透水性铺装层研究进展

余静茹，倪彤元,2，杨 杨,2，徐良英，何 锋

（1.浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 310023；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310023；3.杭州城东新城建设投资有限公司，浙江 杭州 310016；4.浙江城建工程监理有限责任公司，浙江 杭州 310005）

透水性铺装层研究进展

余静茹1，倪彤元1,2，杨 杨1,2，徐良英3，何 锋4

（1.浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 310023；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310023；3.杭州城东新城建设投资有限公司，浙江 杭州 310016；4.浙江城建工程监理有限责任公司，浙江 杭州 310005）

分别从透水性铺装材料、配合比设计、强度和透水性能、铺装结构型式、生态环境效益等方面系统地分析总结了当前的研究成果，评述了海绵城市视角下透水性铺装的研究进展。着重阐述了三种常见透水铺装及其配合比设计方法、控制因素；深入分析了透水性铺装材料强度和渗透性的影响因素及参数表征；并进一步分析了透水铺装层结构设计方法与控制因素以及吸声降噪、缓解热岛效应与控制污染等环境效应；认为透水铺装层系统性设计、结构防堵塞、环境效应机理等方面有待进一步研究。

透水性铺装；透水系数；生态效应

0 引言

近年来，随着城市建设发展，非渗透性路面比例不断增加，加之排水系统排水能力的不足，城市内涝成为许多城市汛期的大问题。海绵城市是新一代城市雨洪管理概念，是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，其功能能够像海绵一样吸水、蓄水、渗水、净水。海绵城市的理念、设计方法与工程应用是解决城市内涝问题的有效手段之一。

渗透性是海绵城市理念中的核心功能，而透水性铺装恰是实现渗透性的重要方法。通过对比海绵城市模式与传统模式雨水径流去向（见图1），透水性铺装不仅能够降低城市非透水路面面积，而且可以调控雨水径流，储存、渗透和净化雨水，使之成为认可度较高的环境友好开发技术。与非透水路面相比，透水路面具有良好的透水、透气性能，能使雨水迅速渗入地下，有效补充地下水，减轻排水系统的压力[1-2]。

图1 海绵城市与传统模式径流去向对比

国内外许多学者对透水性铺装材料配合比设计、力学和透水性能、铺装结构型式、生态环境效益等方面进行了深入的研究，取得了许多研究成果。本文从材料和结构、功能特性等方面评述国内外透水性铺装的研究进展，旨在为提高透水材料强度、增强透水能力、解决孔隙堵塞以及实现良好环境生态效益提供借鉴。

1 透水铺装材料

1.1 常见铺装层类型

透水混铺装路面根据材料不同可划分为透水路面砖、透水混凝土、透水沥青三种。

1.1.1 透水路面砖

透水砖一般需配合柔性基层使用，一般用于人行道、休闲广场、居住小区及其他公共室外活动场所的铺装结构[5]。透水路面砖从材质和工艺上可以分为陶瓷透水砖和非陶瓷透水砖。陶瓷透水砖是烧结而成的，具有良好的耐风化耐腐蚀性，通过工艺改进，陶瓷透水砖的透水系数可达1.5 cm/s。而非陶瓷透水砖是黏结剂固化而成，砂基透水砖是目前市面上透水性能最佳的免烧非陶瓷透水砖之一，它是以硅砂为主要骨料，以有机黏结剂如聚氨酯等[3]黏结而成，表面致密，不易被灰尘堵塞，透水时效长，防冻融[4]。

1.1.2 透水混凝土

透水混凝土是由粗骨料、水泥、水、掺合料和外加剂按比例配制而成的具有贯穿孔隙的多孔混凝土[6]。透水混凝土一般不含细骨料，也称为无砂混凝土[7]，只由粗骨料表面包裹一薄层水泥浆相互黏结成均匀分布的蜂窝状结构[8]。透水混凝土具有自重轻、整体性好、透气透水性好、颜色多样等优点，但混凝土中胶凝材料用量少，强度较低，这一点也限制了其在实际中的应用。同时透水混凝土路面的孔隙易堵塞，需要进行定期清理维护。

1.1.3 透水沥青路面

透水沥青路面以其消除城市道路积水、减缓城市热岛效应、降低城市噪声、良好的防滑性等方面的独特作用，已经在我国许多城市的城市道路中广泛应用。透水沥青路面是由单一粒径碎石按照嵌挤机理形成骨架空隙结构的开级配沥青混合料碾压成型[9-10]。一般沥青混凝土的孔隙率在2%～10%，而透水沥青混凝土的孔隙率需要达到20%[9]。透水沥青路面对沥青胶结料的要求很高，需具备很高黏度才能有效黏结矿料、保证强度[11]。

1.2 配合比设计

透水性铺装其独特的使用功能决定了强度与透水性这两个指标是其配合比设计的基本依据。透水混凝土应具有一定的连通孔隙，并具有足够的强度才能满足其使用功能要求。孔隙率控制、水胶比、骨料粒径组成对上述两个指标有重要影响，在配合比设计中需要对影响这两个性能的因素进行控制[12]。

1.2.1 因素控制

（1）孔隙率的控制可以通过调整水泥浆的流动度、成型方式以及掺砂率。P.Chindaprasirt、S.Hatanaka等发现采用流动性为150～230 mm的水泥浆以及90 kN·m/m2的振动能对试件上表面振动10 s，可以制备出孔隙率为15%～25%的透水混凝土。制备低孔隙率透水混凝土时，因水泥浆用量较多，为防堵塞，应采用低流动度的水泥浆；制备高孔隙率透水混凝土时，水泥浆用量较少可采用较高流动度的水泥浆[13]。水泥用量的增加容易造成孔隙堵塞，而通过控制体积砂率可有效控制孔隙率。

（2）水胶比可以由水泥浆流动度和骨料表面浆体包裹情况而定。水胶比过大，水泥浆易离析堵塞孔隙；水胶比过小，骨料表面浆体包裹不匀，混凝土强度达不到要求。

（3）强度与孔隙率在许多情况下是矛盾的，即孔隙率大，强度就低。骨料的粒径和级配也是影响透水混凝土性能的一个重要因素。不同粒径的骨料比表面积不同，粒径越小，比表面积越大，所需的水泥用量也需相应增加。徐仁崇等发现粒径较小的粗骨料配制的透水混凝土强度较高，但透水系数相应降低[12]。

1.2.2 设计方法

综合考虑这些影响因素，透水混凝土的配合比设计方法可分为三种：质量法、比表面积法、体积法。

（1）质量法是利用经验得到图表，再根据相关图表计算原材料的用量，配合比设计较为简单，适合现场拌合施工。

（2）比表面积法是通过计算骨料的表面积并控制一定的裹浆厚度，可以得出填浆量，进而根据不同的水灰比可以确定出各材料的用量。比表面积和裹浆厚度是比表面积法的关键设计参数。其中，比表面积可以根据骨料平均的表面积与骨料数量的乘积来计算[14]；而裹浆厚度是基于结构特征与设计要求来进行配合比设计[15]，比表面积法的缺点是不能设定目标孔隙率，且裹浆厚度需多次试验才能确定。透水沥青混凝土的配合比设计常用这种方法。

（3）体积法是通过骨料空隙填充理论来进行配合比计算，通过实验确定强度。体积法是通过实验先确定骨料紧密堆积的空隙率，水泥、水、外加剂等充分包裹骨料并填充骨料的孔隙，未被填充的孔隙构成了目标孔隙，通过调整骨料的级配可以调整目标孔隙率，进而确定各材料用量，用公式（1）可以表示为

式中：mG、ρS分别为碎石质量和表观密度；mW、ρW分别为水质量和密度；mJ、ρJ分别为凝胶材料质量和密度[16]。

考虑透水铺装影响因素和设计方法，实际工程应用常多种方法结合，综合设计。

1.3 透水性铺装材料的性能

1.3.1 强度性能

透水混凝土强度的影响因素主要有骨料粒径、水灰比、外加剂及搅拌工艺等，不少研究人员从优化原材料、调整配比、掺入矿物细掺料、添加有机增强剂等几个方面来研究透水性混凝土强度提高方法。

1.3.1.1 优化原材料

原材料的优化主要包括骨料种类和尺寸的优化、胶结材的优化等。P.Chindaprasirt等[17]研究了骨料尺寸对透水混凝土抗压强度的影响，发现多孔混凝土的强度受骨料粒径的影响，粒径越小，透水混凝土的强度越高；付培江[18]发现在配合比不变的情况下，相比粒径为10 mm的骨料，粒径为5 mm的骨料将透水混凝土的强度提高了30%。

1.3.1.2 调整配比

配比调整主要包括水灰比、骨胶比、砂率等的调整。许多学者对透水混凝土配合比设计参数进行了优化试验，发现当水灰比范围为0.29～0.33,骨胶比范围为4∶1～5∶1，砂率范围为6%～10%，人工砂最大掺量不大于10%，可以使强度达到 22～39 MPa[19]。

1.3.1.3 掺入矿物细掺料

矿物细掺料可以改善胶凝材料的颗粒堆积，促进水泥水化，降低CH的定向富集，改善混凝土-水泥基界面的强度[20]，进而提高透水混凝土整体强度。采用微硅灰配合高效减水剂能使透水混凝土强度提高60%，使强度达到35 MPa以上，满足人行道、轻车路面使用要求[21]。微硅灰提高的是混凝土的早期强度，而超细粉煤灰掺入透水混凝土中，混凝土早期强度较低，后期强度有所提高。这是由于在水泥水化初期，粉煤灰是水化生成物的成长场所，与水直接接触比较少，抑制了它的溶解，随着龄期的发展，介质中的Ca（OH）2浓度逐渐加大，与粉煤灰颗粒发生水化反应生成C-S-H凝胶，从而提高透水混凝土的强度[22]。白晓辉、刘肖凡等人[23]发现随着粉煤灰掺量的增加，透水混凝土的抗压强度、抗折强度和抗劈裂强度都表现为先增后减，其中在粉煤灰取代水泥掺量为20%时强度最高。

1.3.1.4 添加有机增强剂

为了进一步提高透水混凝土的强度，许多学者研究了增强剂对透水混凝土强度的影响。杨静、蒋国梁[21]发现使用乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、聚乙烯醇缩甲醛这两种有机增强剂均能使抗压强度达到40 MPa以上。杭美艳、李震等[24]研究了增强料中的减水组分、早强组分以及增黏组分对透水混凝土性能的影响，研究发现采用0.3%的聚羧酸减水剂、1%的早强剂和0.1%的增黏剂，28 d抗压强度提高了53.6%，抗折强度提高了104%。从微观角度来看，掺入增强料的界面过渡区内部的C-S-H凝胶的毛刺以及小的针状钙矾石均匀地覆盖在骨料表面，使水泥浆体与骨料连成一个整体；晶体接触面积增大，晶体间的机械啮合力也会增大，从而显著提高了浆体骨料之间的黏结强度。

1.3.2 透水性能

1.3.2.1 影响因素

影响透水性能的因素主要有骨料级配和种类、配合比、成型工艺等。单一级配骨料粒径的变化对透水混凝土的孔隙率和透水系数变化影响较小[25]，但多级配骨料会使孔隙率和透水系数降低[26]。骨料的粗糙度也对透水性能有一定的影响，在相同骨料粒径的情况下,由碎石骨料配置的透水混凝土总孔隙率和透水系数明显大于卵石骨料配置的透水混凝土[27]。配合比对透水性能的影响已在配合比设计中阐明。不同的成型压力对透水性能也有较大的影响，邱树恒等对粒径为2.36～4.75 mm的碎石分别采用1.5 MPa、2.5 MPa、3.5 MPa的成型压力，虽然抗压强度提高了5 MPa左右，但透水系数也从5.42 mm/s下降到0.25 mm/s[28]。由此可见，成型工艺对透水性能的影响十分显著，在透水混凝土铺摊时需确定合适的成型压力。

1.3.2.2 表征参数

表征透水面层透水性能的参数主要有透水系数、孔隙率、透水时效性等。

首先，透水系数是表征透水性混凝土的透水性和使用效果的重要技术参数。许多学者开展了对透水系数测定方法的研究[29]，主要有现场渗透仪实验法、单环渗透实验法以及双环渗透仪实验法，具体装置如图2～图4所示。渗透装置的水头设计分为常水头和变水头两种，分别以达西定律和质量守恒定律作为透水系数KT的计算基准[30]。常水头透水系数按公式（2）来计算，KT表示水位差H在单位时间t内渗出厚度L试件的水量。变水头按公式（3）来计算，V表示供水体积。为了使测得的透水系数能反映工程实际，倪彤元等[31]设计了考虑地表径流的透水系数的测定方法，如图5所示。

图2 现场渗透仪实验法[29]

其次，贯通性孔隙分布和等效孔径大小也是表征透水性能的关键参数。孔隙率包括总孔隙率和有效孔隙率，总孔隙率是混凝土内所有的孔隙所占的比例，而有效孔隙率只是贯通性孔隙所占的比例[32]。在透水混凝土中存在最佳的等效孔径大小，许燕莲、李荣炜等[33]发现等效孔径集中在13～16 mm的多孔混凝土透水系数增幅最大[34]。而有效孔隙率、孔的尺寸分布以及弯曲度等孔隙特性可以采用X射线断层摄影术以及重量几何法来进行测定。

图3 单环渗透实验法[29]

同时，透水时效性是表征透水性能持久性的又一重要参数。众所周知，透水性铺装在减少雨水径流量和改善水质方面是非常有效的，但它们容易堵塞[35]。透水铺装路面在使用过程中，径流水中夹带的泥沙等会通过透水混凝土的孔隙滞留在孔道内，因而容易造成铺装层内部贯穿性孔隙的堵塞，导致渗透性能降低，缩短路面使用寿命。研究透水时效性就必须对堵塞机理进行研究。许多研究人员通过建模和模拟试验对堵塞情况进行了研究，N.R.Siriwardene等[36]提出了一种简单回归模型，对储水沉积物的堵塞进行了预测。O.Deo、M.Sumanasooriya等[37]利用降水头渗透仪（见图6）研究了不同骨料级配透水混凝土的堵塞特性，揭示了孔隙结构特征对颗粒截留的影响，由此我们可以分析透水铺装路面堵塞的内在原因。张娜等[38]利用一种与电导率测试相结合的实时渗透性测试系统对透水混凝土的堵塞机理做了更深入的研究，电导率的变化能够准确反映透水混凝土的堵塞过程。目前，在实际中可采用CT扫描技术对整体透水路面堵塞情况进行无损评估，通过空隙率曲线来评估透水混凝土的堵塞程度[39]。通过堵塞机理的研究，发现影响透水时效性的因素主要是透水混凝土孔隙率、堵塞泥砂级配、雨洪径流等。目前提高透水时效性的方法还主要停留在后期维护清理，而通过面层材料改进来防堵塞的研究相对较少。

图4 双环渗透实验法[29]

图5 考虑地表径流的渗透实验仪[31]

图6 降水头渗透仪[37]（单位：mm）

这些透水性能影响因素之间存在着相关性。有效孔隙率与透水系数呈正相关[40]，而侯彦明等[41]研究总结出透水系数与有效孔隙率、孔径大小存在线性关系：

式中：y为透水系数；φ为有效孔隙率；D为孔径大小。

目前为止，国内外研究成果还没有建立透水混凝土配合比强度与水胶比和孔隙率双参数关系式。

2 透水性铺装结构

2.1 影响因素

混凝土路面的设计必须考虑许多因素。三个主要因素是预期的降雨量、路面特征和土壤的基本性质。设计透水混凝土系统透水性的控制因素是地表径流强度，而影响地表径流的一大重要因素就是降雨量，通过暴雨强度公式预测暴雨强度可以作为设计透水沥青铺装层渗透性大小的依据[42]，渗透性关系设计条件为径流的总量小于总降雨量，部分降雨在地面的凹地中，部分渗透到土壤中。在暴雨径流下渗至底基层时，沙质、干燥的土壤会迅速吸收水分，而密实黏土几乎不吸收水分，所以在透水铺装中设计人工补给地下水系统时，必须确定土壤的入渗速率，确定地表和含水层之间的不饱和区，以此来选择适当的渗透率[35]。

2.2 结构类型

典型的透水路面结构型式，主要有半透式和全透式[43]，如图7所示。

图7 透水路面典型结构

（1）半透式又称为排水性道路，主要通过面层或面层基层透水，适用于下层土壤含水率高、雨水不易下渗的地方。半透式结构通常在底层会有一层隔水层，雨水通过面层后不直接下渗到土壤中，而是从中间层中排出，为了减小排水系统的压力，可以利用城市凹地作为泄洪储水空间、建立雨水收集储存体系[44]，排水管沟的透水设计思路也是解决渗流水的方法之一。日本在20世纪80年代提出“渗透型雨水管道”[45]，将传统的非透水性排水管道改造成打孔的透水管道，这样雨水通过管道同样可以回到土壤中。

（2）全透式的面层、基层、垫层均能透水，适用于含水率低的土壤上。相同的透水面层下，不同的基层铺装结构，雨水入渗的效果差别很大。对于全透式结构路面，在结构设计时还需要综合考虑基层整体和下层土壤的透水能力。朱春阳、李芳等[46]发现基层结构自上而下分别为1∶4干硬性水泥砂浆2 cm、级配碎石23 cm时，铺装结构雨水入渗效果最好；而侯立柱、冯绍元等[47]研究发现垫层结构自上而下为中砂10 cm、砂砾料20 cm时无地面产流，雨水入渗效果好。

由此看来，透水铺装结构的选型要区别于路面的设计，它不仅需要考虑材料本身性能的影响，更重要的是需要与实际的铺装环境相结合。

3 透水性铺装的生态环境效应

3.1 吸声降噪

透水铺装材料具有大量相互贯通的微孔或间隙，吸声的机理是声波入射到路面表面时，一部分在材料表面反射，另一部分通过材料内部向下传播，在传播过程中声波在孔壁上不断反射耗散，由此具有吸声降噪的作用[48]。

刘鹏辉、杨宜谦等[49]建立了多孔吸声材料吸声系数公式，其中公式中包括三个变量：孔隙率、孔径大小、材料厚度。李满良、陈姣等[50]测试了不同孔隙率的透水路面的吸声系数，发现沥青混凝土吸声系数峰值与均值整体上随空隙率的增大而提高，这是由于孔隙率的增加会使声能以高频率衰减[51]。S.B.Park、D.S.Seo 等[52]通过实验对吸声特性进行了评价，实验设计参数为目标孔隙率和再回收混凝土骨料，结果发现当孔隙率为25%、再回收骨料量为50%时，噪声系数是最优的。H.K.Kim、H.K.Lee[53]提出了一种考虑了骨料的粒度、形状和孔隙率的多孔混凝土吸声模型，采用多层微孔刚性板模型对多孔混凝土的孔隙结构进行建模，对多孔混凝土吸声性能的参数进行了研究。

由此可见，透水路面的吸声降噪效果与其自身的孔隙分布、骨料粒径形状以及噪声的不同频率分布密切相关。透水路面孔隙率越大，吸声系数越大，声能衰减越快；相同连通孔隙率的情况下，骨料粒径越小吸声效果越优[50]。所以我们可以通过调整孔隙率、级配以及路面厚度来实现目标吸声系数。倪彤元[54]等人研究了不同孔隙率与不同频谱噪声的吸声效果，得到不同孔隙率试件的低频段声波吸收能力相差不大。随着孔隙率的增大，吸声系数也增大；在孔隙率相同的情况下，随着多孔混凝土铺装层厚度的增加，中低频段的吸声系数有增大的趋势，而在高频段的吸声系数则有减小的趋势。

3.2 缓解热岛效应

热岛效应与不透水表面覆盖之间存在很强的关联性，透水性铺装结构对于减缓热岛效应具有重要的意义[55-57]。H-S Park等[58]对日本、韩国城区下垫面不透水面积比例X与城市热岛强度Y的关系进行了研究，总结出以下线性公式：

由这两个公式可以看出，热岛强度与不透水面积比例呈线性正相关，不透水面积越大，热岛强度越高。可见，增加透水路面可以缓解热岛效应。透水路面能缓解热岛效应的实质原因是其内部大量贯通孔隙的存在，使得透水混凝土路面可供雨水下渗，部分水分储存在其孔隙中，水分蒸发可以吸收部分热量。杨文娟、顾海荣等[59]研究对比透水混凝土与水泥混凝土路面在相同自然环境条件下的温湿度变化，发现80%以上的透水混凝土路面温度低于水泥混凝土，湿度高于水泥混凝土。对于水泥混凝土道路而言，地表雨水很快蒸发，无法与道路下垫层进行热量和水分的交换，因此很难起到调节温度、湿度的作用。王从锋、刘德富等[60]对城市下垫层进行了一维温度场模拟以及各下垫层温度场分析，发现高透水混凝土不同深度之间的温度分布曲线存在一定的相位差，也就是各垫层达到温度峰值的时间存在相位差。路面温度随着反射率的增大而降低，研究发现反射率增加0.1，温度降低5℃左右；深色路面较浅色路面的反射率小得多[61]，所以在透水路面设计时可以选择反射率高、颜色浅的材料。一般常用铺装材料的地表温度影响由大到小的次序为沥青＞混凝土地砖＞水泥＞植草格[62]，可见植草格调节温湿作用最为显著。

3.3 控制污染

道路径流能够传递由不同的污染源和路面本身产生的许多有机和无机污染物，这种污染物进入水系统会导致水和土壤污染[63]。含结合料的透水路面结构层具有较好的空间网络结构，可以使悬浮固体滞留在孔隙中，具有良好的SS去除效果；COD的去除效果取决于混合料内部微观结构的吸附和截留作用，其网状结构有利于有机污染物的附着[43]。S-B Park、M.Tia 等[64]通过室内水质测试，发现骨料粒径在5～10 mm的多孔混凝土对于T-N（总氮量）和T-P（总磷量）的去除值分别是粒径10～20 mm的多孔混凝土去除值的1.7倍和2.8倍以上，这实质上就是由于骨料粒径越小，内部网络结构越复杂，污染物的吸附截留效果越好。而相同骨料情况下，总孔隙率越大，污染物去除效果越好[65]。C.F.Yong等[66]对透水沥青、透水混凝土以及组合式透水砖的污染物去除效率进行了研究。

4 结语

透水铺装的研究已经取得了不少研究成果，随着科研人员研究的深入，仍然存在一些问题需进一步探索，主要有：

（1）关于透水铺装面层配合比设计的方法虽已有一些研究成果，但仍缺乏系统性，路面成型的好坏仍受较多因素的影响。由此，寻找一种最优配合比方法是进一步提高其透水路面性能的迫切需求。

（2）透水铺装路面配合比设计时需要考虑强度和孔隙率，而强度与孔隙率呈负相关，目前为止尚未建立透水铺装路面强度与水胶比和孔隙率双参数关系式。

（3）透水铺装整体的结构设计需要考虑许多环境因素，国内外对于透水铺装整体的研究需要进一步深入。

（4）堵塞问题是透水铺装材料急需解决的一个大问题，众多研究对堵塞机理以及后期维护手段做了研究，但要从根本上解决这个问题需要从材料本身出发，防堵透水材料将是未来的研究方向之一。

（5）目前对透水铺装的生态效益的机理性研究还有待进一步深入。

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U416.2

B

1009-7716（2017）12-0019-07

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.007

2017-08-17

浙江省住房和城乡建设厅建设科研项目（2015K99）

余静茹（1992-），女，浙江建德人，工学硕士，研究方向为透水铺装材料。