摘要：在寒冷地區，透水磚鋪裝的凍脹損壞一直是影響其壽命的主要因素之一。通過凍脹損壞試驗，研究陶瓷透水磚、水泥透水磚在凍結過程中外觀變化和凍脹應力的變化規律，對其抗凍性能進行評價，最后結合試驗數據提出相應的抗凍脹技術改進措施。研究表明：陶瓷透

摘 要：

在寒冷地區，透水磚鋪裝的凍脹損壞一直是影響其壽命的主要因素之一。通過凍脹損壞試驗，研究陶瓷透水磚、水泥透水磚在凍結過程中外觀變化和凍脹應力的變化規律，對其抗凍性能進行評價，最后結合試驗數據提出相應的抗凍脹技術改進措施。研究表明：陶瓷透水磚的抗凍性能優于水泥透水磚。在水飽和度為完全飽和、有側限條件下，陶瓷透水磚的最大凍脹應力為1.42 MPa，水泥透水磚的最大凍脹應力為1.67 MPa；在水飽和度為完全飽和、無側限條件下，陶瓷透水磚的最大凍脹應力為0.21 MPa，水泥透水磚的最大凍脹應力為0.22 MPa。透水磚的抗凍防治措施應從提高磚體強度和耐久性、降低水飽和度、應力釋放和加強透水磚鋪裝后期維護管理等幾方面采取綜合措施。在分析有側限、無側限試驗條件下透水磚凍脹應力的大小差值較大的基礎上，提出干砂灌縫或設置伸縮縫、基層或墊層增設導水管（板）、增設輔助設施等透水磚鋪裝抗凍脹技術改進措施。

關鍵詞：

透水磚;凍脹應力;抗凍脹;城市雨水管理;海綿城市;飽和度;低影響開發;

作者簡介：

李俊奇（1967—），男，教授，博士，主要研究方向城市雨洪控制與利用技術、水環境保護與修復、水資源與環境經濟。E-mail:jqli6711@vip.163.com;

郭曉鵬（1993—），男，碩士研究生，主要從事城市雨水管理與水環境生態工程研究。E-mail:1187961345@qq.com;

基金：

北京市自然科學基金重點項目（8191001）;

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2018ZX07110-008）;

引用：

郭曉鵬，李俊奇，梁云，等． 透水磚凍脹損壞試驗研究［J］. 水利水電技術( 中英文) ，2021，52( 8) : 172-180.

GUO Xiaopeng，LI Junqi，LIANG Yun，et al． Experimental study on frost-heaving damage of water permeable brick［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2021，52( 8) : 172-180.

0 引 言

透水鋪裝獨特的多孔結構和較大的滲透系數使其具有削減城市雨水徑流、補充地下水以及降低徑流污染負荷等功能，其中透水磚鋪裝作為最常見的一種鋪裝方式被廣泛應用。然而在寒冷地區會受到冬季融雪徑流滲入結構內部產生凍脹等影響，使得透水磚鋪裝的結構和性能極易遭到破壞，縮短了使用壽命，嚴重限制了其使用范圍。其中透水磚的凍脹損壞實質上是因為其面層、基層等結構層具有一定的孔隙，形成一定的滯蓄容積。在冬季，融雪徑流通過透水磚鋪裝表面滲透到孔隙里，導致其滯蓄在透水磚內部結構中，水結冰時體積膨脹產生凍脹力，當產生的凍脹力超過透水磚骨料之間或骨料內部的黏合力時，造成透水磚表面剝蝕、抗壓強度衰減等后果。

透水磚凍脹損壞程度不僅與凍脹應力大小有關，而且與其材料、水飽和度、凍融次數、凍結速率等密切相關。

（1）材料。常見的透水磚鋪裝類型有構造透水型（縫隙式透水）、磚體自身透水型等幾種形式[9]。自身透水型透水磚一般由水泥和砂石、陶瓷顆粒、建筑垃圾等骨料以及外加劑等通過振動、擠壓成型。研究表明，水泥強度等級、用量、水灰比等對透水磚的抗壓強度、抗折強度有明顯影響；透水磚骨料的構成比例同樣重要。當廢陶瓷顆粒的摻加量控制在透水磚總質量的60%時，可有效改善透水磚的彈性模量，透水磚的抗壓強度、抗折強度均有升高，超過《透水磚路面技術規程》（CJJT 188—2012）標準，抗凍性能明顯優于未摻加廢陶瓷的水泥透水磚。

（2）水飽和度。透水磚滯蓄容積中的水飽和度是透水磚損壞的決定性因素。當透水磚結構層的水飽和度超過 “臨界水飽和度”時，融雪徑流在地表溫度低于0℃的條件下會在結構層內結冰、凍脹，造成透水磚凍脹損壞；反之，即使有凍脹力的存在，透水磚也不易受損。研究表明，不同水飽和度的透水磚鋪裝面層的抗壓強度損失量差別較大；當透水磚鋪裝面層水飽和度大于90%，其抗壓強度損失值遠超過其水飽和度小于90%的強度損失值。在凍融循環的作用下，滯蓄在孔隙中的徑流破壞了透水磚宏觀的孔隙結構且是一種不可逆的過程，面層水飽和度超過90%的條件下，水結冰時膨脹量較大且無膨脹空間，造成其內部結構粗骨料之間的黏合力衰減量較多，從而導致其抗壓強度損失較大。這與SUTTER等、LEECH等提出的混凝土在飽和時易發生凍脹現象一致。透水鋪裝面層水飽和度超過90%時，其結構和性能變化較大，這與水結冰過程中的產生凍脹系數大小有關。

（3）凍融次數。透水磚凍脹損壞具有累積效應。在凍融循環作用下，結冰凍脹引起的透水磚結構與性能的破壞是不可逆的。透水磚抗凍耐久性Df與凍融循環次數n之間的關系可按式（1）計算

式中，DfDf為透水磚抗凍耐久性；n為凍融循環次數；Edn為凍融循壞后測得的彈性模量（MPa）；Ed0為凍融循環前彈性模量初始值（MPa）。

此外，在透水磚凍脹過程中，凍結速率的快慢與凍結鋒面的移動速率成正比。凍結鋒面的移動速率越大，產生的凍脹力越大。氯鹽型融雪劑的使用會在結構層中形成濃度差加劇凍融破壞力。防滑沙礫的使用會堵塞孔隙，減少滲透性，不利于透水磚空隙中的融雪徑流及時排走。

綜上所述，目前國內外針對透水磚凍脹損壞原因、材料配比、凍融次數對其抗凍性能的影響等方面展開研究，但缺乏透水磚損壞過程中，產生凍脹應力大小相關方面的研究以及數據支撐。本文通過凍脹應力試驗測定透水磚完全飽和狀態狀態，有側限和無側限兩種條件下產生的凍脹應力大小，提出透水磚抗凍脹損壞改進措施，以期為提高透水磚抗凍性能、延長使用壽命和擴展應用范圍提供科學支撐。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及裝置

試驗所用材料包括：（1）陶瓷透水磚和水泥透水磚，規格均為200mm×100mm×60 mm。其中兩種透水磚均按照《透水磚路面技術規程》規范中制作，并按照標準養護條件養護28d，透水磚主要物理性指標如表1所列；（2）壓力傳感器，直徑為58 mm，厚度為30 mm，精確度為3/1000，測量范圍0~50 kN；（3）龍門架，由4根直徑為20 mm、高度為300 mm的螺絲鋼柱作為支撐桿，與2個長為250 mm、寬度為150 mm、厚度為10 mm鋼板制作而成；（4）傳壓板，上端與壓力傳感器相接，下端與透水磚相接，凍脹過程中應力由傳壓板傳輸至壓力傳感器；（5）清水、傳輸線等輔助材料。試驗裝置如圖1所示。

1.2 試驗方案

透水磚制作完成后在標準養護條件下養護28 d后，放入清水中浸泡1 d，使其處于完全飽和狀態，然后進行凍脹力試驗。凍脹力由與透水磚上表面接觸的壓力傳感器測得。由于試驗裝置及壓力傳感器在低溫條件下會發生冷縮現象，造成試驗結果誤差，因此在測量開始之前，先進行預冷，時間為0.5 h，預冷結束后進行凍脹力試驗。透水磚在凍結過程中溫度為（-17±2）℃，當凍脹力穩定在某一數值并在1 h內不發生變化時，所測數值為凍脹力最大值。然后將透水磚在溫度為17 ℃條件下進行解凍，測量凍脹力變化，凍融一次的時間為7 h。每種透水磚在有、無側限兩種條件下進行試驗，其中有側限是將透水磚置入鋼制盒中，透水磚只產生豎向壓縮，而無側向變形，監測該條件下透水磚凍脹應力；無側限是透水磚無任何外加壓力條件下監測其凍脹應力。每種條件下都進行五組平行試驗，求得每組試驗平均值。

1.3 凍脹應力計算方法

每次凍脹試驗結束后，由壓力傳感器傳出的壓力數值Ft與透水磚面積S的比值得到透水磚凍脹時產生的凍脹應力，即

式中：P為透水磚凍脹時產生的凍脹應力（MPa）；Ft為某時間下壓力傳感器所傳出的數值（kN）；S為透水磚受力面積（m2）。

2 試驗結果與分析

2.1 透水磚抗壓強度等級及外觀變化

經抗壓強度壓力機測得，陶瓷透水磚抗壓強度為32.2 MPa，水泥透水磚抗壓強度為29.9 MPa。兩種透水磚在凍脹應力作用下，表面出現不同程度的砂漿剝蝕，其中水泥透水磚剝蝕嚴重，粗骨料裸露，損壞嚴重，骨料剝蝕面積為0.5~0.6cm2，剝蝕深度為0.1~0.5cm；陶瓷透水磚表面剝蝕量較少，粗骨料完好，損壞較輕。

2.2 透水磚抗凍性能

在透水磚完全飽和、有側限條件下，對陶瓷透水磚、水泥透水磚進行凍脹應力試驗，由壓力傳感器傳輸的壓力值和利用式（2）計算得出的凍脹應力值如表2所列，凍脹應力隨時間變化規律如圖4所示。

以上試驗結果表明，在相同條件下，陶瓷透水磚、水泥透水磚在凍脹初始時凍脹應力的大小分別為0.12MPa、0.14 MPa，兩者相差不大。隨著試驗的進行，陶瓷透水磚與水泥透水磚凍脹應力差別開始變大，其中陶瓷透水磚出現的峰值時間為2.0h且最大凍脹應力為1.42MPa，出現最大值后開始解凍，解凍時長為3.0h；水泥透水磚出現的峰值時間為2.0h，最大凍脹應力為1.67MPa，出現最大值后開始解凍，解凍時長為3.5h。顯然，在相同的凍脹條件下陶瓷透水磚的凍脹應力變化小于水泥透水磚的凍脹應力變化且其解凍時長較短。陶瓷透水磚的骨料之間黏合力強，抗凍性能較好，導致凍脹應力較小、解凍時間較短。

綜上所述，陶瓷透水磚的抗凍性能要優于水泥透水磚。

2.3 有無側限條件下凍脹應力分析

對有、無側限條件下陶瓷透水磚、水泥透水磚進行凍脹應力試驗，由壓力傳感器傳輸的壓力值和利用式（1）計算得出的凍脹應力值，其凍脹應力隨時間變化規律如圖5、圖6所示。

由凍脹應力計算結果和變化規律可知，相同溫度條件下，在凍脹試驗初始時，有、無側限的透水磚凍脹應力相差很小。隨著凍脹試驗的進行，在2.0 h時出現最大峰值，有側限條件下的陶瓷透水磚最大凍脹應力為1.42 MPa，水泥透水磚最大凍脹應力為1.67 MPa，分別是其抗壓強度的1/23和1/18；無側限條件下的陶瓷透水磚最大凍脹應力為0.21 MPa，水泥透水磚的最大凍脹應力為0.22 MPa，有、無側限條件下，產生凍脹應力最大值的時間相同。由以上數據可知，有側限條件下，陶瓷透水磚、水泥透水轉的凍脹應力遠大于無側限條件下兩種透水磚的凍脹應力，比值在6~8之間。其原因是在有側限條件下，透水磚蓄水容積中的水結冰產生的體積膨脹無法向四周擴散只能向傳感器一側發生傳導，從而造成有側限條件下的凍脹應力要遠大于無側限條件下的凍脹應力。而在實際工程中，整個透水磚鋪裝是一種封閉狀態，在冬季其凍脹應力無法向外部擴散，造成嚴重損壞，這與試驗結果相吻合。

分析透水磚鋪裝在整個冬季凍脹過程中受力條件與透水磚有側限條件下凍脹條件下受力相似，而通過試驗可知，透水磚無側限條件下遠小于有側限條件下的凍脹應力，因此，在提高或改善透水磚、透水鋪裝抗凍性能方面，可從改變鋪裝結構的方式進行考慮。

3 透水磚抗凍脹技術改進

3.1材料措施

材料是影響透水鋪裝抗凍性能的重要因素。因此，改善材料是提高透水鋪裝抗凍性能的重要措施之一。材料措施的具體方法可分為改變材料配比法和外加劑法。

（1）改善材料配比法

改變材料配比包括改變水灰比、混合料配比等。在施工過程中，降低水灰比會提高混凝土的抗壓強度，進而提高透水鋪裝抗凍性能。目前降低水灰比的具體方法是減少水的用量，同時在施工攪拌過程中加入適量減水劑以其保證和易性不會發生改變。另外，試驗證明，在制備透水磚時，提高廢陶瓷等材料在混合料中的占比或向透水混凝土中摻入占總量10%的粉煤灰、礦渣等材料，可有效提高其抗壓強度和抗折強度。

（2）外加劑法

透水鋪裝外加劑是指在結構層制作或施工過程中摻入混凝土中，然后能顯著提高透水鋪裝設施的抗壓、抗拉、抗剪強度，以改善其抗凍性能的一種或幾種物質。可改善透水鋪裝抗凍性的外加劑有引氣劑、防水劑等，其中常見引氣劑種類包括松香樹脂類、脂肪醇磺酸鹽類和非離子聚醚類等；防水劑種類包括氯化鐵、無機鋁鹽防水劑以及有機化合物類。

3.2輔助措施

3.2.1干砂灌縫或合理設置伸縮縫

由透水磚凍脹應力試驗分析可知，有側限條件與無側限條件下的凍脹損壞程度相差很大，當透水磚有側限時，在凍脹過程中因水結冰產生的應力無法向外釋放、體積膨脹量無法向外擴散而造成透水磚損壞。因此在透水磚鋪裝施工過程中，應優先選擇干砂灌縫；或采用水泥砂漿灌縫與干砂灌縫相結合的施工工藝，每間隔一定距離必須留設縫隙用干砂灌縫。與此同時，基層也應在保證其抗壓強度、滲透系數等性能不發生破壞的前提下，設置變形縫或伸縮縫，有助于減少透水磚凍脹損壞。此外，也可在透水磚制作過程中在其縱向預留一定腔體，為水結冰預留一定的膨脹空間。

3.2.2基層或墊層加設導流管或滲排板

由透水磚凍脹損壞影響因素可知，水飽和度在整個凍脹過程中起到決定性作用，因此控制其水飽和度是實現削減或消除透水磚凍脹損壞的重要途徑。采用有效措施，減小透水磚鋪裝結構層內部融雪徑流排空時間，使透水磚的水飽和度盡快減小到“臨界水飽和度”以下，稱之為“導流法”。

具體做法可采用以下兩種：（1）在基層或墊層底部鋪設導水管，將水排入周邊的植草溝、生物滯留帶、干塘等雨水設施，可有效削減透水磚凍脹損壞。其中，導水管的管徑為5~10cm，鋪設坡度為1‰~5‰；也可在面層、基層間隔加設立管導水。（2）在基層或墊層內部設施具有毛細作用的滲排板，將滲入的水通過重力或毛細力排至周邊綠地或雨水設施。在實際的工程實踐中，應根據不同地形、地質等外界環境選擇相應的導流措施，以達到經濟和效果俱佳的目的。

3.2.3增設輔助設施進行應力釋放

在透水磚鋪裝的設計與施工過程中，可采用擴大基層和墊層結構、或在臨近鋪裝結構的區域增設植草溝、生物滯留設施等方式，將部分滲入水進行分散，有效減小凍脹應力，以達到減少透水磚鋪裝凍脹破壞的目的，這與王懷祖在混凝土道面不均勻凍脹防治所提出的設隔離層或隔離墊層方法一致。這種改變透水磚鋪裝底部結構或增設輔助設施以改變凍脹力分布的方法稱之為應力釋放法。

改變透水磚鋪裝底部結構的方法有很多種，如將基層和墊層底部擴大，使得墊層和基層儲水容積大于原來鋪裝結構儲水容積。增大儲水容積后的透水鋪裝產生的部分垂直凍脹力會分擔到周邊植草溝或生物滯留設施上，降低對透水磚的凍脹應力，從而減小透水鋪裝整體的縱向位移。

此外，還應通過選擇合適的材料及優化配合比等措施提高透水磚本身的強度，在寒冷地區優先選用高強度等級和高耐久性的透水磚等。在透水磚鋪裝的使用過程中也應采取針對性的維護管理措施以保證其具有持續的抗凍脹能力，增強其耐久性，如避免在使用過程中用砂漿類材料替代干砂灌縫；防止導水管和滲排板損壞或堵塞，保證滲排水暢通，盡量避免透水磚鋪裝結構完全飽和等。

4 結果討論

透水磚凍脹損壞是滯蓄容積中的水結冰體積膨脹對孔隙周圍產生凍脹力，當產生的凍脹力超過透水磚內部的黏合力時，造成其內部結構損壞。影響因素包括透水磚材料、水飽和度、凍融次數及凍結速率等，其中水飽和度是造成透水磚凍脹損壞主要因素。其中凍脹壓力與凍脹破壞之間成正相關關系，凍脹壓力越大，透水磚內部粘合力損傷越大、骨料剝蝕度越高，造成的凍脹破壞越嚴重；凍脹壓力越小，透水磚內部粘合力損傷越小、骨料剝蝕度越低，造成的凍脹損壞越輕微。

5 結論與建議

（1）在水飽和度為完全飽和、有側限條件下，陶瓷透水磚的最大凍脹應力為1.42 MPa，水泥透水磚的最大凍脹應力為1.67 MPa，分別是其抗壓強度的1/23和1/18；在水飽和度為完全飽和、無側限條件下，陶瓷透水磚的最大凍脹應力為0.21 MPa，水泥透水磚的最大凍脹應力為0.22 MPa；陶瓷透水磚的抗凍性能略優于水泥透水磚。有側限時的最大凍脹應力是無側限時的6~8倍。

（2）透水磚的抗凍防治措施應從提高磚體強度和耐久性、降低水飽和度、應力釋放和加強透水磚鋪裝后期維護管理等幾方面采取綜合措施。降低水飽和度的方法包括基層或墊層增設導水管或滲排板；應力釋放的方法包括干砂灌縫或設置伸縮縫、增設植草溝或生物滯留帶等輔助設施；透水磚鋪裝的冬季維護管理決定著融雪徑流在其滯蓄容積中的停留時間，需制定相關的維護方法來操作。

水利水電技術（中英文）

水利部《水利水電技術（中英文）》雜志是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建筑、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。