基于海绵城市建设的新型陶瓷透水砖材料测试与分析

2020-10-19余太平何延召

净水技术 2020年10期

余太平，何延召,*，蔡洪，钟敏

(1.湖北省城建设计院股份有限公司，湖北武汉 430051；2.武汉理工大学市政工程系，湖北武汉 430070)

随着城市现代化进程加快，城市路面硬化程度加大，路面透水、保水能力大大下降，城市内涝问题日益加剧[1]；由于阻碍了与地面之间的热湿交换，缺乏对温度和湿度的调节能力，不透水道路材料易使城市形成“热岛效应”[2]，影响生活质量。当降水量增大时，排水不及时易形成城市内涝，引发灾害，尤其像武汉这样的临江城市，降水及时排放的问题不容忽视。因此，加强海绵城市建设，恢复城市道路透水、保水能力刻不容缓。海绵城市可以实现渗水、蓄水、释水功能，主要利用透水材料铺装、下沉式绿地、生物滞留设施等减少雨水下渗量，再利用蓄水池、雨水罐、湿塘、雨水湿地等将降水进行收集利用，最终达到降水减排、资源化利用的目的[3]。目前，市面上常用的普通陶瓷透水砖具有较好的透水性能，可减缓产流，减小下水道排水压力，但强度差、易风化。新型陶瓷透水砖在此基础上不仅提高了透水性能，抗压强度、抗折强度也相较改善。针对海绵城市中透水道路材料的渗透性能，从微观结构上测试材料的孔隙率大小、孔隙结构参数，研究其对材料渗透性能的影响，达到有效改善材料透水能力的目的。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

市面上普通陶瓷透水砖的制备原料既可以是陶瓷原料，也可以是自燃过的工业垃圾煤矸石、废瓷砖、石英、长石、高岭土和粘土等原料，另需加入结合剂、助熔剂等[4]。

新型陶瓷透水砖以陶瓷废料为主要原料，厚度约为100 mm[5]；此外，需外加钠长石、高岭土、滑石粉，莫来石晶须(晶须掺量约为40%)[6]。

由于新型陶瓷透水砖成分中添加了莫来石晶须，材料的微观结构发生了一定的变化，从而使得材料在宏观性能上表现为抗压、抗折强度以及渗透性能的提高。基于此观点，试验以材料渗透性能为主要研究内容，对材料微观结构进行了测试探究。

1.2 透水性材料的抗压强度、抗折强度测试

本文采用WDW-50KN型数显式电子万能试验机对普通陶瓷透水砖和新型陶瓷透水砖进行抗压强度和抗折强度测试，测试试件尺寸均采用200 mm×100 mm×30 mm，先进行抗折强度试验，再用断裂后的试块进行抗压强度试验，测试结果如表1所示。

表1 材料的抗压强度、抗折强度Tab.1 Compressive Strength and Bending Strength of Materials

1.3 材料的渗透性测试

1.3.1 渗透性测试原理

利用达西定律对同一批普通陶瓷透水砖和新型陶瓷透水砖的透水系数进行测试，测试原理如式(1)，测试装置如图1所示。

(1)

其中:k——透水系数，mm/s；

Q——试验时间内的渗出水量，mm3/s；

A——试样上表面的面积，mm2；

J——水力坡度；

L——试样厚度，mm；

h——测试前后水位差，mm。

图1 透水系数测试装置图Fig.1 Testing Device of Permeability Coefficient

测试试件尺寸均采用200 mm×100 mm×30 mm，测试计算结果如表2所示。

表2 材料的孔隙率与透水系数Tab.2 Porosity and Permeability Coefficient of Materials

1.3.2 渗透性影响因素探究

材料内部孔隙是影响其渗透性能的关键因素，包括孔隙率大小、孔隙结构参数，如孔隙的分形维数、比表面积、迂曲度。基于此理论基础，对上述参数进行针对性的试验探究。

(1)孔隙率大小

孔隙率大小是影响材料渗透性能的主要因素，对上述进行透水系数测试的同一批普通陶瓷透水砖和新型陶瓷透水砖进行孔隙率的测试，测试试件尺寸均采用200 mm×100 mm×30 mm，测试方法原理如式(2)，结果如表2所示。

(2)

其中：P——孔隙率；

ρ——真密度，g/cm3；

ρα——表观密度，g/cm3。

根据测试结果提出假设：孔隙率越大，渗透性能越好。但在相同孔隙率条件下，同一材料的渗透性是否存在差异，即孔隙分布的均匀性是否对材料的渗透性能也有一定的影响。针对这一问题，另设2组试验，利用同一批新型陶瓷透水砖，探究在同一孔隙率条件下，孔隙分布的竖向均匀性和横向均匀性对材料渗透性能的影响。取同一批新型陶瓷透水砖试件3件，记为a、b、c，试件尺寸为200 mm×100 mm×30 mm，试件孔隙分布如图2所示。对上述a、b、c试件进行透水系数测试，方法如1.3.1节所述，测试结果如表2所示。

图2 试件孔隙分布扫描电镜图Fig.2 Scanning Electron Micrograph of Pore Distribution of Specimens

(2)孔隙的结构参数

鉴于上述试验结果，对新型陶瓷透水砖的孔隙结构参数进一步深入探究，即研究其孔隙的结构参数对材料透水能力的影响。利用计盒维数法对孔隙分形维数进行测试计算，计算方法如式(3)；采用BSD-PM1型高性能比表面积及微孔分析仪，对同一批新型陶瓷透水砖进行孔隙分析；利用Matlab对二值化后的速度云图进行细化操作，并根据式(4)对孔隙迂曲度进行计算。试件尺寸均采用200 mm×100 mm×30 mm。根据测试结果，对孔隙率、分形维数、比表面积、迂曲度、透水系数进行数据相关性分析，结果如图3～图5所示。

(3)

其中：D——孔隙分形维数；

M——被测物体盒子个数；

(4)

其中：τ——孔隙迂曲度；

Lε——水流流动的实际长度，mm；

L——试件的宏观长度，mm。

图3 材料分形维数与孔隙率(a)和透水系数(b)的相关性Fig.3 Correlation of Fractal Dimension with Porosity(a) and Permeability Coefficient(b)

2 结果分析

2.1 抗压强度与抗折强度

由表1可知，与普通陶瓷透水砖相比，新型陶瓷透水砖的抗压强度和抗折强度都有明显的提高，其抗压强度是普通陶瓷透水砖的2倍左右，抗折强度则是普通陶瓷透水砖的3.4倍左右。这是由于莫来

图4 材料比表面积与孔隙率(a)和透水系数(b)的相关性Fig.4 Correlation of Specific Surface Area with Porosity(a) and Permeability Coefficient(b)

图5 材料迂曲度与孔隙率(a)和透水系数(b)的相关性Fig.5 Correlation of Tortuosity with Porosity(a) and Permeability Coefficient(b)

石晶须掺入之后，可较好地分散于陶瓷基体中，形成晶须骨架，其桥联、增强作用有效地阻止了陶瓷本身的裂纹扩展，从而起到了增韧陶瓷基体的作用，即表现为整体强度和断裂韧性的提高[6]。

2.2 渗透性能

2.2.1 2种材料的透水系数

由表2可知，新型陶瓷透水砖的透水系数是普通陶瓷透水砖的2倍左右，透水能力大幅度提升。这是由于莫来石晶须加入后，形成的晶须骨架可有效阻碍陶瓷在烧结过程中的致密化和体积收缩，这种作用使得新型陶瓷透水砖的气孔率(即孔隙率)大于普通陶瓷透水砖，从而表现为材料渗透性能，即透水系数的提高[7]。

2.2.2 孔隙率大小对渗透性能的影响

由表2可知，材料孔隙率的大小直接影响材料的渗透性，材料孔隙率越大，其渗透性越好；在相同孔隙率的情况下，孔隙分布更均匀者，渗透性更好。这是由于孔隙分布更均匀者，水流过孔隙的流速更快、水力条件更好，孔隙相对不易发生堵塞，材料的渗透性能更好[8]。

2.2.3 孔隙结构对渗透性能的影响

(1)分形维数

由图3可知，新型陶瓷透水砖的孔隙分形维数随孔隙率的增大而增大，呈相关性较大的线性正相关；透水系数随孔隙分形维数增大而增大，呈相关性较大的线性正相关。这是由于分形维数可以反映空间占有能力，随着孔隙率增大，孔隙的分形维数也增大，材料的渗水能力相应增强，即透水系数增大[9]。

(2)比表面积

由图4可知，新型陶瓷透水砖的孔隙率与比表面积、比表面积与渗水性能均呈现相关性较大的正相关。一般认为孔隙比表面积大，吸附性强，流动阻力大，渗水性能差[10]，这与本文结果相差很大，这是由于比表面积并不是唯一变量，材料的孔隙率也在发生变化。新型陶瓷透水砖的比表面积的影响因素为孔径分布与孔隙率，试验中随机模型的孔隙均为大孔隙，不存在微孔，各随机模型孔径分布较为均匀。因此，比表面积的影响因素只有孔隙率，即孔隙率增大，单位体积内孔隙面积增大，比表面积增大，材料渗透性能增大。

(3)迂曲度

由图5可知，新型陶瓷透水砖的孔隙率与迂曲度之间几乎没有相关关系，而透水系数与迂曲度呈相关性不高的负相关。这可以理解为：当材料的迂曲度较大时，雨水在材料内部的流行时间长，雨水不能及时透过排出，则表现为渗水能力较差；反之，迂曲度较小时，雨水可以相对较快地透过排出，表现为渗水能力相对较好。