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        蘇雨明:透水鋪裝的控流截污及在海綿城市中的應用

        2020-10-10 10:17:59         來源:中國風景園林網     瀏覽次數:

          9月16日,河北省第四屆(邯鄲)園林博覽會盛大開幕。17日上午召開健康宜居與韌性城市主題論壇,美國水資源工程師院資格工程師、硅砂資源利用國家重點實驗室副主任蘇雨明先生在會上發表了題為《透水鋪裝的控流截污及在海綿城市中的應用》的精彩演講。他詳細介紹了透水類鋪裝的分類,并就每一類的外觀、結構和透水效果等優缺點做了分析,同時針對每一類材料介紹了相關應用案例。此外還分享了透水鋪裝的控流截污試驗研究成果,并對國內外磚材料的一些最新研究進展和趨勢進行了介紹。

        蘇雨明:透水鋪裝在海綿城市的應用

        美國水資源工程師院資格工程師、硅砂資源利用國家重點實驗室副主任蘇雨明

          1 透水類鋪裝的分類和應用案例

          “海綿城市”是指城市像海綿一樣,下雨的時候能把水留住,干旱的時候能把水緩慢釋放出來。海綿城市的六字方針為滲、滯、蓄、凈、用、排。海綿城市建設其中很重要的一個措施就是透水類鋪裝。透水類鋪裝涵蓋范圍很廣,大致可以分為:1) 磚縫透水磚;2) 透水瀝青;3) 透水水泥;4) 植草磚;5) 塑料格柵;6)全表面透水磚;7)其他現鋪透水路面等。

        蘇雨明:透水鋪裝在海綿城市的應用

          1.1 磚縫透水磚(Permeable interlocking pavers)

          這類磚本身材料并不透水,透水是靠磚之間的縫隙來實現的。普通磚材料的磚,比如水泥材料、粘土燒結材料還有一些橡膠材料都可以。一般通過側面突起或者底下定位的卡槽,保持磚與磚之間縫隙。縫隙填入石子或也有留空的,美國一般要求縫隙小于1.3cm。一些此類磚還可以有透水蓄水一體的設計,如PAVEDRAIN(普潤)公司的產品,磚下半部分的拱形空間里還可以蓄水,在武漢的潘廟新家園項目海綿小區示范點中有應用。磚縫透水的磚技術簡單也容易生產,但縫隙容易進土長草,維護起來比較麻煩。因為磚本身沒有任何過濾功能,縫隙大,所以污染物去除能力差。

          1.2 透水瀝青(Pervious / porous asphalt)

          透水瀝青是比較早的透水類產品之一。生產需要嚴格控制使用的骨料的直徑范圍,保證石子之間粘合并有縫隙。國內透水瀝青的新技術和新產品也很多,上海格林路得的蘇州運河風光帶項目,使用的就是采用新型粘貼劑的彩色透水瀝青,景觀效果和環境效益都很好。

          1.3 透水水泥 (Pervious / porous concrete)

          類似的,透水水泥材料生產也需要嚴格的骨料控制,固化過程的用水量和壓實也比較關鍵,對固化時候的環境條件要求也比較高一些,以保持同時具有足夠的孔隙和材料強度。材料單位體積成本比普通水泥略高,且厚度美國一般需要至少6英寸(普通水泥4英寸),初始建設成本會比普通水泥要高,但長期的環境效益等因素考慮好于普通鋪裝。透水水泥的透水速度還是很好的。一些透水水泥比較怕鹽和除雪劑,抗凍融性能差,美國幾個北方地區的項目的冬季表面剝離破損比較嚴重,近年來水泥材料行業針對這個問題在配方方面優化研究,有一些改善。

          1.4 植草磚(Concrete grid pavers)

          植草磚常見的是由水泥等材料制成的,可以是井字形、背心形、8字形、網格狀等,厘米級別的大孔中間填土種草,鋪設在地面上有很好的穩固性,能經受行人、車輛的輾壓,綠草的根部是生長在植草磚下面和孔格里,因此草根不會受到傷害。除了植草,也可在中間填充石子。

          1.5 塑料(土工材料)格柵 (Plastic / geosynthetic reinforcing grids)

          用塑料類的材料(或土工材料)做成一個網格和格柵,生產成本比和運輸成本都較低,安裝時候在中間填入石子或者植草。簡單高效,使用效果也還不錯。伴隨著土工材料的發展,結合很多廠家在土壤沖刷侵蝕方面的研究基礎,現在產品也有很多了。

          1.6 全表面透水磚 (Pervious bricks)

          這一類材料其本身是可以透水的。它還可以大概分為四類:透水水泥磚、透水石子磚、陶瓷透水磚、和砂基透水磚。

          第一類透水水泥磚,和現鋪透水水泥類似但材料是預制的,在可控的工廠環境生產,可以有比較好的環境因素的控制,不受安裝場地氣候的影響,這就是在廠里預制生產的優勢。在中國生產的傾向于規格尺寸比較小的磚,在美國更常見的是做成比較大的預制透水水泥板,透水速度是非常高的。

          第二類透水石子磚,把石子等顆粒物作為骨料,用高分子材料做粘合。磚可以有各種顏色質地,但是如果石子骨料太細,技術上需要解決好“既能把細小的骨料粘結好,又能透水”的難題。美國主流一般最小到幾毫米粒徑的小石子的級別。

          第三類陶瓷透水磚,在高溫燒結過程中保留了陶瓷顆粒間的孔結構,因此可以吸水和透水。中國是陶瓷生產大國,陶瓷透水磚技術比美國好。美國陶瓷透水磚的生產和使用都很少,且還有一些是中國出口美國的產品。

          第四類砂基透水磚,砂基透水磚用的是沙漠中的沙子。沙子表面自由能低,顆粒比較細,分散。此外,沙子資源基本是免費,要多少有多少。生產好砂基透水磚需要若干核心技術支持,第一是預覆膜技術,增加骨料物理性能和圓潤度;第二是二次覆膜和表面改性技術,添加親水添加劑,且增加材料的微表面粗糙度,有利于材料總體表現的親水性能。沙子本身是弱親水物質,經過二次覆膜后,讓它有一層微納結構,可以更親水,增加透水,吸水和保水的功能。

        蘇雨明:透水鋪裝在海綿城市的應用

          最后,砂基透水磚的成形工藝也是一個技術關鍵點,以保證砂基透水磚的表面孔隙在50-100μm左右,且孔隙聯通,孔型圓潤,表面光滑。這個過程除了使用特殊的粘合劑外,用量,壓力過程及成型工藝也很考究,把兩次覆膜的散沙通過特別的震動擠壓成最后的透水磚。這種免燒結的工藝對環境也更友好。

        蘇雨明:透水鋪裝在海綿城市的應用

          奧運水立方、北京園博會、國家科技部、上海世博會中國館等項目都有砂基透水磚的應用。

        蘇雨明:透水鋪裝在海綿城市的應用

          1.7 其他現鋪透水材料(Cast-in-place pervious/porous pavers)

          當項目鋪裝的面積比較大的時候,類似透水水泥和瀝青的現鋪技術就更有突出優勢了。最近兩年,實驗室在砂基透水磚的基礎上,研制的一個新技術,是把預覆膜的硅砂散料和固化劑等運到場地,采用現鋪工藝現場鋪設透水路面,運輸和人工成本都更低也更具有競爭力。

          2019年,在北京的世界園林博覽會中國館廣場,就是采用的砂基透水現鋪路面。砂基的材料細膩,還可以通過使用不同顏色的覆膜砂組合,鋪出不同形狀和圖案,景觀效果十分好。

          從環境角度來說,硅砂透水材料透水可以削峰滯流并回補地下水;材料具有微米級孔隙濾水,可以減少雨水徑流的污染;材料透氣和保水,還有很好的蒸發性能,可以緩解廣場的熱島效應。

        蘇雨明:透水鋪裝在海綿城市的應用

          與全表面透水的透水磚類似,國外的現鋪透水路面技術其骨料還主要還是小石子級別的比較粗,還不能做到沙子這么細。比較大的有BASF公司的ElastoPave和FilterPave品牌的現鋪材料,類似國內也有聚氨酯類石子現鋪材料。除了石子外,骨料也可使用一些廢玻璃、廢輪胎等再生材料。

          2 透水鋪裝的控流截污實驗室研究

          前面介紹的砂基透水材料,是微米級別透水的。要控制好孔徑分布、通孔率,以及孔形狀等參數。砂基透水磚使用均勻的沙粒,并保持圓潤且直徑近似的孔隙,這樣很多灰塵和雨水中的顆粒污染物都會截留在材料的表面(Cake filtration),這樣可以在維護時候被清掃走。而不是像大多數透水瀝青、透水水泥,其孔形不規則且尖銳,污染物更多的是嵌入材料本身更容易引起難以恢復的堵塞(Deep bed filtration)。

          微米級透水有一個的優勢,是污染去除效果要比大孔隙透水好。介紹剛剛完成的一個控流截污的試驗。在實驗室環境下做兩個試驗箱,按照實際的砂基透水磚鋪裝安裝進行裝填和鋪裝,然后采集雨水徑流進行人工降雨,對透水磚的雨水水量水質的控制效果進行研究。研究表明,砂基透水鋪裝和原土孔隙有很高的透水性能,減少徑流和削峰促滲回補地下水作用顯著。此外,有很多污染物都可以通過透水磚體系有很好的去除,詳見下表,去除率高于大多數美國對透水類鋪裝的研究報道。還分別跟蹤測試了顆粒和離子態的金屬污染物,發現不只是顆粒狀的金屬污染物得到了很好的去除,比如金屬鋅去除率達到了99.6%~99.8%;離子態金屬也有一定的去除率,比如離子態金屬鋅去除率也能達了90%左右。

        蘇雨明:透水鋪裝在海綿城市的應用

          總的來講,材料表現出了很好水量和水質控制效果,砂基透水磚體系的去除率比大多美國對透水水泥、透水瀝青等研究的結果要高。

          3 磚材料最新研究進展

          介紹幾種比較新型的生態環保磚材料。介紹前先要說一句,磚本身是一種可以重復利用的建筑材料,在美國符合回用要求的磚從回收測試,到再銷售和再使用,是有成熟的渠道的。景觀師、建筑師或工程師在環境友好的一些項目中,有的時候專門買舊磚來做新的建筑。

          再生磚可以使用廢塑料、廢玻璃或廢建筑垃圾,還有粉煤灰等。在中國和美國都有很多研究和產品,特別是近幾年,政策鼓勵下,在高速發展中,是很有前途的一個方向。新產品還比如英國公司生產的一些磚,通過用再生材料,改進工藝,能減少碳排放。前面說的可以透水蓄水的磚,還可以把加熱絲和導線安裝在磚里面,冬天可以融雪。還有下圖是2018年英國的一個發明,通過磚上下兩面的溫度差來發電。

        蘇雨明:透水鋪裝在海綿城市的應用

          從2014-2015年開始,硅砂資源利用國家重點實驗室有一個研究,是在現有砂基透水磚最靠外的1-2毫米的面砂上,進行光觸媒覆膜。也就是在前面介紹的二次覆膜技術的基礎上,再進行第三次覆膜,從而可以在光照下吸收電子產生強氧化作用,破壞病毒和細菌結構,包括冠狀病毒。有對此感興趣者如能找到合適的示范安裝的場地,如說醫院、學校、廣場鋪裝等,結合現在海綿城市項目,可以聯系實驗室做進一步的現場安裝試驗。

        蘇雨明:透水鋪裝在海綿城市的應用


          4 結語

          透水鋪裝是海綿城市建設的一個重要措施,在中國有大量使用。前面大致分了7個大類介紹了一下。其中的全表面透水磚,中國在此方面處于領先地位,也在城市建設中有廣泛的應用。微米級別孔隙的砂基透水磚,還有現鋪的砂基透水路面,有很好的污染物去除效果,也可以削峰滯流、促滲地下水。

          磚作為建設材料的歷史很長久,且依然不斷有很多新的理念,新的材料和新的應用出現。一些跨學科的新技術也在不斷涌現出來,是一個活躍的領域。
         

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