透水混凝土制备与性能国内外研究进展

高小建, 陈铁锋, 苏安双

(1.哈尔滨工业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090; 2.黑龙江省水利科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150050)

透水混凝土又称多孔混凝土，通常是由单粒级粗骨料、少量砂或无砂、胶凝材料、水，以及外加剂拌和并经振动或压制成型的一种新型生态混凝土材料。透水混凝土在成型硬化后依然存在较多的连通孔，使其具有良好的透水、保水与透气能力，一方面可以解决强降雨造成的城市内涝问题，另一方面通过雨水的快速渗入补充地下水资源，有利于植物的生长和热量、水分的流通，缓解城市的“热岛效应”。

由于透水混凝土优越的环境、生态效应，自20世纪开始便得到了广泛的关注。1979年，美国首次使用透水混凝土建设了有透水功能的停车场，并获得了透水混凝土的发明专利；20世纪80年代起，日本推行的“雨水渗透计划”中大量应用了透水混凝土；德国自20世纪80年代起不断致力于路面的透水改造，计划于2010年完成城市路面的透水化。在我国，对于透水混凝土的研究始于20世纪90年代，经过十几年的研究，透水混凝土的应用愈加广泛，比较典型应用如2008年北京奥林匹克公园和2010年上海世博会园区的广场、停车场、人行道等部位。

目前，对于透水混凝土的研究主要集中于透水混凝土的配合比设计、成型方法、养护方式及各因素对力学性能、耐久性能和透水性的影响。由于透水混凝土中一般含少量或不含细骨料，粗骨料被浆体包裹，主要通过粗骨料之间的咬合摩擦以及骨料表面水泥浆体黏结成整体，其力学强度和耐久性均低于普通密实混凝土。因此需要通过制备工艺的优化，提高透水混凝土的力学性能和耐久性能。本文主要就透水混凝土的原材料选择与配合比设计、制备工艺、力学强度和耐久性能等方面总结分析国内外研究现状。

1 原材料选择与配合比设计

透水混凝土属于骨架空隙结构，其强度主要来自于粗骨料之间的咬合力以及水泥浆体的黏结力。因此骨料、水胶比和矿物掺合料在配合比设计中至关重要。

1.1 骨 料

通常来说，为了制备出透水性和强度较为理想的透水混凝土，应严格控制骨料的性能指标。颗粒形状对粗骨料间咬合力影响较大，因此应尽量选择棱角更多的碎石。骨料的粒径大小也会对透水混凝土的强度产生影响。骨料的粒径越小，骨料间的接触点越多，其强度也越高，但混凝土的透水性能也会下降。Cosic等[1]研究了白云石骨料和钢渣骨料以及不同的粗细骨料比例对透水混凝土抗压强度和透水率的影响。结果表明：白云石骨料成型的透水混凝土孔隙率高于钢渣骨料；由于水泥浆体会渗入钢渣表面的孔隙，钢渣骨料透水混凝土的内部咬合力更强，其抗压强度也更高。Lian等[2]对比研究了石英石、白云石及石灰石等三种类型粗骨料对透水混凝土性能的影响，结果显示白云石骨料透水混凝土抗压强度更高，耐磨性更好；而石英石表面容易附着大量氧化铁杂质，导致与胶凝材料黏结较差，因此不适合作为透水混凝土骨料使用。Gaedicke等[3]研究了以再生骨料、人造沸石为骨料的透水混凝土的力学性能。结果表明：随着再生骨料的混合比例增加，透水混凝土的抗压和抗弯强度分别提高了50%和75%；当孔隙率为20%、再生骨料替代率为50%时，透水混凝土的性能较好。杨婷惠[4]研究了粗骨料粒径对透水混凝土力学性能的影响。结果表明：在水灰比0.28，设计孔隙率为20%的情况下，碎石的最佳粒径为9.5～16.0 mm，卵石的最佳粒径为4.75～9.50 mm。砂率同样会影响透水混凝土抗压强度。Boniceuli等[5]研究了掺入砂对透水混凝土性能的影响。结果表明：砂的掺入能明显改善透水混凝土的力学性能，其中抗拉强度最大可提升70%、刚度最大可提升35%；同时掺入砂的效果也受到水灰比的影响，当水灰比较低时，砂的掺入对力学性能影响也较低。张国强等[6]研究了砂率、水胶比、设计孔隙率对力学强度的影响。结果表明：砂率对透水混凝土抗压强度的影响最大；当砂率在2%～4%、设计孔隙率在20%、增强剂掺量在5%时，透水混凝土强度及透水系数均达到了较好的状态。付培江等[7]研究表明：透水混凝土的最佳砂率约为12%；当砂率大于最佳砂率时，粗、细骨料总表面积的增大会导致胶凝材料不足以在粗细骨料之间形成有效的胶结，导致透水混凝土强度下降。

1.2 水胶比及骨胶比

水胶比与骨胶比是影响透水混凝土性能的重要因素。水胶比一般介于0.25～0.40之间，当水胶比过小时，浆体过稠，混凝土拌和物和易性、工作性较差；当水胶比过大时，过稀的胶结浆体会封住透水孔隙，造成“封底”现象。Nguyen等[8]研究了水胶比与水灰比对透水混凝土力学强度、透水性能的影响，并通过对粗骨料表面包裹的水泥浆体厚度的预测，建立了针对某一特定强度和孔隙率的透水混凝土配合比设计方法。刘东等[9]研究显示透水混凝土抗压强度不会随着水胶比的减小而一直增大，而是存在一个极值点。王培新等[10]的研究显示，当水胶比在0.3左右、骨料用量为1550 kg/m3时，随着水泥用量的增加，透水混凝土的抗压强度与抗折强度均升高，但水泥用量超过400 kg/m3后强度的增长开始明显放缓。张贤超[11]针对透水混凝土设计中骨料级配、水胶比、骨胶比等参数，建立了各参数与透水混凝土性能之间的回归方程，认为透水混凝土的水胶比适宜范围为0.29～0.33，骨胶比适宜范围为4∶1～5∶1，砂率适宜范围为6%～10%。

1.3 矿物掺和料

矿物掺和料能使透水混凝土中胶结材料的和易性、力学性能和耐久性能得到改善，有效提高其各项性能。Li等[12]在透水混凝土中掺入了硅灰及粉煤灰，采用活性粉末混凝土浆体作为粗骨料间的胶结材料，得到了抗压强度61.37 MPa、透水系数13.02的高性能透水混凝土；Yang等[13]研究了硅灰和高分子聚合物对透水混凝土性能的影响，结果显示硅灰和减水剂能有效提高透水混凝土的强度，其中抗压强度最高可达到50 MPa，且只要将容重控制在1900～2100 kg/m3的范围内，就能够保证较好的透水性能；高分子聚合物能有效提高透水混凝土抗压强度，但对透水性能影响较小，且由于掺量较大，导致成本偏高。

西南交通大学孙宏友[14]研究了透水混凝土性能指标的影响规律，结果显示硅灰与粉煤灰掺量均对透水混凝土强度有明显影响，而对透水性能影响不大；为了保证强度和透水性，硅灰的最佳掺量为2.5%～5%，粉煤灰的最佳掺量为10%～15%。山东大学楼俊杰[15]研究了矿物掺和料对透水混凝土耐久性的影响。冻融循环试验结果表明，粉煤灰可降低冻融循环下透水混凝土质量损失；硅灰对透水混凝土抗冻性能的提升效果较粉煤灰更加显著；石英砂对透水混凝土抗冻能力影响不大；矿粉对抗冻能力的提升较明显，但对动弹性模量影响不大。李子成等[16]研究了粉煤灰和矿渣单掺和双掺部分取代水泥作为胶结料对透水混凝土的影响。结果显示：单掺矿渣使透水混凝土早期强度降低，后期强度先升高后降低。粉煤灰和矿渣的双掺对胶结料各组分的水化具有协同促进作用，显著提高透水混凝土的强度。当粉煤灰掺量为15%～20%，钢渣掺量为10%～15%时，透水混凝土的抗压强度较高。王培新[10]的研究结果显示，与掺粉煤灰相比，掺矿渣的透水混凝土早期抗压强度发展更快，且28 d强度更高。这主要是由于矿渣颗粒的粒径比粉煤灰小，早期活性更大。

2 透水混凝土的制备方法

2.1 搅拌方法

透水混凝土的搅拌方法主要分为两种：一次投料法和二次投料法。其中，二次投料法又分为水泥裹石法和预拌砂浆法。一次投料法是将骨料、胶凝材料、水和外加剂一起加入搅拌器内，搅拌3～5 min；水泥裹石法是根据透水混凝土特点设计的搅拌方法，先将全部的骨料和一部分胶凝材料和水进行预先搅拌，随后加入剩余的水和胶凝材料；预拌砂浆法是先将配置好的胶凝材料和细骨料均匀拌和，之后投入粗集料进一步搅拌均匀。二次加料法由于改变了加料顺序，水泥浆体在预先搅拌中可以比较均匀地包裹于骨料表面，在骨料之间起到润滑作用，有利于搅拌均匀。预搅拌过程中骨料表面得到了有效的润湿和清洗，避免了骨料表面的杂质形成强度较低的黏结过渡带，能有效提高透水混凝土的强度。

张朝辉等[17]对比了采用不同搅拌方法透水混凝土的透水系数及抗压强度，发现相比于一次投料法，采用水泥裹石法可以使透水系数由20.1 mm/s提高到22.3 mm/s；7 d抗压强度提高了26.9%，28 d抗压强度提高了27.2%。孙宏友[14]的研究结果则显示，相比于一次投料法，水泥裹石法则能使抗压强度提高15%左右；一次投料法与水泥裹石法的透水系数相近，而预拌水泥浆法则会使透水系数略有降低。董建忠[18]的研究显示，采用水泥裹石法的透水混凝土透水系数相比于一次投料法下降了2.2%，而抗压强度提高了3 MPa左右。

2.2 成型工艺

成型工艺对透水混凝土的各项指标均有着显著的影响。目前国内透水混凝土路面的成型工艺主要包括摊平后用轻型碾压机压实和摊铺挂平后振动辊压整平两种方法[19]。实验室中制备透水混凝土时，主要可以采用手工插捣成型、机械振动成型、压制成型等方法。

吴冬等[20]比较了手工插捣成型和机械振捣成型对透水混凝土的影响，发现手工插捣成型的试块上下层较均匀，但堆积相对松散；机械振捣成型的试块堆积紧密，但浆体容易在下部沉积。徐仁崇等[21]综合研究了振动成型、压力成型和插捣成型对透水混凝土性能的影响，发现采用振动成型方法时，随着振动时间的增加，抗压强度先增大后减小，透水系数逐渐降低，震动时间宜控制为8～12 s；采用压力成型方法时，随着成型压力的增加，抗压强度先增大后减小，透水系数降低，成型压力宜控制为60～80 kN；插捣成型可以获得较高的透水系数，但混凝土的抗压强度较低。张勇等[22]研究了冲压成型对透水混凝土性能的影响，发现在相同条件下，冲压成型透水混凝土各龄期强度和透水系数均高于振动成型透水混凝土；冲压成型可以缓解浆体下沉现象，成型试块浆体分布更加均匀。陈爱玖等[23]的研究结果显示压制成型中，当成型压力为1.0 MPa时抗压强度达到最大，之后随着成型压力的增大而减小；透水混凝土孔隙率随着成型压力的增大而减小。

2.3 养护方式

由于透水混凝土结构空隙较多、孔隙率较大，在养护过程中，骨料颗粒表面包裹的浆体与空气接触面积明显大于普通混凝土，水分蒸发速度更快，可能导致失水过多，胶凝材料水化不完全，严重影响透水混凝土后期强度增长。因此，相比于普通混凝土，透水混凝土对养护条件的要求更高。

张朝辉等[17]研究了自然养护和覆盖薄膜保湿养护对透水混凝土强度的影响。结果显示：自然养护对透水混凝土的强度发展非常不利，7 d和28 d强度均较低，水泥石表面出现起灰现象，导致黏结面积降低；覆盖薄膜养护效果较好，相比于自然养护7 d和28 d强度分别提高了23.5%和25.4%。Kevern等[24]采用炉渣、块状黏土等吸水材料作为轻骨料透水混凝土的骨料，在制备前对其进行饱水处理，吸收的水分在养护过程中的缓慢释放会提高透水混凝土孔隙内部湿度，达到内养护的效果。结果显示：内养护方法能使透水混凝土内部水泥浆体的水化程度提高10%左右，抗压强度得到明显提高，同时减小了干缩变形。

3 透水混凝土的基本性能

3.1 工作性能

新拌混凝土的工作性一般通过流动性、捣实性和黏聚性进行表征。普通混凝土的工作性能可以通过塌落度法和维勃稠度法进行测定。然而，由于透水混凝土的塌落度较小，普通方法测定的塌落度为0，属于干硬性混凝土，因此普通测试方法不适用于透水混凝土。

浙江大学程娟[25]通过跳桌法测试混凝土浆体的流动度，以此表示透水混凝土的流动性。该方法的优点在于工作性指标化，方法简便易行。而缺点在于单纯以水泥净浆的流动度来评价混凝土的流动性，忽略了骨料之间的摩擦阻力。东南大学张贤超[11]、中南大学陈瑜等[26]借鉴了日本水泥协会的混凝土稠度评价方法，将混凝土拌和物装入圆柱筒中，均匀地抽出圆柱筒后观察拌和物的状态，其分级见表1，其中等级A、B表示浆体稠度过大，等级D、E表示稠度过小，等级C为标准状态。

表1 新拌透水混凝土工作性评价

长安大学盛燕萍等[27]通过富余浆量法对透水混凝土的工作性进行评价。该方法将一定质量的拌和物装入2.36 mm的方筛，将方筛振动一定时间，称量透过方筛的水泥浆量，得到的富余浆量与混合料质量的比值即为富余浆量比。该方法充分考虑骨料间摩擦阻力和水泥浆的黏聚力，避免了传统的依靠主观的视觉判断混凝土拌和物状态，将工作性评价方法量化。

3.2 透水性能

作为透水混凝土的重要特点，透水性能是评价其优劣的重要指标。Pieralisi等[28]对透水混凝土的堆积方式进行了数值建模，通过透水混凝土骨料粒径、骨胶比等参数较为准确的预测其透水系数。Martin等[29]建立了透水混凝土中垂直孔分布与透水系数的关系，并得到了通过孔隙率计算透水系数的方法。徐伟等[30]研究认为当透水混凝土设计孔隙率小于10%时，混凝土不具备连续的孔隙，透水系数很低；当设计孔隙率大于15%时，混凝土具有连续的孔隙和较大的透水系数。佟钰等[31]研究了再生骨料透水混凝土的透水性能，认为采用二次搅拌和插捣工艺能显著提高透水性能；随着再生骨料粒径的增大，透水混凝土的透水能力提高，但力学性能下降，这是由于混凝土孔隙率提高，且粗骨料裂纹缺陷浓度提高造成的。

3.3 耐久性

透水混凝土中，骨料通过一层薄浆体相互连接，形成透水混凝土典型的多孔结构基质，这些孔相互连接形成联通通道。因为骨料间连接面积小，黏结强度也相应减少，使透水混凝土在破坏性应力下容易开裂[32-33]。尽管透水混凝土中孔隙率较高，但在特定的使用条件、不饱和或部分饱和的状态下，透水混凝土在寒冷气候下仍然会发生冻融破坏。

刘星雨[34]研究了影响透水混凝土抗冻融能力的因素，发现配合比设计中骨料粒径、水灰比、骨浆比、砂率等参数对透水混凝土抗冻性的影响较大，其影响程度依次降低。透水混凝土的抗冻性随着骨料粒径减小而提高、随水灰比的增大而降低、随浆体骨料质量比的增加而提高，得出了1～2 cm骨料粒径、0.25的水灰比、0.245的浆体骨料质量比为最佳设计参数的结论。朱峰[35]的研究结果显示，透水混凝土的冻融破坏主要是因为毛细孔内部水的冻胀拉应力无法释放，导致了内部微裂缝的开展；掺入适量的聚丙烯腈纤维和塑钢纤维能有效提高透水混凝土的力学性能和抗冻性能，其中强度提高了近30%，抗冻性能提高了55%。Wu等[36]指出透水混凝土的抗冻性与其强度有着很强的联系；掺入多聚物纤维和乳胶能够有效提高透水混凝土的抗冻性。

4 结 语

透水混凝土作为一种新型的生态、环保型材料，愈加受到国内外的广泛关注。由于其多组分、高孔隙率的特点，其各项性能的变化规律和影响因素较为复杂。目前对于透水混凝土的研究主要集中在宏观方面，今后应深入研究透水混凝土微观组成、孔隙结构和界面微裂缝发展对其性能的影响，逐步改善其工程上的实用性，以便未来将透水混凝土更大规模的应用于我国“海绵城市”和水利护坡等工程项目建设。