CN108532407A - 一种防堵快渗透水砖及防堵表层中骨料粒径选择方法 - Google Patents

一种防堵快渗透水砖及防堵表层中骨料粒径选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防堵快渗透水砖及防堵表层中骨料粒径选择方法，透水砖包括快渗基层和防堵表层；防堵表层的厚度为0.5~1.0cm，防堵表层的中部设有与透水砖宽度方向相平行的槽体；槽体的长度与透水砖的宽度相等，槽体的深度与防堵表层的厚度相等；防堵表层的四周边缘设有倒角，倒角的深度与防堵表层的厚度相等；在柏油和水泥路面附近铺设，防堵表层的孔隙大小为20~40µm；在草地和土路面附近铺设，防堵表层的孔隙大小为5‑20µm。方法步骤包括地表径流收集、粒径分析、孔隙大小选择、推算骨料粒径和骨料粒径修正。本发明能增加受水面积，减少地面积水，还具有良好的透水透气性能，实现雨水快渗，补充土壤水和地下水，保持土壤湿度，提高城市涵养。

Description

一种防堵快渗透水砖及防堵表层中骨料粒径选择方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，特别是一种防堵快渗透水砖及防堵表层中骨料粒径选择方法。
背景技术
近年来，暴雨天气的逐渐增多，降水强度大、连续性降水时间长等问题，使我国多数城市路面产生积水现象。因此，建设海绵城市在新一代城市雨洪管理中显得尤为重要，而透水路面砖就是海绵城市建设的一个关键组成部分。
现有的透水砖多为混凝土透水砖和陶瓷透水砖等，使用3～5年后，由于其结构的不合理容易造成堵塞，以致雨水不能正常下渗，减少城市内涝的功能由此丧失。因此必须设计一种新型具有防堵快渗的结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种防堵快渗透水砖及防堵表层中骨料粒径选择方法，该防堵快渗透水砖及防堵表层中骨料粒径选择方法能增加受水面积，减少地面积水，还具有良好的透水透气性能，实现雨水快渗，补充土壤水和地下水，保持土壤湿度，提高城市涵养。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种防堵快渗透水砖及防堵表层中骨料粒径选择方法，包括快渗基层和固定设置在快渗基层顶部的防堵表层；防堵表层的厚度为0.5～1.0cm，防堵表层的中部设置有与透水砖宽度方向相平行的槽体；槽体的长度与透水砖的宽度相等，槽体的深度与防堵表层的厚度相等；防堵表层的四周边缘设置有倒角，倒角的深度与防堵表层的厚度相等；在柏油和水泥路面附近铺设，防堵表层的孔隙大小为20～40μm；在草地和土路面附近铺设，防堵表层的孔隙大小为 5-20μm。
防堵表层的骨料，按重量份计，包括废玻璃10-20份、陶瓷废料50-70份和粘土10-30份，防堵表层的透水系数为0.1cm/s。
快渗基层的骨料，按重量份计，包括石子40-60份，高强水泥20-30份，陶瓷废料10-20 份，快渗基层的透水系数为0.3-0.4cm/s。
槽体的横截面呈V形，槽体的倾斜角度与倒角的倾斜角度相等。
槽体的倾斜角度为45°。
快渗基层的厚度为7-7.5cm。
一种防堵快渗透水砖的防堵表层中骨料粒径选择方法，包括如下步骤：
步骤1，地表径流收集：在柏油路面两侧、水泥路面两侧、草地路面及土坡坡脚周围的下垫面分别布设采样点，从而对天然降雨形成的地表径流进行收集。
步骤2，粒径分析：采样结束后，将步骤1收集的地表径流48h内送至实验室进行激光粒度仪实验分析，得出颗分曲线。
步骤3，孔隙大小选择：选取颗分曲线中峰值粒径及左右5％的区间作为该种下垫面颗粒物的实测孔隙大小，孔隙大小选择结果为：在柏油和水泥路面，防堵表层的孔隙大小为 20～40μm；在草地和土路面上，防堵表层的孔隙大小为5-20μm。
步骤4，推算骨料粒径：采用空间堆积模型理论推算骨料粒径大小，也即将骨料颗粒简化成直径大小相同的球体，计算球体按面心立方最密堆积和体心立方最密堆积排布后的孔隙大小，使计算得到的空隙大小不大于步骤3选择的孔隙大小；具体推算方法为：假设R代表骨料粒径，r代表孔隙大小，则骨料粒径的下限值采用面心立方最密堆积进行推算，也即采用公式R＝2.414r；骨料粒径的上限值采用体心立方最密堆积进行推算，也即采用公式R＝6.464r。
步骤5，骨料粒径修正：由于骨料形状的不确定性，因而给予一个变动空间，骨料粒径大小修正后的结果为：在柏油和水泥路面，防堵表层的骨料粒径大小为50～300μm；在草地和土路面上，防堵表层的骨料粒径大小为20～150μm。
步骤1中，在柏油路面两侧、水泥路面两侧、草地路面及土坡坡脚周围的下垫面分别布设3个采样点，相邻两个采样点相距100m以上。
步骤1中，每个采样点的采样时间间隔应满足采样前地表已被冲洗干净并重新被杂质覆盖且达到稳定。
本发明具有如下有益效果：
1.本透水砖孔隙大小基于实测城市地表径流中所含固体杂质颗粒大小级配曲线，同时运用空间堆积模型理论计算和工程实际修正方法，得出防堵表层中骨料粒径。相对于现有通用产品，更有合理性和实用性。
2.本透水砖依据不同城市功能区制作不同孔隙大小的防堵表层，在城市路面铺装中更有针对性，确保不同城市功能区路面无积水。
3.本透水砖结构件简单实用，在符合步道砖强度要求的情况下设计两层结构，方便制作和推广使用。
4.本透水砖防堵表层使用废玻璃、废陶瓷为主要原料，实现资源的循环利用，有助于改善城市生态环境，可持续发展。同时表层废玻璃呈微小凹凸状，提供高效防堵耐磨能力和减噪性能。
5.具有良好的透水透气性能，实现雨水快渗，补充土壤水和地下水，保持土壤湿度，提高城市涵养。
附图说明
图1显示了本发明一种防堵快渗透水砖的立体结构示意图。
图2显示了本发明一种防堵快渗透水砖的剖面结构示意图。
图3显示了面心立方堆积时的结构示意图。
图4显示了体心立方堆积时的结构示意图。
其中有：10.防堵表层；11.槽体；12.倒角；20.快渗表层。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，一种防堵快渗透水砖，包括快渗基层20和固定设置在快渗基层顶部的防堵表层10，快渗基层20和防堵表层10可以采用粘接，也可以采用一体压制成型的方式。
透水砖的尺寸优选为20*10*8(长*宽*高)，单位为cm。
防堵表层的厚度为0.5～1.0cm，优选为1cm。若防堵表层过薄，长时间使用容易因为行车行人而摩擦损耗，且不利于部分地面积水滞纳造成地面积水排通不畅；若防堵表层过厚，由于真正起到表面及表层过滤的部分有限，则会造成滤后水排泄不畅，且细骨料用料浪费。
防堵表层的骨料，按重量份计，主要包括废玻璃10-20份、陶瓷废料50-70份和粘土10-30 份，防堵表层的透水系数优选为0.1cm/s。
在柏油和水泥路面，防堵表层的孔隙大小优选为20～40μm；在草地和土路面上，防堵表层的孔隙大小优选为5-20μm。
在柏油和水泥路面，防堵表层的骨料粒径大小优选为50～300μm；在草地和土路面上，防堵表层的骨料粒径大小优选为20～150μm。
防堵表层的优选制作方法：废玻璃用回收的玻璃废料粉碎，粉碎成0.5mm粒度以下的玻璃粉；粘土采用加工好的，粒度符合级配要求的原料；陶瓷废料是将陶瓷废品敲碎后，过45 目(水泥柏油路面)标准筛、80目(草地路面)标准筛制得的。
防堵表层设置的好处：能使透水砖铺设附近区域由地表径流带来的颗粒物大部分被防堵层拦在砖外，而较小的颗粒物能够自由从砖内通过，不会在砖内造成堵塞，延长透水砖使用寿命。并且针对不同区域分别设计防堵层孔隙大小，使透水砖的使用具有针对性，可以最大程度的发挥防堵层的效用。
上述情况可知推演可知，本专利防堵层选取骨料形成的孔隙大小与实测颗粒物粒径大小相当时，仍可以起到良好的防堵效果。这是因为，现实生活中雨水及不同下垫面冲刷形成的地面径流中含有少量有机质具有絮凝作用，使得代表粒径范围内细颗粒物抱团体积增大，被防堵层拦截。
因此，经过与实测资料比对，对于铺设在柏油或水泥路面附近、防堵层骨料粒径50～300μm的透水砖，有65％的杂质颗粒被拦截在防堵层外，有30％极细颗粒进入透水砖内部并穿过孔隙随水流流出透水砖，有约5％的颗粒物可能会残留在透水砖内部；对于铺设在草地路面附近、防堵层骨料粒径20～150μm的透水砖，有80％的杂质颗粒被拦截在防堵层外，有17％极细颗粒进入透水砖内部并穿过孔隙随水流流出透水砖，只有约3％的颗粒物可能会残留在透水砖内部。
防堵表层的中部设置有与透水砖宽度方向相平行的槽体11，槽体的长度与透水砖的宽度相等，优选为8cm；槽体的深度与防堵表层的厚度相等，优选为1cm。
槽体的横截面优选呈V形，槽体的倾斜角度与倒角的倾斜角度相等，均优选为45°。
防堵表层的四周边缘设置有倒角12，也即绕透水砖的周长设置，倒角的深度与防堵表层的厚度相等，优选为1cm。
对单块透水砖进行性能提升计算：若未设置横向槽体及边缘倒角，受水面积200cm2，平均有效渗径长度8cm，使用饱和渗透法测量渗透1L积水所用时长为201s；设置横向槽体和边缘倒角后，受水面积230cm2，增大与水接触面积15％，平均有效渗径长度7.65cm，使用饱和渗透法测量渗透1L积水所用时长为186s，减少地面积水历时约7.5％。当大面积采用本专利透水砖作为城市地表铺装后，可以导通各区块，平均分配地面积水，当有局部积水过多时整个铺设场地都能辅助排水；也即各块砖之间能协同发挥作用，其作用效率与地形、铺设面积等参数有关，但可以想见将会更加缩短地面积水历时。由此可见，本专利可在一定程度上提高城市排涝能力，增加城市涵养。
快渗基层的厚度为7-7.5cm，快渗基层的骨料，按重量份计，主要包括石子40-60份，高强水泥20-30份，陶瓷废料10-20份，快渗基层的透水系数为0.3-0.4cm/s。
陶瓷废料采用防堵表层中同样方法获得，石子粒径范围为10～15mm的玄武岩碎石，水泥采用P.O 425#水泥。该种选料及制作工艺能使得快渗基层保证透水系数为0.3-0.4cm/s。
快渗基层的制备方法：按照配方称量原料配料，用压力机压制配好的物料，制备透水砖。采用水泥裹石料法搅拌好后装入模具,利用液压式压力机，先匀速施压10s后，再在恒压 25MPa的情况下加压90s。将脱模后的试件在标准条件下洒水养护，室温控制在17～23。C, 养护28d。
一种防堵快渗透水砖的防堵表层中骨料粒径选择方法，包括如下步骤：
步骤1，地表径流收集：在柏油路面两侧、水泥路面两侧、草地路面及土坡坡脚周围的下垫面分别布设采样点，从而对天然降雨形成的地表径流进行收集。
上述采样点采用就近原则，随机选择某种下垫面采样点以排除实验偶然误差。
进一步，在柏油路面两侧、水泥路面两侧、草地路面及土坡坡脚周围的下垫面优选分别布设3个采样点，相邻两个采样点相距100m以上，排除各采样点间的相互影响作用，保证实验的普遍性。另外，每个采样点的采样时间间隔应满足采样前地表已被冲洗干净并重新被杂质覆盖且达到稳定，排除因实验间隔过短造成误差。
步骤2，粒径分析：采样结束后，将步骤1收集的地表径流48h内送至实验室进行激光粒度仪实验分析，得出颗分曲线。
步骤3，孔隙大小选择：选取颗分曲线中峰值粒径及左右5％的区间作为该种下垫面颗粒物的实测孔隙大小，孔隙大小选择结果为：在柏油和水泥路面附近铺设，防堵表层的孔隙大小为20～40μm；在草地和土路面附近铺设，防堵表层的孔隙大小为5-20μm。
步骤4，推算骨料粒径：采用空间堆积模型理论推算骨料粒径大小，也即将骨料颗粒简化成直径大小相同的球体，计算球体按面心立方最密堆积和体心立方最密堆积排布后的孔隙大小，使计算得到的空隙大小不大于步骤3选择的孔隙大小；具体推算方法为：假设R代表骨料粒径，r代表孔隙大小，则骨料粒径的下限值采用面心立方最密堆积进行推算，也即采用公式R＝2.414r；骨料粒径的上限值采用体心立方最密堆积进行推算，也即采用公式R＝6.464r。
如下表所示，为使用骨料粒径反推透水砖孔隙大小的过程。
由于孔隙产生的随机性，骨料实际堆积方法未知，因而“主要孔隙”大小的概念是在该范围内孔隙由已知骨料产生的概率最大。例如周围有柏油、水泥路面中，下界由50/2.414＝20.7得到，上界由300/6.464＝46.4得到。
步骤5，骨料粒径修正：由于骨料形状的不确定性，因而给予一个变动空间，骨料粒径大小修正后的结果为：在柏油和水泥路面，防堵表层的骨料粒径大小为50～300μm；在草地和土路面上，防堵表层的骨料粒径大小为20～150μm。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种防堵快渗透水砖，其特征在于：包括快渗基层和固定设置在快渗基层顶部的防堵表层；防堵表层的厚度为0.5~1.0cm，防堵表层的中部设置有与透水砖宽度方向相平行的槽体；槽体的长度与透水砖的宽度相等，槽体的深度与防堵表层的厚度相等；防堵表层的四周边缘设置有倒角，倒角的深度与防堵表层的厚度相等；在柏油和水泥路面附近铺设，防堵表层的孔隙大小为20~40µm；在草地和土路面附近铺设，防堵表层的孔隙大小为5-20µm。
2.根据权利要求1所述的防堵快渗透水砖，其特征在于：防堵表层的骨料，按重量份计，包括废玻璃10-20份、陶瓷废料50-70份和粘土10-30份，防堵表层的透水系数为0.1cm/s。
3.根据权利要求1所述的防堵快渗透水砖，其特征在于：快渗基层的骨料，按重量份计，包括石子40-60份，高强水泥20-30份，陶瓷废料10-20份，快渗基层的透水系数为0.3-0.4cm/s。
4.根据权利要求1所述的防堵快渗透水砖，其特征在于：槽体的横截面呈V形，槽体的倾斜角度与倒角的倾斜角度相等。
5.根据权利要求4所述的防堵快渗透水砖，其特征在于：槽体的倾斜角度为45°。
6.根据权利要求1所述的防堵快渗透水砖，其特征在于：快渗基层的厚度为7-7.5cm。
7.一种防堵快渗透水砖的防堵表层中骨料粒径选择方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，地表径流收集：在柏油路面两侧、水泥路面两侧、草地路面及土坡坡脚周围的下垫面分别布设采样点，从而对天然降雨形成的地表径流进行收集；
步骤2，粒径分析：采样结束后，将步骤1收集的地表径流48h内送至实验室进行激光粒度仪实验分析，得出颗分曲线；
步骤3，孔隙大小选择：选取颗分曲线中峰值粒径及左右5%的区间作为该种下垫面颗粒物的实测孔隙大小，孔隙大小选择结果为：在柏油和水泥路面，防堵表层的孔隙大小为20~40µm；在草地和土路面上，防堵表层的孔隙大小为5-20µm；
步骤4，推算骨料粒径：采用空间堆积模型理论推算骨料粒径大小，也即将骨料颗粒简化成直径大小相同的球体，计算球体按面心立方最密堆积和体心立方最密堆积排布后的孔隙大小，使计算得到的空隙大小不大于步骤3选择的孔隙大小；具体推算方法为：假设R代表骨料粒径，r代表孔隙大小，则骨料粒径的下限值采用面心立方最密堆积进行推算，也即采用公式 R=2.414r；骨料粒径的上限值采用体心立方最密堆积进行推算，也即采用公式R=6.464r；
步骤5，骨料粒径修正：由于骨料形状的不确定性，因而给予一个变动空间，骨料粒径大小修正后的结果为：在柏油和水泥路面，防堵表层的骨料粒径大小为50~300µm；在草地和土路面上，防堵表层的骨料粒径大小为20~150µm。
8.根据权利要求7所述的防堵快渗透水砖的防堵表层中骨料粒径选择方法，其特征在于：步骤1中，在柏油路面两侧、水泥路面两侧、草地路面及土坡坡脚周围的下垫面分别布设3个采样点，相邻两个采样点相距100m以上。
9.根据权利要求7所述的防堵快渗透水砖的防堵表层中骨料粒径选择方法，其特征在于：步骤1中，每个采样点的采样时间间隔应满足采样前地表已被冲洗干净并重新被杂质覆盖且达到稳定。
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