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苏雨明:透水铺装的控流截污及在海绵城市中的应用

2020-10-10 10:17:59         来源:中国风景园林网     浏览次数:

  9月16日,河北省第四届(邯郸)园林博览会盛大开幕。17日上午召开健康宜居与韧性城市主题论坛,美国水资源工程师院资格工程师、硅砂资源利用国家重点实验室副主任苏雨明先生在会上发表了题为《透水铺装的控流截污及在海绵城市中的应用》的精彩演讲。他详细先容了透水类铺装的分类,并就每一类的外观、结构和透水效果等优缺点做了分析,同时针对每一类材料先容了相关应用案例。此外还分享了透水铺装的控流截污试验研究成果,并对国内外砖材料的一些最新研究进展和趋势进行了先容。

苏雨明:透水铺装在海绵城市的应用

美国水资源工程师院资格工程师、硅砂资源利用国家重点实验室副主任苏雨明

  1 透水类铺装的分类和应用案例

  “海绵城市”是指城市像海绵一样,下雨的时候能把水留住,干旱的时候能把水缓慢释放出来。海绵城市的六字方针为渗、滞、蓄、净、用、排。海绵城市建设其中很重要的一个措施就是透水类铺装。透水类铺装涵盖范围很广,大致可以分为:1) 砖缝透水砖;2) 透水沥青;3) 透水水泥;4) 植草砖;5) 塑料格栅;6)全表面透水砖;7)其他现铺透水路面等。

苏雨明:透水铺装在海绵城市的应用

  1.1 砖缝透水砖(Permeable interlocking pavers)

  这类砖本身材料并不透水,透水是靠砖之间的缝隙来实现的。普通砖材料的砖,比如水泥材料、粘土烧结材料还有一些橡胶材料都可以。一般通过侧面突起或者底下定位的卡槽,保持砖与砖之间缝隙。缝隙填入石子或也有留空的,美国一般要求缝隙小于1.3cm。一些此类砖还可以有透水蓄水一体的设计,如PAVEDRAIN(普润)企业的产品,砖下半部分的拱形空间里还可以蓄水,在武汉的潘庙新家园项目海绵小区示范点中有应用。砖缝透水的砖技术简单也容易生产,但缝隙容易进土长草,维护起来比较麻烦。因为砖本身没有任何过滤功能,缝隙大,所以污染物去除能力差。

  1.2 透水沥青(Pervious / porous asphalt)

  透水沥青是比较早的透水类产品之一。生产需要严格控制使用的骨料的直径范围,保证石子之间粘合并有缝隙。国内透水沥青的新技术和新产品也很多,上海格林路得的苏州运河风光带项目,使用的就是采用新型粘贴剂的彩色透水沥青,景观效果和环境效益都很好。

  1.3 透水水泥 (Pervious / porous concrete)

  类似的,透水水泥材料生产也需要严格的骨料控制,固化过程的用水量和压实也比较关键,对固化时候的环境条件要求也比较高一些,以保持同时具有足够的孔隙和材料强度。材料单位体积成本比普通水泥略高,且厚度美国一般需要至少6英寸(普通水泥4英寸),初始建设成本会比普通水泥要高,但长期的环境效益等因素考虑好于普通铺装。透水水泥的透水速度还是很好的。一些透水水泥比较怕盐和除雪剂,抗冻融性能差,美国几个北方地区的项目的冬季表面剥离破损比较严重,近年来水泥材料行业针对这个问题在配方方面优化研究,有一些改善。

  1.4 植草砖(Concrete grid pavers)

  植草砖常见的是由水泥等材料制成的,可以是井字形、背心形、8字形、网格状等,厘米级别的大孔中间填土种草,铺设在地面上有很好的稳固性,能经受行人、车辆的辗压,绿草的根部是生长在植草砖下面和孔格里,因此草根不会受到伤害。除了植草,也可在中间填充石子。

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

  用塑料类的材料(或土工材料)做成一个网格和格栅,生产成本比和运输成本都较低,安装时候在中间填入石子或者植草。简单高效,使用效果也还不错。伴随着土工材料的发展,结合很多厂家在土壤冲刷侵蚀方面的研究基础,现在产品也有很多了。

  1.6 全表面透水砖 (Pervious bricks)

  这一类材料其本身是可以透水的。它还可以大概分为四类:透水水泥砖、透水石子砖、陶瓷透水砖、和砂基透水砖。

  第一类透水水泥砖,和现铺透水水泥类似但材料是预制的,在可控的工厂环境生产,可以有比较好的环境因素的控制,不受安装场地气候的影响,这就是在厂里预制生产的优势。在中国生产的倾向于规格尺寸比较小的砖,在美国更常见的是做成比较大的预制透水水泥板,透水速度是非常高的。

  第二类透水石子砖,把石子等颗粒物作为骨料,用高分子材料做粘合。砖可以有各种颜色质地,但是如果石子骨料太细,技术上需要解决好“既能把细小的骨料粘结好,又能透水”的难题。美国主流一般最小到几毫米粒径的小石子的级别。

  第三类陶瓷透水砖,在高温烧结过程中保留了陶瓷颗粒间的孔结构,因此可以吸水和透水。中国是陶瓷生产大国,陶瓷透水砖技术比美国好。美国陶瓷透水砖的生产和使用都很少,且还有一些是中国出口美国的产品。

  第四类砂基透水砖,砂基透水砖用的是沙漠中的沙子。沙子表面自由能低,颗粒比较细,分散。此外,沙子资源基本是免费,要多少有多少。生产好砂基透水砖需要若干核心技术支撑,第一是预覆膜技术,增加骨料物理性能和圆润度;第二是二次覆膜和表面改性技术,添加亲水添加剂,且增加材料的微表面粗糙度,有利于材料总体表现的亲水性能。沙子本身是弱亲水物质,经过二次覆膜后,让它有一层微纳结构,可以更亲水,增加透水,吸水和保水的功能。

苏雨明:透水铺装在海绵城市的应用

  最后,砂基透水砖的成形工艺也是一个技术关键点,以保证砂基透水砖的表面孔隙在50-100μm左右,且孔隙联通,孔型圆润,表面光滑。这个过程除了使用特殊的粘合剂外,用量,压力过程及成型工艺也很考究,把两次覆膜的散沙通过特别的震动挤压成最后的透水砖。这种免烧结的工艺对环境也更友好。

苏雨明:透水铺装在海绵城市的应用

  奥运水立方、北京园博会、国家科技部、上海世博会中国馆等项目都有砂基透水砖的应用。

苏雨明:透水铺装在海绵城市的应用

  1.7 其他现铺透水材料(Cast-in-place pervious/porous pavers)

  当项目铺装的面积比较大的时候,类似透水水泥和沥青的现铺技术就更有突出优势了。最近两年,实验室在砂基透水砖的基础上,研制的一个新技术,是把预覆膜的硅砂散料和固化剂等运到场地,采用现铺工艺现场铺设透水路面,运输和人工成本都更低也更具有竞争力。

  2019年,在北京的世界园林博览会中国馆广场,就是采用的砂基透水现铺路面。砂基的材料细腻,还可以通过使用不同颜色的覆膜砂组合,铺出不同形状和图案,景观效果十分好。

  从环境角度来说,硅砂透水材料透水可以削峰滞流并回补地下水;材料具有微米级孔隙滤水,可以减少雨水径流的污染;材料透气和保水,还有很好的蒸发性能,可以缓解广场的热岛效应。

苏雨明:透水铺装在海绵城市的应用

  与全表面透水的透水砖类似,国外的现铺透水路面技术其骨料还主要还是小石子级别的比较粗,还不能做到沙子这么细。比较大的有BASF企业的ElastoPave和FilterPave品牌的现铺材料,类似国内也有聚氨酯类石子现铺材料。除了石子外,骨料也可使用一些废玻璃、废轮胎等再生材料。

  2 透水铺装的控流截污实验室研究

  前面先容的砂基透水材料,是微米级别透水的。要控制好孔径分布、通孔率,以及孔形状等参数。砂基透水砖使用均匀的沙粒,并保持圆润且直径近似的孔隙,这样很多灰尘和雨水中的颗粒污染物都会截留在材料的表面(Cake filtration),这样可以在维护时候被清扫走。而不是像大多数透水沥青、透水水泥,其孔形不规则且尖锐,污染物更多的是嵌入材料本身更容易引起难以恢复的堵塞(Deep bed filtration)。

  微米级透水有一个的优势,是污染去除效果要比大孔隙透水好。先容刚刚完成的一个控流截污的试验。在实验室环境下做两个试验箱,按照实际的砂基透水砖铺装安装进行装填和铺装,然后采集雨水径流进行人工降雨,对透水砖的雨水水量水质的控制效果进行研究。研究表明,砂基透水铺装和原土孔隙有很高的透水性能,减少径流和削峰促渗回补地下水作用显著。此外,有很多污染物都可以通过透水砖体系有很好的去除,详见下表,去除率高于大多数美国对透水类铺装的研究报道。还分别跟踪测试了颗粒和离子态的金属污染物,发现不只是颗粒状的金属污染物得到了很好的去除,比如金属锌去除率达到了99.6%~99.8%;离子态金属也有一定的去除率,比如离子态金属锌去除率也能达了90%左右。

苏雨明:透水铺装在海绵城市的应用

  总的来讲,材料表现出了很好水量和水质控制效果,砂基透水砖体系的去除率比大多美国对透水水泥、透水沥青等研究的结果要高。

  3 砖材料最新研究进展

  先容几种比较新型的生态环保砖材料。先容前先要说一句,砖本身是一种可以重复利用的建筑材料,在美国符合回用要求的砖从回收测试,到再销售和再使用,是有成熟的渠道的。景观师、建筑师或工程师在环境友好的一些项目中,有的时候专门买旧砖来做新的建筑。

  再生砖可以使用废塑料、废玻璃或废建筑垃圾,还有粉煤灰等。在中国和美国都有很多研究和产品,特别是近几年,政策鼓励下,在高速发展中,是很有前途的一个方向。新产品还比如英国企业生产的一些砖,通过用再生材料,改进工艺,能减少碳排放。前面说的可以透水蓄水的砖,还可以把加热丝和导线安装在砖里面,冬天可以融雪。还有下图是2018年英国的一个发明,通过砖上下两面的温度差来发电。

苏雨明:透水铺装在海绵城市的应用

  从2014-2015年开始,硅砂资源利用国家重点实验室有一个研究,是在现有砂基透水砖最靠外的1-2毫米的面砂上,进行光触媒覆膜。也就是在前面先容的二次覆膜技术的基础上,再进行第三次覆膜,从而可以在光照下吸取电子产生强氧化作用,破坏病毒和细菌结构,包括冠状病毒。有对此感兴趣者如能找到合适的示范安装的场地,如说医院、学校、广场铺装等,结合现在海绵城市项目,可以联系实验室做进一步的现场安装试验。

苏雨明:透水铺装在海绵城市的应用


  4 结语

  透水铺装是海绵城市建设的一个重要措施,在中国有大量使用。前面大致分了7个大类先容了一下。其中的全表面透水砖,中国在此方面处于领先地位,也在城市建设中有广泛的应用。微米级别孔隙的砂基透水砖,还有现铺的砂基透水路面,有很好的污染物去除效果,也可以削峰滞流、促渗地下水。

  砖作为建设材料的历史很长久,且依然不断有很多新的理念,新的材料和新的应用出现。一些跨学科的新技术也在不断涌现出来,是一个活跃的领域。
 

编辑:liqing

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