透水性混凝土的发展与应用

冯佳宁，常新玉，洪文亚，隋林峰，王建新

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

0 前 言

近年来，随着绿色、协调的新发展理念融入到当今时代的社会发展中，我国对城市的建筑建设也更得加重视，对城市的建设提出了更高、更实用的要求，城市的建设要迅速适应环境的变化并且能够通过调整自身状态来应对城市内涝问题。同时，近年来，新疆雨水增多，地表被不透水路面覆盖，给人们的生产生活也带来了一系列的问题，如：①阻碍雨水下渗；②对城市排水系统造成极大压力且影响生态系统。透水性混凝土具有非常多的优点，因而透水性混凝土在城市建设中逐渐得到广泛应用。透水性混凝土(其结构如图1所示)又称无砂混凝土、多孔混凝土、透水地坪。透水性混凝土骨料是一种采用改性水泥、水、透水剂和混凝土专用增强粘结剂(透水胶结混合材料)进行掺杂搭配高强度质量的同等长粒径或与大间断透水级别相配合的骨料所混合组成的,并使其具有一定程度空隙透水率的一种混合材料。因而能够很好地解决城市内涝问题。

(a)步行道 (b)车行道图1 透水性混凝土的结构示意图

1 透水混凝土的特性及原材料设计

1.1 透水性混凝土的特性

透水性混凝土是由粗骨料、高标号混凝土、水和外加剂等配制而成的混凝土，可作为一种新型环保的地面材料。透水性混凝土与传统混凝土不同的是以单一级配粗骨料为主体，其粘结剂的主要成分是水泥净砂浆或少量的细骨料砂浆，且粘结剂一方面要对粗骨料有保护作用，另一方面要在不堵塞骨料间空隙的情况下保证骨料间粘结强度。因此，透水性混凝土在一定透水率下渗透系数多为2～5.4 mm/s，透水能力较传统混凝土强，且抗压强度一般在3.5～28 MPa[1]。

由于透水性混凝土具有疏松多孔的特点，所以内部有大量的空隙。半联通或联通的孔隙形成通道让雨水或积水渗入进而深入地下，而未联通的孔隙则作为可利用的储蓄空间。此外，将其作为路面材料时，既能扩大路面透水透气面积，还可以吸声降噪，同时可以缓解城市排水系统的压力。因此，不仅提高人类生活的安全性和舒适性，而且有利于生态系统平衡。

1.2 选用原材料

1)水泥。由于骨料透水颗粒混凝土很少会使用到或甚至不用细骨料,可以将其仅仅看作粗骨料透水颗粒与多层水泥大理石胶粒粘结而成所形成的多孔多层堆积墙体结构。透水性好的混凝土材料要尽量采用整体强度要求较高、混合材料中水掺量较少的硅酸盐复合水泥或普通硅酸盐复合水泥,水泥整体强度综合等级最好在P·O32.5以上。

2)骨料。骨料有的可以直接采用普通水泥砂、碎石,也有的可以直接采用水泥浮石、陶粒等轻质的骨料,甚至可用于废弃废旧建筑物的水泥碎砖、废弃钢筋混凝土等。

3)外加剂。添加使用一定量的高效增强减水剂,有助于有效提高建筑水泥砂浆与混凝骨料的强度;同时添加高效减水剂,有助于有效改善水泥混凝土成型时的和易性并有效提高施工强度;冬季施工时期还可酌情考虑采用硝基硫酸钠、氯化钙等作为早强剂,以利于加速水泥混凝土的硬化。

2 透水性混凝土存在的问题

2.1 强度问题

1)原材料的影响。水泥的强度决定了透水性混凝土的强度，由高强度的水泥制备而成的透水性混凝土，随着时间的变化，水泥的内部结构也发生了巨大的变化，最终导致透水性混凝土的强度也随之发生了改变 。骨料是透水性混凝土中起骨架和支撑作用的材料，粗骨料的品种对透水性混凝土的强度也会有影响，骨料主要由碎石构成，由于其表面不规则，进行搅拌时，碎石与碎石之间的相互摩擦可以增加透水性混凝土结构的稳定性。所以在配制透水性混凝土时多选用形状不规则的碎石，而不是表面光滑的卵石，从而增加透水性混凝土的强度。同时张巨松等[2]研究得出粗集料存在着最佳级配, 当采用 5 ～ 10 mm 集料和 5 ～ 25 mm 集料质量比为 1∶1 混合时,空隙率最低 。此外，透水性混凝土的强度还与砂率有关，其强度随砂率的增加而增大,保证其透水能力的同时,砂率为 20 %时, 强度可达到 30 MPa 以上, 透水系数不低于 5 mm/s 。董星海等[3]的研究表明透水性混凝土的抗压强随透水性混凝土空隙率的增加而下降。对用于铺面材料的透水性混凝土，一般要求其抗压强度大于 20 MPa，因此空隙率不能大于 23% 。

2)配合比参数的影响。水灰比对透水性混凝土的强度产生一定的影响。可以从张朝辉等[4]的研究中得出透水性混凝土的强度随着水灰比的增加出现先增加后降低的结论, 水泥与水之间的比例应当适中，适中的比例可以使混凝土硬化之后的结构更加稳定，所以要根据实际情况来配制水泥和水的比例。

2.2 透水性与堵塞问题

刘瑞菊等[5]研究表明，透水性混凝土孔隙的堵塞问题，都是先由较大粒径的颗粒在孔隙中发生堵塞，然后一级一级的粒径颗粒通过其缝隙向下沉降，最终阻碍了开口孔隙中的通道，导致透水性混凝土的渗透性不断降低。透水性混凝土的透水速率还与水灰比有关，其透水性随着水灰比的增大而降低。水灰比增大，相应的水泥掺量随之减少，自由水含量增大，透水性混凝土孔隙率越大，透水性增大。

3 透水性混凝土的透水性能及耐久性

3.1 透水性能的研究

透水性混凝土作为一种新型的路面材料最大的特点就是具有透水性能。而混凝土的孔隙结构直接决定了其透水性能，影响透水性混凝土抗压强度的主要因素也是其内部的孔隙。因此，制备良好的透水混凝土需要控制孔隙结构的基本参数，即孔隙率。

Gong P等[6]研究表明，加入不同替代水泥(0, 10%, 15%, 20%)的粉煤灰，提高透水混凝土抗压强度的效果也不同。在合理范围内，掺加的粉煤灰量越多，可以改善凝胶的化学组成，水化后期，粉煤灰与Ca(OH)2再次反应的产物可以填充一些不利于混凝土的孔隙空洞从而来改善透水性混凝土的孔隙结构，同时还可以提高透水性混凝土的质量。

骨料对透水性混凝土的透水性及抗压强度均有一定的影响。原因是透水混凝土中的胶结层较薄，骨料的粒径大小直接影响骨料间的接触点，因此一般情况下，可以在合理范围内适当降低骨料的粒径来增加透水性混凝土的孔隙率。李秋实等[7]研究表明掺加RCA透水性混凝土的总孔隙率和透水性都将增加，且在23%～28%的总孔隙率范围内，透水性混凝土的透水系数呈线性增加。

3.2 耐久性的研究

冻融破坏是寒冷地区混凝土结构耐久性遭到破坏的主要原因之一，混凝土由于孔隙中的水结冰体积膨胀开裂，虽然采用合适的配合比而制成的透水性混凝土的耐久性可以相比有所提高, 但其抗冻融循环能力还是较差, 并不适合寒冷地区使用。尹志刚等[8]通过对再生骨料透水性混凝土开展的冻融试验，得出随着冻融循环次数的增加，在不同冻融介质的作用下，再生骨料透水混凝都会发生冻融破坏，而且在氯盐环境下更易引起再生骨料透水性混凝土的冻融破坏。透水性混凝土内部连通孔隙和骨料间的粘结能力较弱是造成透水性混凝土抗冻性能较差的主要因素。同时透水性混凝土的抗冻性能与其目标孔隙率、水灰比有关系。当目标孔隙率为 15% 且水灰比为 0.35 时，再生骨料无砂透水性混凝土的综合性能最好，其透水性能和抗冻性能得到满足。

4 透水性混凝土的研究现状及其应用前景

4.1 国际研究现状

透水混凝土在欧美等发达国家发展较早。对于美国在20世纪70～80年代便开始研究和应用，如1987年美国佛罗里达州、南卡罗纳州、北卡罗纳州和其他降雨量少的地区都是将无砂多孔透水混凝土应用在停车场路面、轻量级车道路面上及市中心街道路面中 。此外，在1991年成立的透水性波特兰水泥混凝土协会为透水性混凝土的研究提供了更大的便利。对于日本，虽在20世纪70年代后期发展平平，但进入了20世纪90年代，日本对透水混凝土研究愈发深入，不仅研究了一些常规内容，而且创新地将解析法应用于透水混凝土的研究，让理论研究内容上升到了一个新的台阶。除此之外，日本还将透水混凝土与改善生态环境相结合，进一步充实了透水混凝土内容的研究。德国从20世纪80年代起就有让透水混凝土大部分应用到其城市路面的想法，如今德国南部弗莱堡能成为有名的生态城市，正是因为这种透水混凝土起到了关键性作用，不仅使居民得到便利，而且使环境舒适了许多，成功树立了一个典范。

4.2 透水性混凝土的优点

1)在城市地区的降雨期间，通过分散雨水的流向，减小城市排水管道的工作负荷并有效避免局部区域的积水，这对于人口众多、交通和地形状况复杂的大都市具有重要意义。

2)雨水通过透水混凝土向基层和土壤中渗透，可补充所在地区的地下水位，具有环境保护和调节水资源可持续发展的作用。

3)降雨过程中流入至透水混凝土基层和土壤中的水分，在晴天的时候可以部分蒸发出来，会降低城市的热岛效应。

4.3 透水性混凝土的应用前景

根据透水混凝土的特点及分析，将透水混凝土用于乌鲁木齐市区内的非机动车道、人行道(如图2所示)、停车场、公园改造、新建公园绿地等。其作用方式是将其表面的水分通过自身和基层原地渗透或就近渗透至土壤中，从而维护局部地区的地下水位、净化水质、减小城市排水系统的排水负荷和低洼地区的雨水聚集。

图2 透水性混凝土路面

例如，当降雨发生时，初期雨水会自然渗入至透水混凝土路面上面层孔隙中，当降雨量小于孔隙率时，雨水会蓄积在透水面层和透水基层中;当降雨量超出其总孔隙率时，透水路面就会产生地表径流，雨水汇入雨水口，进入雨水管网排走。透水混凝土路面透水和蓄水能力的决定因素是透水面层和基层的孔隙率。透水混凝土并不能使雨水像自然状态下一样渗入土壤里，而是存储在透水面层和透水基层中，其存水能力是有限的，在一定程度上能够减轻不透水路面带来的负面危害。公园中的透水性混凝土路面(如图3所示)，配合下沉式绿地效果更佳，透水性混凝土路面铺设可以配合BIM技术应用于工程设计。

图3 公园中的透水性混凝土

5 结 语

1)在适宜范围内加入粉煤灰的用量越多，其抗压强度提高的越大。

2)水灰比越大，其透水速率越快，但水灰比也应在适宜范围内，否则将影响透水性混凝土的强度。

3)因透水性混凝土的优点(如环保、可持续等)，其在我国诸多一线城市已经开始投入建设。当下，我国经济持续稳步增长，在国际上发挥着越来越重要的作用，随着“绿水青山就是金山银山”发展理念的提出，我国越来越注重生态环保问题，而透水性混凝土具有径流调蓄、吸声降噪、美化城市建设等优点，同时其在海绵城市的建设中扮演着重要的角色，这将加快生态环保理念的实现。如果透水性混凝土进一步开发研究，存在的问题能被进一步解决，那么其作为一种新型的建筑材料，必将受到更加广泛的应用。

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