第1 次堵塞后普遍迅速降低，在隨后的堵塞循環(huán)中透水系數(shù)衰減速率減小.說(shuō)明NRPC 堵塞主要發(fā)生在第1 次堵塞中，這是因?yàn)榈? 次堵塞主要由暴雨沖刷下進(jìn)入孔道或停留在孔道表面的堵塞物引起，而隨后的透水系數(shù)降低是因?yàn)槎氯锖穸鹊脑黾?，如圖6 所示.此外，由于堵塞物厚度的增加，進(jìn)入孔道的水流速度降低，暴雨對(duì)NRPC 孔道內(nèi)堵塞結(jié)構(gòu)的影響逐漸減小.

圖5 NRPC 透水系數(shù)的變化Fig.5 Variation of permeability coefficient of NRPC

圖6 引起透水系數(shù)降低的堵塞形式Fig.6 Clogging form leading to reduction of permeability coefficient

由圖5 還可以看出，CM0.60-1.18 對(duì)NRPC 透水系數(shù)的影響較為顯著（僅試件0.28-3.0-PC 出現(xiàn)了反常），與初始滲透系數(shù)相比，試件0.28-1.2-PC、0.28-1.5-PC 和0.28-2.0-PC 的透水系數(shù)分別降低了85.1%、86.6%和79.2%.說(shuō)明CM0.60-1.18 更容易降低NRPC 的透水系數(shù)，這是因?yàn)楸┯隂_刷下其堵塞結(jié)構(gòu)多為Type B、Type D 和Type E，多顆粒堵塞結(jié)構(gòu)通常會(huì)導(dǎo)致孔道完全堵塞.CM0.60-1.18 對(duì)試件0.28-3.0-PC 的透水系數(shù)影響較小，降幅僅為31.5%.這是由于d/r較高時(shí)，0.28-3.0-PC 形成的堵塞結(jié)構(gòu)多為穩(wěn)定性較差的Type F，在水流或其它堵塞顆粒的沖擊下容易遭受破壞，這也說(shuō)明d/r較高時(shí)，單獨(dú)的多顆粒堵塞結(jié)構(gòu)（Type F）對(duì)透水系數(shù)的影響是有限的.

CM2.36-4.75 對(duì) 試 件0.28-1.2-PC、0.28-1.5-PC和0.28-2.0-PC 透水系數(shù)影響最小，與初始滲透系數(shù)相比，其透水系數(shù)分別降低了40.7%、40.6% 和45.7%，這是因?yàn)槠涠氯Y(jié)構(gòu)多為單顆粒表面堵塞；而試件0.28-3.0-PC 的透水系數(shù)降低了58.2%，說(shuō)明引起其透水系數(shù)降低的關(guān)鍵粒徑為2.36～4.75 mm.其次，隨著堵塞物粒徑的增加，d/r不斷降低，形成的堵塞結(jié)構(gòu)多為Type A 和Type C.CM0.60-4.75 對(duì)透水系數(shù)的降低幅度高于CM2.36-4.75，這是因?yàn)槠涠氯Y(jié)構(gòu)多為Type B 和Type D，堵塞后CM0.60-4.75中小粒徑的堵塞物很難在水流和氣流作用下繼續(xù)向下移動(dòng)，進(jìn)而填充在空隙之間并引起透水系數(shù)降低［14］.說(shuō)明單顆?？椎蓝氯菍?dǎo)致透水系數(shù)降低的重要堵塞結(jié)構(gòu)，因?yàn)樾×降亩氯锟梢栽谄渖戏讲粩喾e累.

2.3 孔道的堵塞深度

堵塞深度對(duì)于PC 清洗方式的選擇具有重要意義，不適當(dāng)?shù)那逑捶绞娇赡軙?huì)加大堵塞深度，例如高壓沖洗孔道上部的堵塞會(huì)將堵塞物推入孔道更深處［15］.圖7 給 出 了NRPC 總 堵 塞 深 度（htotal=h1+h2+…+hn，hn為第n個(gè)孔道內(nèi)的堵塞深度）和透水系數(shù)衰減率（1-Ki/Kr）的關(guān)系.由圖7 可見(jiàn)：隨著總堵塞深度的增加，透水系數(shù)衰減率不斷上升，當(dāng)總堵塞深度為1 167.4 mm 時(shí)，透水系數(shù)衰減率甚至達(dá)到了89.8%；當(dāng) 堵 塞 物 為 CM0.60-1.18 時(shí)，試 件0.28-3.0-PC 的透水系數(shù)衰減率僅為31.4%，這主要是因?yàn)槠涠氯Y(jié)構(gòu)為穩(wěn)定性較差的Type F.

圖7 總堵塞深度和透水系數(shù)衰減率的關(guān)系Fig.7 Relationship between total clogging depth and permeability coefficient reduction rate

圖8 展示了NRPC 每個(gè)孔道堵塞深度（h）的變化，其中每種孔徑只考慮1 種孔道分布.從圖8 可以看出，d/r的變化對(duì)NRPC 的堵塞深度影響顯著.當(dāng)堵塞物相同時(shí)，隨著d/r的減小，NRPC 孔道的平均堵塞深度逐漸增加.尤其是當(dāng)NRPC 孔徑為1.2 mm時(shí)，孔道內(nèi)的平均堵塞深度均明顯大于其他3 種孔徑的NRPC，這是因?yàn)闇p小孔徑會(huì)降低孔道內(nèi)水流速度，堵塞物更容易聚集并滯留在孔道中.暴雨結(jié)束后部分小粒徑（r＜1.18 mm）的堵塞物會(huì)滯留在孔壁上，這相當(dāng)于使孔徑進(jìn)一步降低，在之后的堵塞循環(huán)中更小粒徑范圍的堵塞物在孔道中會(huì)被截留，導(dǎo)致透水系數(shù)減?。?6］；對(duì)比其他3 種孔徑的試件，可以發(fā)現(xiàn)試件0.28-3.0-PC 堵塞孔道內(nèi)堵塞深度顯著降低，為0.3～2.5 mm.從圖8 還可以看出，NRPC 的孔道具有一定的顆粒篩選作用，可過(guò)濾掉粒徑大于孔徑的堵塞物.說(shuō)明對(duì)于大粒徑堵塞物占比較高的區(qū)域，適當(dāng)減小NRPC 孔徑有利于減小堵塞發(fā)生的可能性.

圖8 NRPC 每個(gè)孔道堵塞深度的變化Fig.8 Variation of clogging depth of each pore channel in NRPC（size：mm）

2.4 堵塞物在孔道中的通過(guò)率

d/r越高，在暴雨的沖刷下堵塞物越容易通過(guò)NRPC 的孔道，盡管這暫時(shí)不會(huì)引起NRPC 堵塞，但長(zhǎng)期的積累會(huì)使堵塞物集中在NRPC 底部，對(duì)NRPC 的透水性能造成影響.對(duì)暴雨作用后堵塞物的通過(guò)率進(jìn)行了研究，結(jié)果如表3 所示（NRPC 的孔道分布與圖8 中相同）.從表3 可以看出：當(dāng)堵塞物相同時(shí)，隨著d/r的增加，堵塞物的通過(guò)率不斷增 加，CM0.60-1.18、CM1.18-2.36、CM2.36-4.75 和CM0.60-4.75 的堵塞物通過(guò)率分別從3.9%、0%、0%和1.1%增加到18.1%、11.6%、6.7%和7.1%.堵塞物為CM0.60-4.75 時(shí)，通過(guò)孔道的全級(jí)配堵塞物各粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖9 所示.由圖9 可以看出，隨著d/r的增加，通過(guò)孔道的小粒徑堵塞物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷降低，大粒徑堵塞物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸上升.粒徑為0.60～1.18 mm 的堵塞物質(zhì)量分?jǐn)?shù)從100%降低到38%，而2.36～4.75 mm 的堵塞物質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到15%.說(shuō)明孔道的篩選作用降低，更大粒徑范圍的堵塞物進(jìn)入孔道并沉積在孔道底部.

圖9 通過(guò)孔道的全集配堵塞物各粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.9 Mass fraction of each particle size in fully integrated clogging materials through pore channels

表3 堵塞物的通過(guò)率Table 3 Passing ratio of clogging materials w/%

3 結(jié)論

（1）根據(jù)孔徑和堵塞物粒徑之比，堵塞結(jié)構(gòu)可分為單顆粒表面堵塞、單顆粒孔道堵塞和多顆?？椎蓝氯?單顆?？椎蓝氯姆€(wěn)定性遠(yuǎn)高于多顆?？椎蓝氯?，多顆粒堵塞結(jié)構(gòu)是最容易發(fā)生的堵塞結(jié)構(gòu).隨著孔徑和堵塞物粒徑之比的增加，多顆粒堵塞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不斷降低.

（2）新型再生透水混凝土NRPC 透水系數(shù)的降低主要發(fā)生在第1 次暴雨堵塞循環(huán)中，單顆粒表面堵塞對(duì)透水系數(shù)影響較小，小粒徑堵塞物形成的多顆?？椎蓝氯麜?huì)導(dǎo)致透水系數(shù)迅速降低.在相同的孔隙率下，減小孔徑會(huì)增加NRPC 平均堵塞深度，透水系數(shù)衰減率隨著總堵塞深度的增加而增加.

（3）隨著孔徑和堵塞物粒徑之比的增加，堵塞物通過(guò)率不斷增加，暴雨徑流中的堵塞物更容易進(jìn)入孔道，孔道的篩選作用不斷降低.因此適當(dāng)增加孔徑和堵塞物粒徑之比能夠改善NRPC 的抗堵塞性能.