摘 要：透水混凝土作为海绵城市的一种重要载体，可以有效消纳路表雨水。然而，透水混凝土路面在实际使用过程中，随着使用年限增加而不断累积的堵塞物会大大降低其透水性能。本研究针对透水混凝土的堵塞问题，采用室内材料试验方法，开展了针对透水混凝土堵塞问题的试验研究，同时通过对抗堵塞型透水混凝土的成本分析与透水道路后期维护成本进行对比分析。研究结果表明：在透水混凝土加入憎水剂可以有效提升其抗堵塞性能，并且透水混凝土中添加憎水剂可有效节约透水道路的后期维护成本。同时，推荐Seal-80为最佳性能的憎水性添加剂。研究成果为透水混凝土在相关实际工程中的应用提供了试验支撑与造价分析结果。

   关键词：海绵城市；道路工程；透水混凝土；后期维护；造价分析  

   0 引言

   透水混凝土作为海绵城市的一种重要载体，可以有效消纳路表雨水，减小城市发生路面漫水甚至形成内涝的风险[1]。透水混凝土是指由水泥、骨料、水和透水混凝土增强剂拌制而成的一种多孔混凝土，具有良好的透水透气效果[2]。透水混凝土铺装在实际使用过程中，随着其使用年限的增加，表层路面的堵塞率会逐渐增大，使得路面透水性能下降[3]。透水混凝土路面的抗堵塞性能及其影响因素一直都是研究的热点，蒋佳[4]以南京市已建成的透水混凝土人行道为例，进行路面空隙堵塞状况的现场调研与试验，发现砂土等无机堵塞物是造成孔隙堵塞的主要物质。

   如何提高透水路面的抗堵塞能力则成为当前行业界关注的焦点，大量学者也从不同方面进行了许多有益的研究工作。在结构方面，韩唯伟[5]指出双层排水路面比单层排水路面抗堵塞能力更强，较小且合理的上层厚度对透水混凝土路面的恢复率具有积极影响；Omkar[6]通过透水水泥混凝土堵塞特性进行试验，发现内部孔隙直径大于5～6mm以及小于1～2mm的透水路面抗堵塞性能最优。而在透水混凝土路面堵塞后，可以依靠一定的后期维护措施，对透水混凝土中的堵塞物进行清除处理；张娟[7]采用先高压水冲洗后负压抽吸的设备对排水路面进行孔隙维护试验，结果表明对堵塞物有一定的清除效果；谭燕等人[8]利用清水清洗、真空抽吸与高压水枪冲洗3种清洁方式对透水试件进行透水性能恢复试验。前述试验与研究表明，仅依靠后期维护措施，也存在一定的问题：若透水混凝土在堵塞后再进行清理，无法达到堵塞前的透水效果，并且后期的维护成本也较高。

   憎水剂作为一种常用的外掺剂，其特殊的荷叶效应[9][10]可明显增强材料的排水性能。因此，本研究为提升透水混凝土的抗堵塞性能，在透水混凝土内加入憎水剂增强其莲花荷叶效应，增强其抗堵塞性能，对透水混凝土的抗堵塞性进行试验研究,同时对透水混凝土路面的几种常用后期维护方法进行造价对比分析，得出海绵城市透水道路后期维护造价最优的推荐方案。

   1 透水混凝土抗堵塞功能试验研究

   通过论证了加入内掺型憎水剂砂浆、外涂型憎水剂砂浆和基准组砂浆润湿边角与表面排水性的关系，得出了砂浆工程材料的润湿边角越大，憎水性越好，表面排水性越好[9]。本研究将内掺型憎水剂和外涂型憎水剂加入透水混凝土，对比普通透水混凝土，通过抗堵塞性试验，论证哪种憎水剂可以达到最佳的透水混凝土抗堵塞性。

   1.1 憎水型透水混凝土配制

   水泥：本试验采用P.C-42.5R水泥，粗集料：本试验采用广汉出产的4-6mm的碎石作为粗集料，水采用成都的普通生活用水。

   为论证如何增强材料的抗堵塞性能，本研究在配制透水混凝土试块中还掺入憎水剂：本研究设计了5组试验进行对比分析，第1组为基准组，第2、3组为内掺型憎水剂，第4、5组为外涂型憎水剂，透水混凝土等级为C25，骨料为单粒径级配碎石，具体配合比见表1所示。

表1 各试验组的透水混凝土配合比

   1.2 抗堵塞试验

   将制作完成的透水混凝土试块放入按照透水混凝土技术规程[11]要求的透水水泥混凝土透水系数试验装置，按照其要求测量各透水混凝土试块的透水系数，试验结果以每组3块的平均值表示。

   对各组透水混凝土的试块进行循环堵塞试验，可以对比分析透水混凝土的堵塞性能。具体试验过程如下：

  （1）首先对各组透水混凝土试块的初始透水系数进行测试；

  （2）在试块上表面均匀撒布配置的全集配堵塞物，每次撒布量为一年份的堵塞物[12]——3.95g，模拟每年堵塞后的试验结果；

  （3）将试块上表面用等尺寸圆环包裹好以防下述震荡注水等过程堵塞物从试块上表面遗落，然后摇动振荡试块30s，同时对试块上表面均匀注水500ml，模拟下雨过程，同时亦可保证堵塞物可以均匀流入透水混凝土的试块，更好模拟堵塞过程；

  （4）将试块上表面的保护圆环取下后，再次测定渗透系数；

  （5）重复上述步骤（2）~（4），直至渗透系数低于0.5mm/s，这个值是规程要求的透水系数要求值，当渗透系数小于0.5mm/s，认为该试块已不满足规程要求，不再进行堵塞试验。

   1.3 试验结果

   各组透水混凝土的循环堵塞试验结果见图1所示。

图1 循环堵塞试验

   由图1可以看出，普通4-6mm单粒径透水混凝土在不经抗堵塞干涉以及不采用按时的后期维护措施，预计此级配的透水混凝土将于8年后堵塞；内掺型憎水剂和外涂型憎水剂均可以有效提高透水混凝土的抗堵塞性，其中掺入SHP60憎水剂的透水混凝土预计可以提高到12年后堵塞，而Seal-80组预计可以提高到16年方堵塞；外涂型憎水剂hahne组和WKT-3组预计均可以提高到12年后堵塞。

   因为憎水剂可以作用透水混凝土，提高其排水性，可以有效增强透水混凝土路面的水珠荷叶效应，水滴从材料表面滚落的同时将沙子、灰尘类小颗粒堵塞物带走，使工程材料表面保持干净，进而可以增强透水型道路的抗堵塞性能。基于本研究，透水混凝土的抗堵塞性能最佳推荐添加剂为Seal-80憎水剂。

   2 透水道路后期维护造价分析

   本节通过查阅相关文献[13]-[16]，对目前市场上存在的专业清洗车和清洗方式进行了分类介绍。以成都市某大学老校区人行道透水混凝土路面改造工程为研究案例，通过市场询价、现场踏勘等方式，对专业清洗车和憎水剂的成本进行对比，以期为读者在透水混凝土路面憎水剂的选择上提供一定的参考。

   2.1 透水道路后期维护方法对比

   2.1.1 专业清洗车

   目前，市场上主流的专业清洗车主要分为传统高压水喷射与抽吸清洗车、空化半高速清洗车、高压吹气清洗车、国产排水性路面机能恢复车四大类。通过查阅文献和市场调研，我国目前主要采用的是国产排水性路面机能恢复车，该种清洗车采用“高压水+气穴效应+真空抽吸”法，对于浅层堵塞路面，清洗效果极佳。

   2.1.2 过氧化氢溶液与堵塞物进行化学反应

   化学方法一般是采用过氧化氢溶液与堵塞物进行化学反应，达到清洗堵塞物的效果。但由于价格昂贵，反应过程的剧烈对周围环境的影响比较大，故很少使用。

   2.2 透水道路后期维护造价分析

   成都市某大学老校区已投入使用多年，根据该学校的规划及发展，2020年该学校对其老校区进行综合治理，进行路面维修、沥青铺设、人行道透水铺装改造，其中人行道透水混凝土路面的改造面积约为25000m2。本工程人行道透水混凝土路面的具体施工方法：①现行人行道基层（拆除其面层烧结砖，保留基层）；②100mm厚的C20透水混凝土现浇找平层；③50mm厚的C25透水混凝土；④无色透明密封进口固化剂。

   人行道彩色透水砼路面设计节点如图2所示。

图2 人行道彩色透水砼路面设计节点图

   50厚透水混凝土面层的等级为C25，骨料为4-6mm单粒径级配碎石，具体配合比见表2。

表2 每方透水混凝土（C25）材料用量

   以该工程2.5万平米的透水混凝土路面作为研究单位，在满足透水道路性能的基础上，透水道路的清洁车维护的年成本可参考表3[15][16]所示，该部分费用包括了人材机费。

表3 清洁车维护年成本表

   对于新改造的工程，新建混凝土透水路面中的堵塞物多为浮沉、尚未板结的情况，属于浅层堵塞路面，透水混凝土路面功效衰减较快，需高频率清洗，因此本文选择排水性路面机能恢复车的清洗成本作为憎水剂成本的对照组。

   本文憎水剂选取内掺型和外涂型两种：

  （1）内掺型憎水剂：①SHP60硅烷基憎水剂，建议掺量为干粉用量的0.2%至0.5%，本试验设计掺量为干粉用量的0.35%；②Seal-80硅烷基憎水剂，建议掺量为干态用量的0.2%至1%，本试验设计掺量为干态用量的0.5%。

  （2）外涂型憎水剂：①hahne悍能外涂型憎水剂，使用可将hahne悍能与水按1:10比例配合，建议水溶液使用量为200ml/m2，本试验设计使用量为建议使用量；②WKT-3外涂型憎水剂，使用可将WKT-3万可涂与水按1:10比例配合，建议水溶液使用量为200ml/m2，本试验设计使用量为建议使用量。

   同样以该工程2.5万平米的透水混凝土路面作为研究单位，在满足透水混凝土性能的基础上，通过市场询价、类似项目同口径对比，将添加憎水剂的施工成本汇总整理如表4所示。该部分费用包括了材料费和人工费。造价费用根据憎水剂掺入50mm厚透水混凝土面层进行假设造价计算统计（根据抗堵塞试验结果，对本改造项目的透水混凝土面层进行憎水剂掺加即可）。

表4 憎水剂施工成本表

   由前文抗堵塞试验可知，未经抗堵塞干涉且未按期维护的透水混凝土路面，在第八年基本丧失透水能力，而一般道路设计使用年限为15年；shp60、Hahne、WKT-3外涂的抗堵塞效果可维持至建成后12年，Seal-80则可维持至建成后16年；本研究按使用年限为15年考虑。排水性路面机能恢复车的清洁时长为7年，若使用shp60、Hahne、WKT-3憎水剂，排水性路面机能恢复车还需清洁3年。因此shp60、Hahne、WKT-3憎水剂的总成本为自身成本加3年专业清洗车清洗成本。若使用Seal-80，则不再需要排水性路面机能恢复车进行清洁。憎水剂与清洁车维护成本分析对比如图3所示。

图3 憎水剂与清洁车维护成本分析对比图

   由图3中数据分析可知,可节约成本中考虑的因素包含各憎水剂的直接成本和间接成本,直接成本为憎水剂的材料费和施工人工费，间接成本为后期维护成本。研究表明：憎水剂效果越好，可维持透水效果时间越长，间接成本越低，则可节约的维护成本越大。

   由图3可知，从可节约成本的角度出发，４种憎水剂的节约造价成本排序为：Seal-80>WKT-30>Hahne>shp60。其中Seal-80可节约的成本最大，每平米可以节约116.88元。

   3 结语

  （1）在透水混凝土加入憎水剂可以有效提升其抗堵塞性能，基于本研究提升其抗堵塞性能效果最好是Seal-80组。

  （2）通过对抗堵塞型透水混凝土的成本分析与透水道路后期维护成本进行对比分析，结合实验数据表明，在透水混凝土中添加这４种憎水剂均可节约透水道路的后期维护成本，４种憎水剂的节约造价成本排序为：Seal-80>WKT-30>Hahne>shp60。

  （3）综合各憎水剂的成本造价分析与抗堵塞性能效果，基于本研究可综合得出最优推荐抗堵塞外加剂为Seal-80。

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