海绵城市战略与路面材料在海绵城市的应用

孙翔,陈庚,王啸飞,邓晶凯,付磊

中建一局集团建设发展有限公司华南分公司，广东 深圳 518000

摘要：为了解决频繁发生的城市洪水问题，国内提出了一种新的城市战略——海绵城市。它是一种能够像海绵一样能够适应雨水变化，减少洪水问题发生的水资源管理策略和方法。本文分析了海绵城市建设所面临的问题和可能的解决方案。

关键词：海绵城市；建设；路面材料

引言

近年来，人口的快速增长、城市化和高强度的基础设施建设对可持续发展提出了挑战。在许多城市，透水植被土地已被不透水路面所取代，导致排水不良和散热不良。这些问题导致了城市洪水灾害的增加，以及城市热岛效应的加重。从路面工程的角度出发，海绵城提出了对路面材料的“渗透、保留、净化、蒸发、排水”的新要求。因此，路面材料应该是多孔的和可渗透性的，以满足这些要求。本文综述了路面材料在海绵城市的应用和发展情况。

1 海绵城市的建设与发展

随着城市化进程的发展和极端天气的频繁发生，城市洪水继续出现对居民的日常生活产生重大影响。为了解决这一问题，自2015年以来，国内选择了30个城市建设海绵城市。2020年专家学者提出了一种基于成本考虑的决策模型，可根据城市经济形势与最优的洪水缓解方案相匹配。它为经济基础较差的城市发展海绵城市提供了可能性。海绵城市最直接和最终的受益者是城市居民，城市居民为海绵城市建设买单的意愿可以反映出公众对海绵城市的认可程度。研究发现，大多数人对海绵城市的建设持积极的态度，并愿意为此买单，尤其是年轻人。人们普遍对海绵城市的前景持乐观态度。良好的管理、合理的建设、充足的资金和公众支持是促进发展的关键因素。

2 海绵城市路面材料概况

渗透路面材料孔隙大，坡度开阔，是海绵城市的最佳选择。当雨水多，可渗透性物质渗入水后排出。当雨水较少时，路面上的水保持可以蒸发，供给外部环境。此外，在渗透过程中，还可以通过机械滞留、物理吸附、化学反应和生物降解来净化水。传统的路面材料不能满足水的入渗、滞留、净化、蒸发、排水的要求。因此，海绵城市的路面材料通常是可渗透的。本文将透水性路面材料分为沥青混凝土、水泥混凝土、和新型材料进行研究。

2.1 沥青混凝土

海绵城市沥青混凝土压实后一般透水，空隙超过20%，根据埋挤原理主要由骨架空隙结构组成。渗透性沥青混凝土的性能因缺乏细骨料和填料而受到不利影响。因此，渗透沥青混凝土可使用改性沥青粘结剂和破碎石灰石，最大标称粒径超过20mm。此外在沥青混凝土中加入椰子壳和椰子纤维提高其性能。研究结果表明，弹性模量、耐久性和持久性有所改善。

2.2 水泥混凝土

渗透性水泥混凝土通常用于空隙率在15%~30%之间的海绵城市。渗透水泥混凝土由硅酸盐水泥和单级配粗骨料组成。为提高渗透性水泥混凝土的性能，在混凝土制备过程中加入了高效减水剂和粘聚剂。研究发现，改性水泥混凝土的可加工性和强度都得到了提高。常用的粗骨料主要为石灰石、石英岩 和白云岩，其中白云岩是最适宜的。

因骨料具有较高的抗压强度和耐磨性故用于渗透水泥混凝土的生产。采用再生混凝土骨料作为粗骨料，能够提高水泥混凝土的抗压强度。采用电弧炉渣作为粗骨料，铝活性渣水泥作为粘结剂。结果表明，铝活性渣水泥具有较高的粘结强度，铝活性渣水泥与电弧炉渣组合改善了混凝土性能。

2.3 新型路面材料

考虑到强度、美观、环保、耐久性，开发了新型路面材料。通常采用聚氨酯、环氧树脂等聚合物粘合剂。

渗透性聚氨酯混合物由聚氨酯和单级配矿物骨料组成，空隙在15%~30%之间。为了美观，通常采用光滑骨料，但抗滑性能差。因此，聚氨酯粘合剂的应用提高了抗压强度、水分稳定性、防滑性和渗透性能。

此外，采用水合环氧沥青和矿物骨料制备了环氧树脂微孔混合料。环氧树脂具有良好的粘附性和可加工性。骨料之间有较多的孔隙和渗透通道，导致渗透系数较大。研究发现，3%~5%环氧沥青含量的微孔混合物在人行道上使用时可以完全满足要求。

3 孔径特征

海绵城市采用具有良好的渗透性能的路面材料，满足地面与地下水循环的要求。对孔隙特性的研究有助于阐明水的循环过程，了解其强度机理。同时，孔隙特性对路面的力学性能也有影响。因此，孔隙特性已成为海绵城市路面材料研究的关键问题。

研究人员考虑了以下孔隙特征：孔隙面积分数、孔径、孔隙平均自由间距、比表面积和三维孔隙分布密度。结果表明，孔隙度是影响路面渗透性能和力学性能的重要孔隙特征。

4 海绵城市路面材料的发展前景

4.1 更好的水文性能

4.1.1 渗透性

渗透是海绵城市路面材料最基本的性能。入渗能力决定了路面材料是否能减少地表径流，延迟峰值流量，降低洪水灾害的可能性。渗透系数和表面渗透率常用来表征入渗能力。总体渗透能力主要取决于渗透最差的层容量不同类型路面的入渗方向和排水方向。

4.1.2 排水性

部分渗入路面的水可以蒸发。其余的水要么渗入土壤基础，要么通过地下排水管排入市政管网。排水能力大，可提高路面整体海绵效果。

当土基础的力学性能和入渗能力较好时，水可以直接渗透到其中。但是，不适合直接排入土壤基础。土壤基础遇水后，入渗效果较差，力学性能较差。通常采用密封层或土工布设置在土基础上方，防止水渗入。地下排水沟设置在基底层，以便通过管道快速排水。地表径流渗入底层后，当底层水位未达到底沟水位时，基层可留水。当水位高于地下排水沟时，水可以迅速通过管道排出。这样，路面不仅具有良好的保留效果，而且具有良好的排水效果，可延长透水路面的使用寿命。

4.2 更广泛的应用范围

为满足水文性能要求，海绵城市的路面材料多采用多孔结构。因此，强度通常不足以承受重载、只适用于行人通道等低交通负荷的情况。利用高粘度沥青混凝土和高强度水泥混凝土开发高强度透水路面，可有效扩大应用范围。

4.2.1 高粘度沥青混凝土路面

为制备高粘度沥青混凝土，可采取在混合料中适当添加填料或使用改性沥青等措施。在渗透性沥青混凝土的制备过程中，通常会加入石灰石粉来提高混合灰度。虽然会降低渗透能力，但可以提高抗锈蚀、抗锈蚀等性能。研究人员采用红色泥浆代替矿物粉作为填料。结果表明，混合物的抗磨损性、抗锈性和抗老化性均有显著提高。通过比较橡胶沥青和SBS改性沥青粘合剂的性能。结果表明，橡胶沥青或SBS改性沥青均能提高其弹性模量、抗滑性、水分稳定性和抗冲蚀性能。

4.2.2 高强度水泥混凝土路面

制备高强度水泥混凝土，可采取平衡水灰比、使用高强度水泥、加固早期养护等措施。可遵循以下四个原则：1采用超高强度粘合剂代替传统的粘合剂。2添加硅粉、超细硅粉、超减塑剂等添加剂，3加强骨料与粘结剂之间的界面过渡区，4平衡骨料与粘结剂比。

5 结语

海绵城市的建设不要过分关注短期影响，而是对发展保持足够的耐心和信心。一方面，优化各种类型的基础设施的比例，优化投资结构，引入社会投资参与海绵城市建设。另一方面，加快透水路面的发展，随着车辆所有权和车辆负荷的增加，对路面提出了更高的要求。在保证渗透能力的前提下，应提高整体强度，满足重载的要求，打破目前主要用于轻型交通的透水路面的限制。在未来，透水性路面将参与智能车辆基础设施合作系统。通过发展水位监测 、净化水和空气、降低环境噪声、缓解城市热岛效应等功能，可以提高透水路面的附加值。

参考文献：

[1]曹亚东,蒋应红,李辉,等.海绵城市生态道路成套技术研究与示范[Z].上海公路桥梁(集团)有限公司.2020.

[2]陈柯宇,楼哲文,褚政迪,等.透水性道路材料在海绵城市建设中的应用分析与研究[J].上海建材,2016(5):28-31.