摘 要：

在寒冷地区，透水砖铺装的冻胀损坏一直是影响其寿命的主要因素之一。通过冻胀损坏试验，研究陶瓷透水砖、水泥透水砖在冻结过程中外观变化和冻胀应力的变化规律，对其抗冻性能进行评价，最后结合试验数据提出相应的抗冻胀技术改进措施。研究表明：陶瓷透水砖的抗冻性能优于水泥透水砖。在水饱和度为完全饱和、有侧限条件下，陶瓷透水砖的最大冻胀应力为1.42 MPa，水泥透水砖的最大冻胀应力为1.67 MPa；在水饱和度为完全饱和、无侧限条件下，陶瓷透水砖的最大冻胀应力为0.21 MPa，水泥透水砖的最大冻胀应力为0.22 MPa。透水砖的抗冻防治措施应从提高砖体强度和耐久性、降低水饱和度、应力释放和加强透水砖铺装后期维护管理等几方面采取综合措施。在分析有侧限、无侧限试验条件下透水砖冻胀应力的大小差值较大的基础上，提出干砂灌缝或设置伸缩缝、基层或垫层增设导水管（板）、增设辅助设施等透水砖铺装抗冻胀技术改进措施。

关键词：

透水砖;冻胀应力;抗冻胀;城市雨水管理;海绵城市;饱和度;低影响开发;

作者简介：

李俊奇（1967—），男，教授，博士，主要研究方向城市雨洪控制与利用技术、水环境保护与修复、水资源与环境经济。E-mail:jqli6711@vip.163.com;

郭晓鹏（1993—），男，硕士研究生，主要从事城市雨水管理与水环境生态工程研究。E-mail:1187961345@qq.com;

基金：

北京市自然科学基金重点项目（8191001）;

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2018ZX07110-008）;

引用：

郭晓鹏，李俊奇，梁云，等． 透水砖冻胀损坏试验研究［J］. 水利水电技术( 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

透水铺装独特的多孔结构和较大的渗透系数使其具有削减城市雨水径流、补充地下水以及降低径流污染负荷等功能，其中透水砖铺装作为最常见的一种铺装方式被广泛应用。然而在寒冷地区会受到冬季融雪径流渗入结构内部产生冻胀等影响，使得透水砖铺装的结构和性能极易遭到破坏，缩短了使用寿命，严重限制了其使用范围。其中透水砖的冻胀损坏实质上是因为其面层、基层等结构层具有一定的孔隙，形成一定的滞蓄容积。在冬季，融雪径流通过透水砖铺装表面渗透到孔隙里，导致其滞蓄在透水砖内部结构中，水结冰时体积膨胀产生冻胀力，当产生的冻胀力超过透水砖骨料之间或骨料内部的黏合力时，造成透水砖表面剥蚀、抗压强度衰减等后果。

透水砖冻胀损坏程度不仅与冻胀应力大小有关，而且与其材料、水饱和度、冻融次数、冻结速率等密切相关。

（1）材料。常见的透水砖铺装类型有构造透水型（缝隙式透水）、砖体自身透水型等几种形式[9]。自身透水型透水砖一般由水泥和砂石、陶瓷颗粒、建筑垃圾等骨料以及外加剂等通过振动、挤压成型。研究表明，水泥强度等级、用量、水灰比等对透水砖的抗压强度、抗折强度有明显影响；透水砖骨料的构成比例同样重要。当废陶瓷颗粒的掺加量控制在透水砖总质量的60%时，可有效改善透水砖的弹性模量，透水砖的抗压强度、抗折强度均有升高，超过《透水砖路面技术规程》（CJJT 188—2012）标准，抗冻性能明显优于未掺加废陶瓷的水泥透水砖。

（2）水饱和度。透水砖滞蓄容积中的水饱和度是透水砖损坏的决定性因素。当透水砖结构层的水饱和度超过 “临界水饱和度”时，融雪径流在地表温度低于0℃的条件下会在结构层内结冰、冻胀，造成透水砖冻胀损坏；反之，即使有冻胀力的存在，透水砖也不易受损。研究表明，不同水饱和度的透水砖铺装面层的抗压强度损失量差别较大；当透水砖铺装面层水饱和度大于90%，其抗压强度损失值远超过其水饱和度小于90%的强度损失值。在冻融循环的作用下，滞蓄在孔隙中的径流破坏了透水砖宏观的孔隙结构且是一种不可逆的过程，面层水饱和度超过90%的条件下，水结冰时膨胀量较大且无膨胀空间，造成其内部结构粗骨料之间的黏合力衰减量较多，从而导致其抗压强度损失较大。这与SUTTER等、LEECH等提出的混凝土在饱和时易发生冻胀现象一致。透水铺装面层水饱和度超过90%时，其结构和性能变化较大，这与水结冰过程中的产生冻胀系数大小有关。

（3）冻融次数。透水砖冻胀损坏具有累积效应。在冻融循环作用下，结冰冻胀引起的透水砖结构与性能的破坏是不可逆的。透水砖抗冻耐久性Df与冻融循环次数n之间的关系可按式（1）计算

式中，DfDf为透水砖抗冻耐久性；n为冻融循环次数；Edn为冻融循坏后测得的弹性模量（MPa）；Ed0为冻融循环前弹性模量初始值（MPa）。

此外，在透水砖冻胀过程中，冻结速率的快慢与冻结锋面的移动速率成正比。冻结锋面的移动速率越大，产生的冻胀力越大。氯盐型融雪剂的使用会在结构层中形成浓度差加剧冻融破坏力。防滑沙砾的使用会堵塞孔隙，减少渗透性，不利于透水砖空隙中的融雪径流及时排走。

综上所述，目前国内外针对透水砖冻胀损坏原因、材料配比、冻融次数对其抗冻性能的影响等方面展开研究，但缺乏透水砖损坏过程中，产生冻胀应力大小相关方面的研究以及数据支撑。本文通过冻胀应力试验测定透水砖完全饱和状态状态，有侧限和无侧限两种条件下产生的冻胀应力大小，提出透水砖抗冻胀损坏改进措施，以期为提高透水砖抗冻性能、延长使用寿命和扩展应用范围提供科学支撑。

1 试验方法

1.1 试验材料及装置

试验所用材料包括：（1）陶瓷透水砖和水泥透水砖，规格均为200mm×100mm×60 mm。其中两种透水砖均按照《透水砖路面技术规程》规范中制作，并按照标准养护条件养护28d，透水砖主要物理性指标如表1所列；（2）压力传感器，直径为58 mm，厚度为30 mm，精确度为3/1000，测量范围0~50 kN；（3）龙门架，由4根直径为20 mm、高度为300 mm的螺丝钢柱作为支撑杆，与2个长为250 mm、宽度为150 mm、厚度为10 mm钢板制作而成；（4）传压板，上端与压力传感器相接，下端与透水砖相接，冻胀过程中应力由传压板传输至压力传感器；（5）清水、传输线等辅助材料。试验装置如图1所示。

图1 透水砖冻胀应力测定装置

1.2 试验方案

透水砖制作完成后在标准养护条件下养护28 d后，放入清水中浸泡1 d，使其处于完全饱和状态，然后进行冻胀力试验。冻胀力由与透水砖上表面接触的压力传感器测得。由于试验装置及压力传感器在低温条件下会发生冷缩现象，造成试验结果误差，因此在测量开始之前，先进行预冷，时间为0.5 h，预冷结束后进行冻胀力试验。透水砖在冻结过程中温度为（-17±2）℃，当冻胀力稳定在某一数值并在1 h内不发生变化时，所测数值为冻胀力最大值。然后将透水砖在温度为17 ℃条件下进行解冻，测量冻胀力变化，冻融一次的时间为7 h。每种透水砖在有、无侧限两种条件下进行试验，其中有侧限是将透水砖置入钢制盒中，透水砖只产生竖向压缩，而无侧向变形，监测该条件下透水砖冻胀应力；无侧限是透水砖无任何外加压力条件下监测其冻胀应力。每种条件下都进行五组平行试验，求得每组试验平均值。

1.3 冻胀应力计算方法

每次冻胀试验结束后，由压力传感器传出的压力数值Ft与透水砖面积S的比值得到透水砖冻胀时产生的冻胀应力，即

式中：P为透水砖冻胀时产生的冻胀应力（MPa）；Ft为某时间下压力传感器所传出的数值（kN）；S为透水砖受力面积（m2）。

2 试验结果与分析

2.1 透水砖抗压强度等级及外观变化

经抗压强度压力机测得，陶瓷透水砖抗压强度为32.2 MPa，水泥透水砖抗压强度为29.9 MPa。两种透水砖在冻胀应力作用下，表面出现不同程度的砂浆剥蚀，其中水泥透水砖剥蚀严重，粗骨料裸露，损坏严重，骨料剥蚀面积为0.5~0.6cm2，剥蚀深度为0.1~0.5cm；陶瓷透水砖表面剥蚀量较少，粗骨料完好，损坏较轻。

图2 水泥透水砖表面剥蚀情况

图3 透水砖铺装冻胀损坏典型案例（庄河，冬季月均降水量8.6mm，停车位）

2.2 透水砖抗冻性能

在透水砖完全饱和、有侧限条件下，对陶瓷透水砖、水泥透水砖进行冻胀应力试验，由压力传感器传输的压力值和利用式（2）计算得出的冻胀应力值如表2所列，冻胀应力随时间变化规律如图4所示。

图4 两种透水砖完全饱和、有侧限条件下冻胀应力随时间的变化过程

以上试验结果表明，在相同条件下，陶瓷透水砖、水泥透水砖在冻胀初始时冻胀应力的大小分别为0.12MPa、0.14 MPa，两者相差不大。随着试验的进行，陶瓷透水砖与水泥透水砖冻胀应力差别开始变大，其中陶瓷透水砖出现的峰值时间为2.0h且最大冻胀应力为1.42MPa，出现最大值后开始解冻，解冻时长为3.0h；水泥透水砖出现的峰值时间为2.0h，最大冻胀应力为1.67MPa，出现最大值后开始解冻，解冻时长为3.5h。显然，在相同的冻胀条件下陶瓷透水砖的冻胀应力变化小于水泥透水砖的冻胀应力变化且其解冻时长较短。陶瓷透水砖的骨料之间黏合力强，抗冻性能较好，导致冻胀应力较小、解冻时间较短。

综上所述，陶瓷透水砖的抗冻性能要优于水泥透水砖。

2.3 有无侧限条件下冻胀应力分析

对有、无侧限条件下陶瓷透水砖、水泥透水砖进行冻胀应力试验，由压力传感器传输的压力值和利用式（1）计算得出的冻胀应力值，其冻胀应力随时间变化规律如图5、图6所示。

图5 水泥透水砖有、无侧限条件下冻胀应力随时间的变化过程

图6 陶瓷透水砖有、无侧限条件下冻胀应力随时间的变化过程

由冻胀应力计算结果和变化规律可知，相同温度条件下，在冻胀试验初始时，有、无侧限的透水砖冻胀应力相差很小。随着冻胀试验的进行，在2.0 h时出现最大峰值，有侧限条件下的陶瓷透水砖最大冻胀应力为1.42 MPa，水泥透水砖最大冻胀应力为1.67 MPa，分别是其抗压强度的1/23和1/18；无侧限条件下的陶瓷透水砖最大冻胀应力为0.21 MPa，水泥透水砖的最大冻胀应力为0.22 MPa，有、无侧限条件下，产生冻胀应力最大值的时间相同。由以上数据可知，有侧限条件下，陶瓷透水砖、水泥透水转的冻胀应力远大于无侧限条件下两种透水砖的冻胀应力，比值在6~8之间。其原因是在有侧限条件下，透水砖蓄水容积中的水结冰产生的体积膨胀无法向四周扩散只能向传感器一侧发生传导，从而造成有侧限条件下的冻胀应力要远大于无侧限条件下的冻胀应力。而在实际工程中，整个透水砖铺装是一种封闭状态，在冬季其冻胀应力无法向外部扩散，造成严重损坏，这与试验结果相吻合。

分析透水砖铺装在整个冬季冻胀过程中受力条件与透水砖有侧限条件下冻胀条件下受力相似，而通过试验可知，透水砖无侧限条件下远小于有侧限条件下的冻胀应力，因此，在提高或改善透水砖、透水铺装抗冻性能方面，可从改变铺装结构的方式进行考虑。

3 透水砖抗冻胀技术改进

3.1材料措施

材料是影响透水铺装抗冻性能的重要因素。因此，改善材料是提高透水铺装抗冻性能的重要措施之一。材料措施的具体方法可分为改变材料配比法和外加剂法。

（1）改善材料配比法

改变材料配比包括改变水灰比、混合料配比等。在施工过程中，降低水灰比会提高混凝土的抗压强度，进而提高透水铺装抗冻性能。目前降低水灰比的具体方法是减少水的用量，同时在施工搅拌过程中加入适量减水剂以其保证和易性不会发生改变。另外，试验证明，在制备透水砖时，提高废陶瓷等材料在混合料中的占比或向透水混凝土中掺入占总量10%的粉煤灰、矿渣等材料，可有效提高其抗压强度和抗折强度。

（2）外加剂法

透水铺装外加剂是指在结构层制作或施工过程中掺入混凝土中，然后能显著提高透水铺装设施的抗压、抗拉、抗剪强度，以改善其抗冻性能的一种或几种物质。可改善透水铺装抗冻性的外加剂有引气剂、防水剂等，其中常见引气剂种类包括松香树脂类、脂肪醇磺酸盐类和非离子聚醚类等；防水剂种类包括氯化铁、无机铝盐防水剂以及有机化合物类。

3.2辅助措施

3.2.1干砂灌缝或合理设置伸缩缝

由透水砖冻胀应力试验分析可知，有侧限条件与无侧限条件下的冻胀损坏程度相差很大，当透水砖有侧限时，在冻胀过程中因水结冰产生的应力无法向外释放、体积膨胀量无法向外扩散而造成透水砖损坏。因此在透水砖铺装施工过程中，应优先选择干砂灌缝；或采用水泥砂浆灌缝与干砂灌缝相结合的施工工艺，每间隔一定距离必须留设缝隙用干砂灌缝。与此同时，基层也应在保证其抗压强度、渗透系数等性能不发生破坏的前提下，设置变形缝或伸缩缝，有助于减少透水砖冻胀损坏。此外，也可在透水砖制作过程中在其纵向预留一定腔体，为水结冰预留一定的膨胀空间。

3.2.2基层或垫层加设导流管或渗排板

由透水砖冻胀损坏影响因素可知，水饱和度在整个冻胀过程中起到决定性作用，因此控制其水饱和度是实现削减或消除透水砖冻胀损坏的重要途径。采用有效措施，减小透水砖铺装结构层内部融雪径流排空时间，使透水砖的水饱和度尽快减小到“临界水饱和度”以下，称之为“导流法”。

具体做法可采用以下两种：（1）在基层或垫层底部铺设导水管，将水排入周边的植草沟、生物滞留带、干塘等雨水设施，可有效削减透水砖冻胀损坏。其中，导水管的管径为5~10cm，铺设坡度为1‰~5‰；也可在面层、基层间隔加设立管导水。（2）在基层或垫层内部设施具有毛细作用的渗排板，将渗入的水通过重力或毛细力排至周边绿地或雨水设施。在实际的工程实践中，应根据不同地形、地质等外界环境选择相应的导流措施，以达到经济和效果俱佳的目的。

图7 基层或垫层加设导流管或渗排板做法示意图

3.2.3增设辅助设施进行应力释放

在透水砖铺装的设计与施工过程中，可采用扩大基层和垫层结构、或在临近铺装结构的区域增设植草沟、生物滞留设施等方式，将部分渗入水进行分散，有效减小冻胀应力，以达到减少透水砖铺装冻胀破坏的目的，这与王怀祖在混凝土道面不均匀冻胀防治所提出的设隔离层或隔离垫层方法一致。这种改变透水砖铺装底部结构或增设辅助设施以改变冻胀力分布的方法称之为应力释放法。

改变透水砖铺装底部结构的方法有很多种，如将基层和垫层底部扩大，使得垫层和基层储水容积大于原来铺装结构储水容积。增大储水容积后的透水铺装产生的部分垂直冻胀力会分担到周边植草沟或生物滞留设施上，降低对透水砖的冻胀应力，从而减小透水铺装整体的纵向位移。

此外，还应通过选择合适的材料及优化配合比等措施提高透水砖本身的强度，在寒冷地区优先选用高强度等级和高耐久性的透水砖等。在透水砖铺装的使用过程中也应采取针对性的维护管理措施以保证其具有持续的抗冻胀能力，增强其耐久性，如避免在使用过程中用砂浆类材料替代干砂灌缝；防止导水管和渗排板损坏或堵塞，保证渗排水畅通，尽量避免透水砖铺装结构完全饱和等。

图8 透水砖铺装与植草沟组合设施做法示意

4 结果讨论

透水砖冻胀损坏是滞蓄容积中的水结冰体积膨胀对孔隙周围产生冻胀力，当产生的冻胀力超过透水砖内部的黏合力时，造成其内部结构损坏。影响因素包括透水砖材料、水饱和度、冻融次数及冻结速率等，其中水饱和度是造成透水砖冻胀损坏主要因素。其中冻胀压力与冻胀破坏之间成正相关关系，冻胀压力越大，透水砖内部粘合力损伤越大、骨料剥蚀度越高，造成的冻胀破坏越严重；冻胀压力越小，透水砖内部粘合力损伤越小、骨料剥蚀度越低，造成的冻胀损坏越轻微。

5 结论与建议

（1）在水饱和度为完全饱和、有侧限条件下，陶瓷透水砖的最大冻胀应力为1.42 MPa，水泥透水砖的最大冻胀应力为1.67 MPa，分别是其抗压强度的1/23和1/18；在水饱和度为完全饱和、无侧限条件下，陶瓷透水砖的最大冻胀应力为0.21 MPa，水泥透水砖的最大冻胀应力为0.22 MPa；陶瓷透水砖的抗冻性能略优于水泥透水砖。有侧限时的最大冻胀应力是无侧限时的6~8倍。

（2）透水砖的抗冻防治措施应从提高砖体强度和耐久性、降低水饱和度、应力释放和加强透水砖铺装后期维护管理等几方面采取综合措施。降低水饱和度的方法包括基层或垫层增设导水管或渗排板；应力释放的方法包括干砂灌缝或设置伸缩缝、增设植草沟或生物滞留带等辅助设施；透水砖铺装的冬季维护管理决定着融雪径流在其滞蓄容积中的停留时间，需制定相关的维护方法来操作。

水利水电技术（中英文）

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