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    彩色透水混凝土在海绵成中的作用

    发布时间:2017-09-11  浏览:698次  字号:  

       城镇化快速建设过程中,由于城市开发强度过高,大量的硬质铺装改变了原有的自然生态本底和水文特征,破坏了自然“海绵体”。城市开发建设后,70%-80%的降雨形成径流外排,仅有20%-30%的雨水能够渗入地下,导致“逢雨必涝、雨后即旱”的不良后果,也带来了水生态恶化、水资源紧缺、水环境污染、水安全缺乏保障等一系列问题。
      针对这种状况,习近平总书记在2013年中央城镇化工作会议、2014年考察京津冀协同发展座谈会以及中央财经领导小组第5次会议等场合,多次强调在城市规划建设中要体现“山水林田湖”生命共同体的系统理念,建设“自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。海绵城市是指城市像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[1,2]。建设具有自然积存、自然渗透以及自然净化功能的海绵城市是生态文明建设的重要内容,是实现城镇化和环境资源协调发展的重要体现,也是城市建设的重大任务。
      我国城市雨水控制技术起步于20世纪80年代,初期主要集中在雨水利用,近年来较发达城市区域在下沉式绿地建设和城市湿地公园建设方面率先做出一些探索,例如,2000年的北京中关村生命科学园(图1),其设计采用了人工湿地收集雨水和净化中水的绿地系统,被称为大地生命的细胞;2007年的天津桥园湿地系统(图2),通过简单的填挖方,形成泡状生态海绵体,收集雨水,在解决城市内涝的同时,进行城市棕地的生态修复,发挥综合的生态系统服务;类似的绿色海绵工程也在秦皇岛滨海生态修复(图3)、哈尔滨群力国家湿地公园等项目中得到成功应用[3]。但是目前关于海绵城市技术的实践主要通过湿地、潜流湿地等手段进行局部雨水收集和水体净化,缺乏明确的整体规划和系统性设计。住房和城乡建设部于2014年发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》,从目标、指标、过程、手段及管理方面系统性地给出建设指南,为我国海绵城市构建起到指引作用。
      1 海绵城市构建与途径
      1.1 水生态系统的保护与修复
      1.1.1 识别水资源保护生态斑块
      在宏观尺度上,科学合理地划定城市水资源保护生态斑块,主要包括河流、湖泊、湿地及水源涵养区,也包括农田及原野[4,5]。对已划定的水资源保护生态斑块应严加识别和保护。
      1.1.2 保护水系网络及生态系统
      制定与河道管理相关法律、法规相配套的城市河道管理条例或实施办法,建立、健全河道治理、岸线利用与保护相结合的机制。河道蓝线管理范围内的土地划定为规划保留区,严格实行新上项目报审制度,确需建设项目应当按照基本建设程序报请水利、规划等部门批准。在蓝线范围内,不符合岸线控制利用和保护管理规划的一切行为都应依法查处。不符合蓝线规划要求,影响防洪抢险、除涝排水、引洪畅通、水环境保护及河道景观效果的建筑物、构筑物及其他设施应当限期整改或者予以拆除。
      1.1.3 修复已破坏的水生态斑块及网络
      对于绿地、森林等雨水调控功能性强的斑块、水体面积和体积及水质予以修复,其主要途径是通过生态红线、绿线划定,截污、底泥疏浚,构建人工湿地以及生态驳岸等技术手段,将被破坏的水环境逐步恢复。
      1.2 源头管理与控制技术(区域低影响开发)
      根据城市降雨过程,区域低影响开发技术主要分为截留技术、促渗技术和调蓄技术3种[6]。其中,截留技术是通过材料或者结构,将降雨过程中雨水形成径流的速度减缓,通过增加雨水汇集的面积来达到延缓径流目的的技术,如绿色屋顶及植物群落冠层截留等。地表促渗技术是改变地面材料或结构能够让雨水透过自身的孔隙或结构,下渗至场地内部,同时材料或结构具有一定的过滤净化作用,如透水混凝土制品铺装等。调蓄技术能储存一定量的雨水径流,并对其进行净化,当设施内的雨水达到饱和时,通过溢流口排入市政雨水管网,而干旱时可向周边绿地提供水资源,如生态沟、雨水花园、调蓄池和人工湿地等。
      海绵城市构建涉及到整个城市系统,具体来讲,要结合城市水系、道路、广场、居住区、商业区和园林绿地等空间载体,建设低影响开发的雨水控制与利用系统。低影响开发系统的设施及其相应的功能及控制目标等见表1。
      表1 低影响开发系统的设施及相应指标
      2 透水混凝土制品在海绵城市建设中的应用
      2.1 透水混凝土在海绵城市建设中的应用[7]
      透水混凝土也称多孔混凝土,由单一级配骨料、胶凝材料、水及添加剂等经一定比例拌制而成的一种有较大连续孔隙的轻质混凝土制品。透水混凝土是环境友好型材料的代表之一,它具有很强的透水能力,能让雨水迅速渗入地下,补充城市地下水。采用透水混凝土路面解决雨水和地下水之间的回补和释放是海绵城市道路建设的重要途径之一。
      2.1.1 透水混凝土的特点
      (1) 高透水性。透水混凝土拥有15%-25%的孔隙,透水速度达到(31-52)升/(米·小时),远高于最有效的排水配置的排出速率。对于缓减城市排水压力、补充城市地下水资源以及保持土壤湿润等均有积极意义[8]。
      (2) 抗冻融性。透水混凝土结构本身有较大的孔隙率,用其铺装的路面比一般混凝土路面具有更强的抗冻融能力,抗冻融指数为1.01,不会受冻融影响而产生面断裂。
      (3) 高散热性。透水混凝土的密度较低(15%-25%的孔隙率),热储存的能力较低,其独特的孔隙结构使得较低的地下温度传入混凝土内部从而降低整个铺装地面的温度。这些特点使透水铺装系统在吸热和储热功能方面接近于自然植被所覆的地面,有助于缓解城市“热岛效应”。
      (4) 过滤性。大孔的透水混凝土过滤效果较差,也容易被堵塞。但利用分级砂制备的微孔透水混凝土,对水中的杂质具有较好的过滤效果,且微孔透水混凝土不宜被堵塞,具有较强的持久透水能力。
      (5) 良好的装饰效果。透水混凝土具有色彩优化配比方案,能够配合设计师的独特创意,根据不同的场地和要求,实现不同环境和建筑个性所要求的图案和颜色,具有良好的艺术性和实用性。
      2.1.2 透水混凝土的施工
      透水混凝土在满足强度要求的同时,还需要保持一定的贯通孔隙来满足透水性的要求,因此在配制时除了选择合适的原材料外,还要通过配合比设计、制备工艺以及外加剂选用来满足强度和透水性要求。
      (1) 基层处理:清扫基层表面,表面应无尘土、树枝、纸屑等杂物,并在摊铺前润湿基层表面。
      (2) 布料:透水混凝土摊铺时应考虑振实预留高度。透水混凝土采用人工布料时,应用铁锹反扣,严禁抛掷。透水混凝土摊铺时间长于30min或遇大风天气时,现场混凝土要及时覆盖塑料布,防止透水混凝土水分过快散失。
      (3) 振捣:素色层透水混凝土布料完成后,用刮杠刮平,并用平板振捣器进行振捣,振捣完成后摊铺面层彩色透水混凝土或彩色露骨料透水混凝土,然后刮平,对缺料的地方及时补料,并用透水混凝土专用设备进行表面振捣及整平,直至与模板等高为止。
      (4) 表面修整:对碾压后的路面应及时修饰透水混凝土的边角,对于缺料的部位应填料修整,对于较干部位可先均匀喷洒一层水,再加料修整。
      (5) 透水混凝土露骨料时,在表面平整、密实度达到要求后对表面均匀的喷刷一遍清洗剂,然后覆盖塑料薄膜;在喷刷完成后6-8小时(根据天气情况而定)采用高压水枪对表面冲洗,冲洗时必须把清洗剂清洗干净,但不能出现掉子等现象。
      (6) 养护:透水混凝土表面修整完毕后,应及时少量喷水并覆盖塑料薄膜进行养护,养护周期和普通混凝土相同,养护期间应在路面周围设置围挡。
      以沪杭高铁松江南站站前广场工程为例。该工程设计要求:透水混凝土孔隙率为20%-25%,抗折强度≥2.5MPa,抗拉伸强度≥1.2MPa,透水系数K≥1mm/s,热岛效应SRI≥29,连续孔隙率Qk≥15%,悬浮物18mg/L。工程完工后,排水效果良好,整个广场在不同色彩的搭配下明亮新颖、环境优美。通过验收检测,一般区域透水混凝土抗压强度为22.8MPa,消防通道抗压强度为31.9MPa,抗折强度为5.4MPa,均满足设计要求。铺装表面渗透率达2mm/s,达到设计要求200%。按上海市年平均降雨量1000mm计算,广场面积16351.7m2,共可蓄水16352m3,如果能按海绵城市的设想将这部分水资源加以回收利用,将发挥巨大的环境效益和经济效益。
      2.2 透水砖在海绵城市建设中的应用
      常用的透水砖类型很多,根据透水砖的制作工艺可分为水泥混凝土砖、陶瓷砖以及砂基砖。水泥混凝土砖通过水泥胶结、压制成型;陶瓷砖通过高温煅烧成型;砂基砖以天然硅砂为原料,通过高分子粘结剂在常温下固结成型。在透水性能方面,陶瓷砖>砂基砖>水泥混凝土砖,在制作成本方面与透水性能的排序相同。
      2.2.1 透水砖路面的优点[9]
      (1) 对地下水资源具有保护作用。雨水可以通过透水砖与地面下垫层相通的渗水路径渗入下部土壤,因而对于地下水资源起到积极的保护作用。
      (2) 吸声降噪。当声波打在透水砖表面时,声波引起小孔或间隙的空气运动,通过摩擦转变为热能,从而使声波衰减。
      (3) 对城市热环境具有改善作用。雨过天晴以后,下垫层中丰富的毛细水通过自然蒸发和太阳辐射作用下的蒸腾作用使地表的温度降低,从而有效地缓解“热岛效应”。
      (4) 缓解地表径流。市区硬化地面常常出现雨水蓄积和漫流现象,这种情况无疑会加重城市排水系统的压力,而透水砖地面由于自身良好的透水性能,能有效地缓解城市排水系统的泄洪压力,径流曲线平缓,其峰值较低,并且流量缓升缓降,这对城市防洪十分有利。
      2.2.2 透水砖的铺装[10]
      透水砖地面应根据相关规程进行铺设,一是满足荷载、透水、防滑等使用功能及抗冻胀等耐久性要求,二是要根据当地水文、地质、气候等条件,并结合区域雨水排放规划和雨洪利用要求来确定。
      透水砖路面结构层由透水砖面层、找平层、基层、垫层组成,典型构造如图4所示。透水砖各结构层的要求分述如下:1)面层。透水砖的透水系数不小于1.0×10-2 cm/s,防滑性能不小于60,耐磨系数不大于35 mm;道路类型为人行道、步行街的透水砖抗压强度为40.0 MPa,抗折强度为5.0 MPa,砖缝间接缝宽度为3mm。2)找平层。面层与基层之间应设置找平层,该层透水性能不宜低于面层所采用的透水砖,一般采用中砂或透水干硬性砂浆,厚度为30mm。3)基层。基层采用级配碎石形式,基层顶面压实度按重型击实标准,应达到95%以上,级配碎石集料基层压碎值应小于26%,公称最大粒径不宜大于26.5mm,集料中小于或等于0.075mm颗粒含量不应超过3%;基层厚度为200mm。4)垫层。当透水砖路面土基为黏性土时,宜设置垫层,当土基为砂性土或底基层为级配碎、砾石时,可不设置垫层。除以上结构层外,还要求土基应稳定、密实、均质,其中路槽底面土基回弹模量值不宜小于20 MPa,压实度不应低于90%且不大于 93%。
      相关学者对比了不同形式路面的保水效益,结果表明:透水砖地面的透水性能远比传统地面优越,下渗量可增加(1-4)倍。因此,在城市开发中若能保证透水砖铺装率,尽可能地使径流量不超过开发前的水平,可有效避免因城市建设而造成的排洪压力。透水砖将成为海绵城市和水生态文明城市建设的有力助推剂。
      2.3 透水混凝土制品应用中存在的问题
      (1) 目前,透水混凝土制品配比设计还不够成熟,加上应用部位及运输距离等条件的限制,其大规模工厂化生产还不多见,生产效率不高。
      (2) 透水混凝土制品含有大量孔隙,影响透水混凝土制品的强度,目前有良好透水性的透水混凝土制品尚难应用于有高强度需求的场合。
      (3) 当前市场上透水混凝土制品的价格比普通的混凝土制品高出许多,因此工程直接造价偏高。
      (4) 目前对透水混凝土制品应用技术方面的系统性研究远未达到普通混凝土制品的程度,对于抗冻性、耐磨性以及透水性等指标还需进一步深入研究。
      海绵城市建设基于“源头减排、过程控制、系统治理”的建设理念,遵循“规划引领、生态优先、安全为重、因地制宜、统筹建设”原则,综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等工程技术措施,系统地解决城市开发建设面临的水生态、水资源、水环境、水安全等问题。建设海绵城市对于践行新型城镇化的发展道路、提升我国城镇化质量和生态文明建设水平具有重要作用。
      透水混凝土制品为环境效益和社会效益并存的环保生态型道路材料,其特性符合海绵城市的发展理念,即顺应自然、与自然和谐共处的低影响发展模式。可渗透路面为改变传统城市建设理念提供了一条途径,未来应该加强透水混凝土制品性能的研究,改进生产工艺,使之更广泛地应用于城市建设,达到低影响开发目的,使城市能够弹性适应环境变化与自然灾害,实现资源和环境协调发展。
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