车行道透水混凝土的研制及应用

沈剑峰

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

随着城市建设的多元化，混凝土技术的发展也面临很多新课题、新要求。解决城市内涝问题，是目前城市建设中的重点。雨季到来后，城市中低洼道路就会出现严重积水的情况。而这些积水既会造成道路严重拥堵，又会导致城市道路因被长时间浸泡而发生更为严重的损坏，从而使城市环境变得更为恶劣。

为了解决道路积水问题，通常的做法是不断地对道路进行加固抬高或彻底重建，而这样的做法虽能较快地改善道路的积水问题，但未能从根源上解决积水问题。混凝土作为一种相对廉价，同时又是较易得到的建筑材料，在工程建设中被大量应用，如果能使混凝土具有一定的透水性的话，不仅能解决城市积水问题，而且通过将透过混凝土的积水进行收集并回灌入地下，还能改善城市因地下水不足所引起的沉降问题。

透水混凝土的使用确实是很好的办法，但也有一个比较棘手的问题摆在眼前：透水混凝土的强度。目前市面上大多数透水混凝土抗压强度均在20 MPa左右，只能用于人行道或自行车道等非承载体上，这类道路面积少、道路窄，应用的量相对较少。而想将透水混凝土作为城市建设的主力，就需要将其利用于更为广泛的车行道的铺设中。当然，要能将透水混凝土应用于车行道的铺设中，就要在保证混凝土透水率的情况下，将混凝土的抗压强度提高到30 MPa以上[1-8]。本文就实际工程的应用，对透水混凝土在车行道铺设中的应用进行了一些技术探讨及相关研究。

1 工程概况

背景工程为九棵树（上海）未来艺术中心，位于上海奉浦大道以南、望园路以东、金海公路以西的中央生态林地内，处于林地核心位置，借助周围森林环拱，形成一个与自然对话、水绿交融的“森林剧场”。

九棵树（上海）未来艺术中心总建筑面积71 700 m2，为了充分融合园林艺术、建筑艺术、文化艺术，设计方考虑在本项目中采用透水混凝土作为道路建设的基底，辅以表层透水沥青的方式，来进行环艺术中心道路的建设。因而基底部分透水混凝土的透水性、抗压强度以及耐久性将直接影响后期道路的实际使用。

2 设计要求

考虑到在该项目中，透水混凝土应用于车行道的铺设中，需要结构体承载能力达到一定的强度，初步要求混凝土抗压强度达到30 MPa，根据CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的规定，透水混凝土路面的透水系数不能低于0.5 mm/s，同时混凝土需要浆体黏结性较好，浆体不能在一定振动下封闭孔洞，从而影响混凝土的透水效率[9-12]。

3 选材

胶凝材料选择了P·O 42.5及P·Ⅱ 52.5两种，而外掺料则选择使用较为普遍的宝田S95矿粉，粉煤灰考虑到施工要求，采用上海洪渤建材有限公司二级高钙灰和艾肯商业贸易有限公司的U951硅灰。

考虑到实体结构效果，粗集料选择了普通粒型的5～16 mm碎石以及整形5～10 mm、5～20 mm碎石进行试验比较，且压碎指标值分别为10%、7%、8%。细集料则选择细度模数0.5、1.0及1.5的3种进行尝试。

外加剂为上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司的Glemnium ACE 8305以及该公司一种乳胶类产品，同时还附带了一种具有增加混凝土强度的强度改善剂。

4 透水混凝土试验

4.1 试件制作方式确定

透水混凝土存在试件较为疏松的情况，而这样将会使混凝土实际强度大大降低。同时导致后面试验真实检测数据产生较大的误差，所以确定试件的制作方式才是最重要的。为此，考虑了3种不同的方式：振动台振捣、捣棒插捣、木槌敲击（表1）。

表1 基础配合比及不同龄期强度

通过对3种试块成形方式的比较，发现用振动台的方式强度最低，而捣棒插捣和木槌敲击的方式强度较高。但是从试件的结构性来看，捣棒插捣的方式制作出来的试块存在浆体分层，试件底部存在较多的浆体富集，木槌敲击的方式成形的试件则相较于捣棒插捣略显优势。通过此次试块比较，基本确定以木槌敲击的方式作为此次试验的成形方法。

4.2 外加剂搭配确定

透水混凝土属于类干硬型混凝土状态的混凝土，它需要控制浆体的流动性，以免出现“封底”现象；其强度主要由集料强度、集料与胶凝材料的黏结强度和胶凝材料的强度三者共同提供，而集料与胶凝材料的黏结强度是薄弱环节。因此，在成形的时候要求集料表面能形成一层均匀的胶凝材料包裹层。

因此，透水混凝土所使用的外加剂就必须使浆体具有一定的黏结性，能较好地使浆体包裹住集料，随后再将带有浆体的集料之间进行有效的搭接，这样才能得到较为坚固的结构体，而采用乳胶液就能改善浆体的黏聚性能。另外，集料之间的搭接面相对较少，故需要能对强度提升上有一定的效果的外加剂，这样才能得到更好的结构体强度。强度改善剂是一种以增加混凝土强度的液体类产品。根据以上外加剂厂所提供的几个产品，进行了如下的掺加组合（表2）。

表2 外加剂搭配比较

试验情况可以看到，当乳胶液增加时，浆体的黏聚性大大增加，故直接使混凝土的孔隙率变小，影响了透水效率。而强度改善剂的使用，能对强度的增加有一定的改善。根据试验强度与孔隙率的比较来看，我们选择减水剂∶乳胶液∶强度改善剂＝1∶1∶2的比例来进行后续试验的进行，外加剂厂为了便于区分，将这个混合液命名为PV8005。但在实际混合效果来看，该PV8005存在一定的分层性，这点在实际生产时可能需要进行搅拌，才能避免外加剂对混凝土性能影响太大。

4.3 胶凝体系确定

对基础配合比的验证我们看到，采用P·O 42.5水泥及500 kg/m3胶材体系还是存在一定的浆体富裕和强度偏低的情况，故此次对配合比进行水泥体系及用量的调整（表3、表4）。

通过表2的试验，我们看到采用P·Ⅱ 52.5水泥作为胶凝体系后，混凝土试件的强度有较明显的增加。而在胶材用量上，当胶材用量为500 kg/m3时，试件浆体的富余量还是偏多了。而当胶材用量为400 kg/m3时，则表现出来的状态碎石太多，无法有效地形成试件。由于在450 kg/m3水泥量情况下，强度和透水系数均较好，最终选择按450 kg/m3的胶材量来进行后续的试验。

表3 不同水泥配合比相关指标比较

表4 不同胶凝体系比较

表3可以看出，不管是单掺矿粉还是粉煤灰以及双掺，均对混凝土试件强度有较大的影响。当然在体系中掺加硅灰后对混凝土的强度有了一定的提高，但其透水性还是存在一定的影响。考虑到本项目要求是试件强度C30以及混凝土的透水性能，故本次工程应用就按P·Ⅱ 52.5纯水泥进行了下一步的验证。

4.4 集料确定

通过前期的试验，基本上已确定了胶凝体系及外加剂组合。但在透水混凝土中集料体系也是很重要的一环。为此选择了普通粒型的5～16 mm碎石以及整形5～10 mm、5～20 mm碎石。而为了得到更好的强度和混凝土状态，对于配合比，我们还考虑尝试添加一定量的细沙来使混凝土提高保证率。但考虑到透水混凝土中掺加细砂后会封闭实体孔洞，因此在此次试验中考虑只添加100 kg/m3的量来进行比较（表5、表6）。

由表5看到随着粗集料粒径的增大，透水混凝土的抗压强度呈现出早期强度上升较快后期相对乏力的现象。而对3种粗集料粒径进行比较，可看出集料粒径为5～10 mm时透水混凝土的抗压强度最佳且对混凝土的透水性影响较小。这是因为相比于粒径大的集料，较细的集料比表面积较大，而胶凝材料的量有限，使得集料表面的包裹层相对较薄，集料之间的黏结力弱，所以强度较低。随着粗集料粒径的增大，透水混凝土的孔隙率逐渐升高。

表5 不同粗集料掺加比较

表6 细集料掺加比较

由表6看到，混凝土的强度整体提高，但随着细砂细度模数的增加，混凝土的孔隙率明显下降，并直接影响了透水效率。主要还是当细砂较细密时，基本能作为胶材的一部分来较好地包裹粗集料，从而使试件强度更为理想。

4.5 配合比确定

根据以上对胶凝体系、集料体系以及外加剂体系的多方位试验验证后，级配确定如下：自来水∶P·Ⅱ 52.5水泥∶整形5～10 mm碎石∶细度模数0.5细砂∶PV8005外加剂＝110∶450∶1 400∶100∶20。

5 应用实例

5.1 透水混凝土试生产

透水混凝土为一种类干硬性混凝土状态的混凝土，这样才不会使混凝土由于跑浆而封堵孔洞。故在实际生产中基本上以构件混凝土生产的方式来进行生产，其混凝土坍落度需要控制在30～70 mm范围内较为理想。且采用的运输方式以翻斗车为主。同时，由于前期外加剂混合液存在分层现象的问题，为了确保生产，对外加剂筒仓进行了改造，增加了搅拌系统。

为了确保后续生产的顺利，在正式生产前我们进行了试生产。在试生产过程中发现，粉体与混凝土之间的黏结还是存在一定问题。通过对多个因素的排查，最终发现，所采用的碎石由于长时间放置，表面无水分，致使在试生产时粉料无法包裹碎石，造成了粉料与碎石之间的分离。

5.2 透水混凝土实际生产

根据试生产时出现的问题，在实际生产之前将所使用的碎石进行了湿润。通过对碎石的湿润，该混凝土的浆体黏结理想，且该混凝土通过近1 h的运输过程，并未发生混凝土浆体与碎石分离的情况。混凝土浇筑采用挖机铺设、人工修整的方式进行铺平，同时用振动机进行振实。

施工完成后，按CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的规定进行保水养护。且对养护28 d之后的实体进行了相应的检测，数值为3 d强度29.6 MPa、7 d强度38.9 MPa、28 d强度44.3 MPa，混凝土孔隙率15.3%、透水率达1.3 mm/s 。该混凝土完全满足了设计要求的混凝土性能。在近一个月的实际生产中，搅拌站共计生产了近2 000 m3透水混凝土，该项目的成功为在普通预拌混凝土搅拌站大面积透水混凝土的生产开了应用先河。

目前透水混凝土市场，由于其生产的特殊性无法大面积推广使用，究其原因主要还是普通搅拌站无法满足生产条件。而此次的生产，为透水混凝土在城市建设中的大量应用起到了示范的作用。

6 结语

本文通过对胶凝体系、集料体系以及外加剂体系的研究，并通过项目的实际应用效果验证了透水混凝土的一些应用方法及注意点。

1）硅灰对混凝土强度有一定的增强作用，在透水混凝土中也有同样效果。硅灰还能改善透水混凝土的浆体量，但因其比表面积的增加，振动后也更容易浆体分离。因此，硅灰在透水混凝土中的使用还是需要通过试验验证。

2）透水混凝土中的粗集料粒径越粗、孔隙率越大、透水效果越高，但强度也越低。通过试验比较，5～10 mm碎石在透水混凝土的生产中还是较为合理的，用5～10 mm碎石生产的混凝土不管在强度上还是透水性上都能较好地满足要求。

3）透水混凝土中适当掺加细砂的方式也可行。但如需掺加，为了不影响混凝土的透水率，掺加量及所用细砂细度模数需满足一定要求，以避免对混凝土孔隙产生封堵。

4）外加剂方面，透水混凝土对减水要求并不高，但需要能提高透水混凝土浆体的黏聚性。乳胶的加入有提高浆体的黏聚性的作用。由于透水混凝土具有较大的孔隙率，故对混凝土强度还是有一定影响。强度改善剂的加入在一定程度上具有增大混凝土强度的效果，可以考虑适当应用，从而改善混凝土强度。