海綿城市納米無機聚合物透水材料路面施工技術研究

王寶峰 黃靜柯

1.深業泰富物流集團股份有限公司 廣東 深圳 518000 2.禹智環?？萍迹ㄉ钲冢┯邢薰?廣東 深圳 518000

關健詞:納米增強材料；多孔骨架結構；有效連續孔隙

1 立項背景

海綿城市納米無機聚合物透水材料(簡稱“納米透水材料”)通過對透水鋪裝材料配比調整和施工工藝的優化,從而大幅提升路面結構的力學性能和透水性能。既滿足城市硬化路面的使用功能,又具體非封閉路面的生態功能,符合海綿城市的建設理念。此研究利用納米增強劑對透水混凝土的力學性能(包括抗拉強度和抗壓強度)的影響，探究納米無機聚合物透水材料在海綿城市的應用中的工藝技術。從而推進其在海綿城市建設的廣泛應用。

2 技術重難點

1）納米透水材料是一種具有有效連續孔隙的，以膠凝材料薄層為粘結層將單一粒徑的粗骨料結合在一起的多孔骨架結構。一般透水混凝土雖然具有較高的透水性能，但其力學性能與混凝土相比有所下降，因此，如何保證透水路面既有較高強度、又有好的透水性和耐久性，是納米透水材料研究的難點。

2）當彩色納米透水材料直接在混凝土上施工時，由于現場的混凝土路面較光滑，項目設計有消防車道，如何解決納米透水層與混凝土層結合不牢，解決在受到重載車輛碾壓時產生空鼓問題是我們研究的難點。

3）透水路面是海綿城市的一部分，雨水通過透水路面迅速下滲，通過路面下的微循環系統以及雨水管網蓄存于位于地下室的蓄水池，實現滲、滯、蓄。對于半透式透水路面來說，良好的排水系統是項目成功的重要保障。

4）納米透水材料理論上從出機制作業面運輸時間不宜超過30min。強度隨時間的延長損失較大，如何增加納米透水材料的初凝時間，保證材料在運輸、施工過程中強度、品質不受到損失，因此透水材料的摻合料是本次研究的技術重點之一。

3 研究內容

3.1 納米透水材料增強劑

納米透水材料在材料組成與結構上均與透水混凝土相似。它與透水混凝土的區別在于納米透水材料中添加了納米增強材料以及親水樹脂摻合料，從而提升了其力學性能及耐久性，并且增加了對雨水的凈化功能。

納米增強材料是指微粒粒徑達到納米級別(1～100nm)的超細材料。當粒子的粒徑達到納米級別時，其本身產生表面效應等特殊性能。親水樹脂摻合料可以增加膠凝材料的早期粘結力，保證材料的介面雖然薄，但是具有很強的粘結能力和拉力，同時有一定的抗彎能力[1]。

為了保證材料運輸、施工過程強度不造成損失，還要根據運輸距離和溫度、濕度加入一定的調凝劑，達到理想的凝結時間。

3.2 施工工藝

深業泰富廣場一層地面(含車行道及人行道)、五樓人行道采用半透型透水路面結構，現采用在混凝土基層開孔，在基層噴灑膠凝透水材料，攤鋪時透水面層時，高強度的納米透水材料填入混凝土基層的孔里，確保上下面層的有效結合成為一個整體，粘結牢固，防止空鼓現象。

3.3 主要施工機具

3.3.1 攪拌及運輸設備

納米透水材料的攪拌必須采用機械攪拌，擬采用強制式攪拌機保護攪拌效果，采用環保運輸車進行運輸。

3.3.2 壓實設備

納米透水材料的壓實宜采用專用低頻震動夯實機，既起壓實作用又起平整作用。納米透水材料面層施工期間，施工人員應穿減壓鞋，減少是施工人員自重影響。

3.3.3 抹平設備

納米透水材料面層壓實后，選用雙座駕抹光機進行收面，操作人員坐在抹光機駕駛位進行操作，避免收面時，施工人員與已成型面層直接接觸，減少施工時對納米透水材料路面面層的破壞，同時增加抹平機自重，保證上下面層的有效粘結。

4 關鍵技術及技術創新點

4.1 關鍵技術

4.1.1 納米透水材料增強料的選用

納米增強劑為禹智環保的專利產品，納米無機聚合物透水材料是利用納米增強劑摻合料的高反性和填料效應，改變水泥石水化過程中的巖相結構，改善基材的微觀結構。微觀結構的改變引起性能的提高:提高抗變強度，抗壓強度和彈性模量，降低透水材料內部變形及裂縫的開層，顯著增強透水材料的耐磨耗性，提高使用壽命。

納米無機聚合物材料通過吸附、沉淀、微生物新陳代謝、離子交換等物理、生物、化學作用，去除雨水徑流中的污染物，改善地表徑流水質。在確?？紫堵实耐瑫r，提高力學性及耐久性[2]。

4.1.2 納米聚合物透水材料配合比的計算

納米聚合物透水材料是由骨料、膠結材、水、添加劑和孔隙組成的多組分體系，其配合比設計是將各原材料的體積與孔隙體積之和作為混合料的體積來計算(一般以1m3體積的混凝土計)，多按式(1-1)計算。

mg/ρg + mc/ρc+ mf/ρf + mw/ρw +ms/ρs+ P=1 (1-1)

式中 mg、mc、mf、mw、ms——分別為單位體積透水材料中粗骨料、水泥、納米增強劑、水、添加劑的用量(kg/m3)

ρg、ρc、ρf、ρw、ρs——分別為粗骨料、水泥、納米增強劑、水、添加劑的表觀密度(kg/m3)

P——設計孔隙率(%)

圖1 混合料的聚積狀態示意圖[2]

4.1.3 混合料的拌合

納米聚合物混合料的漿體有著較好的黏聚性，均勻包覆在骨料外面，骨料被漿體包裹后仍為顆粒狀。經攤鋪整平后，黏聚的漿體仍將骨料顆粒黏聚在一起，保持一定孔隙，并逐漸硬化成為具有良好強度和透水性能的多孔結構的整體[3]。

選用全自動拌合站攪拌混合料，保證材料攪拌均勻，膠凝材料包褒完全，嚴格按照設計要求的強度配比，骨料采用3-4毫米單級配、高強度骨料，骨料、膠結料、水、無機顏料和納米增強劑、親水樹脂、調凝劑的添加順序要按照攪拌流程進行添加，納米增強劑及顏料、親水樹脂、調凝劑等應精準計量，拌合前將拌合缸內清洗干凈防止污染，確保物料攪拌的均勻性，先將膠凝材料、摻合料和碎石進行攪拌30秒，使其初步混合，再拌和用水分2～3次加入，繼續攪拌15～20秒，務必攪拌均勻，保證生產的混合料均勻、光澤、便于運輸和施工。

在黏聚性要求較高的情況下，也可采用摻用聚合物的方法來改善混合料的工作性。

圖2 納米聚合物的制備工藝

4.1.4 混合料的攤鋪

現采用在混凝土基層開孔，在基層噴灑膠凝透水材料，攤鋪時透水面層時，高強度的納米透水材料填入混凝土基層的孔里，確保上下面層的有效結合成為一個整體，粘結牢固防止空鼓。

納米透水材料運輸到現場后，采用一次攤鋪、一次成型的工藝，攤鋪完成時間在1小時以內。先在混凝土基層上涂刷膠凝透水層，然后將納米透水材料填入混凝土基層上提前開好的孔中，需要超過基層5cm左右，然后將納米透水材料分兩層一次性攤鋪。

鋪裝施工中應注意防止出現底部沉漿的現象，制備的透水混合料不可太濕，底層采用平板夯夯實，夯實時間不得大于10S，以保證路面的強度和透水性。

在納米聚合物透水材料的設計與施工過程中，需要綜合考慮設計孔隙率、最后形成路面孔隙率以及整平施加振動能的相關性來進行設計與施工，不可過振。

4.2 技術創新點

采用暗槽、暗溝內填透水材料的排水微循環排水管網，既可保證排水系統的通暢，又可保證溝槽處的承載力，保障重載車輛通行排水系統不受到破壞。

采用納米增強劑對水泥等膠凝材料進行改性，有效改善了材料的微觀結構，保證既有較高的承載強度，又具有較高吸水率、透水率。

采用環保型鋪裝材料，可有效吸附降解汽車尾氣中的有害有機揮發物VOC、NOX等，大大減輕汽車尾氣污染，改善空氣質量[4]。

采用基層開孔、面層材料攤鋪時填充預開的孔洞的方式，保證了面層與基層的完好結合，防止脫層、空鼓的產生。

5 研究過程

5.1 施工過程

5.1.1 測量標高

在納米透水材料施工前，使用水準儀測量工作面標高，為工作面整體排水設計提供準確數據，測量數據與圖紙對標，精確至毫米。

5.1.2 處理排水暗槽、盲管、隱形排水溝

根據圖紙及場地實際情況，設置排水暗槽或盲管，合理設計水流走向。

5.1.3 排水性能測試

檢測設置后的路面基層整體排水性能是否達到設計預期，根據測試結果調整排水設計使之滿足設計預期，并清理基層使之滿足后續施工要求。

5.1.4 處理膠凝層

于基層涂刷膠凝層，用于增強納米無機高分子聚合物透水材料與基層的結合程度，使路基結構更為穩固。

5.1.5 鋪設鋼絲網

根據項目需要，在基層開槽處鋪設鋼絲網，增強基層混凝土穩固性。

5.1.6 運輸及攤鋪

納米聚合物初凝時間短，一般要根據天氣控制濕度，考慮混合物的運輸時間，運輸中不要停留。運輸車輛要涂抹隔離劑，車上要蓋防水油布。

將納米透水材料填入混凝土基層上提前開好的孔中，需要超過基層5cm左右，然后將納米透水材料均勻鋪在路面8cm左右，抹平，用平板夯夯實，尤其是接縫處。再采用人工攤鋪的方式再填入上層透水材料,松鋪系數為1.1。利用碾壓與收面于一體的全自動抹光機技術,同時安裝雙抹盤,增大作業面積,動力系統、控制系統、機械式轉向系統、工作系統相融合,實現面層表面石子分布均勻、平整光滑、極大地提高新型納米透水材料表面的密實性及耐磨性。天氣溫度高35℃的時候,應避開高溫時間,在夜間進行攤鋪作業。

5.1.7 覆蓋養護

定點放線拉直,測試路面平整度是否符合設計預期。

攤鋪結束后,經檢驗標高、平整度、坡度均達到要求后,應立即覆蓋塑料薄膜,24小時后撤掉薄膜,采用土工布覆蓋灑水養護。

采用塑料膜+土工布聯合養護技術,攤鋪結束后,檢驗標高、平整度、坡度均達到要求后,需要覆蓋塑料膜保護,周邊的塑料薄膜全部包裹住所有施工面，以防止早期水份過快蒸發。之后需用土工布全覆蓋保護,并將土工布全部灑水濕潤,灑水養護次數根據溫度調整。

納米聚合物在澆筑后1天開始淋水養護,高溫時在8小時候開始養護,淋水養護次數根據溫度調整,一般為6小時一次,淋水時禁止用壓力水直接沖淋納米聚合物表面,應直接從上往下淋水。

養護時間應根據施工溫度而定,一般養護時間不少于7天。

5.1.8 施工縫及切縫處理

納米聚合物施工后,強度大于5Mpa時,用切縫機進行切割收縮縫。撤掉透水土工布,待表面水汽蒸發后沿切縫位置均勻涂刷固沙劑。12小時后開始切縫?？s縫間隔5米左右,深度為結構厚度1/3-1/2。切縫后用水及時沖干凈，保證縫內干凈無粉塵。

兩種不同材料的接縫處以及施工縫處需填置泡沫板作為脹縫，脹縫和縮縫內填結構膠,注入硅酮膠。顏色不同,需分開施工。

5.1.9 耐磨保護層施工

待納米聚合物成型干燥后在7d左右,噴涂耐磨保護劑,增強耐久性和美觀性。噴涂耐磨保護劑之前要將花崗巖壓條進行保護,可用膠帶、薄膜等材料粘貼遮擋,在噴涂過程中還要用擋板隔擋。

保護劑噴涂完畢后將之前的切割縫使用粘結力強,回彈性好的填縫膠，填縫完的縫口應表面平直，寬度一致，視覺美觀度好。

6 效益分析

6.1 經濟效益

減少污水處理成本:本材料對初期雨水有一定的凈化作用，在后續的污水處理上能夠減少處理的工序和成本。

降低后續維護費用，相對透水磚及普通透水混凝土,材料的物理性能更強，使用壽命長，且維護方便，能夠降低后續維護費用。材料的透水系數大，遇到大暴雨天氣，雨水可快速滲透,減少對人們出行的影響，也避免極端天氣損害公共及私人財產。

6.2 社會效益

深業泰富廣場海綿城市項目是深業泰富集團委托禹智環科技(深圳)有限公司進行實施的,采用新型納米無機聚合物透水材料施工,整體鋪裝視覺效果好,氣勢宏偉。

深業泰富廣場海綿城市項目獲得得深圳市2020年社會資本新建項目(含拆除重建)配建海綿設施獎,同時被授予“海綿型建筑示范小區”。

納米無機聚合物透水材料既具有現代硬化路面的功能，又具有類似綠化的生態效應，是一種新型環保、生態的透水路面材料,通過本工程新型材料透水路面的成功應用,可為今后透水路面工程的建設奠定堅實的理論與實踐基礎。