以工業(yè)固廢為主材料的一種環(huán)保型透水混凝土研發(fā)

張永科+黨鑫+馬元杰

【摘 要】針對(duì)寧夏地區(qū)的地形氣候及對(duì)原城市道路的路面的缺陷，開(kāi)發(fā)使用一種能讓雨水流入地下，有效補(bǔ)充地下水，緩解城市的地下水位急劇下降等等的一些城市環(huán)境問(wèn)題迫在眉睫。比較分析了透水混凝土路面較之傳統(tǒng)路面的優(yōu)點(diǎn)，介紹了透水混凝土的品種與構(gòu)成，介紹了透水混凝土的應(yīng)用情況，重點(diǎn)分析了透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)和影響透水混凝土強(qiáng)度的因素，通過(guò)工程實(shí)例，介紹了透水混凝土的施工工藝，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】透水混凝土；工程；透水混凝土；強(qiáng)度；透水系數(shù)；配合比

0 引言

隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，維護(hù)生態(tài)平衡和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展也是建筑材料領(lǐng)域的追求目標(biāo)。透水混凝土是一種生態(tài)型環(huán)?；炷?。既有一定的強(qiáng)度，又具有一定的透水透氣性，采用透水混凝土，水分可以很快滲入地下，道路在雨天不會(huì)積水、反光，從而很好的緩解不透水鋪裝對(duì)環(huán)境造成的影響。透水混凝土一般由水泥、粗集料、水和外加劑組成。它不含細(xì)骨料，粗骨料表面包裹一薄層水泥漿相互黏結(jié)形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)孔隙率很高，故具有透氣、透水和重量輕的特點(diǎn)。透水混凝土能夠有效地解決雨水（尤其是暴雨期間）排出不暢的問(wèn)題。

隨著寧夏城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，高樓大廈林立，人口密度集中，污染急劇增加，生態(tài)破壞嚴(yán)重。2012年夏天屢次出現(xiàn)沖破37℃的高溫天氣，甚至達(dá)到39°C，樹葉曾被烤至枯黃；2012年7月31日銀川大雨，通往銀川火車站的公路嚴(yán)重積水，車輛被困受阻。

面對(duì)生態(tài)脆弱，人們意識(shí)到對(duì)于路面，應(yīng)該有意識(shí)地多普及蜂窩狀的結(jié)構(gòu)和可滲透路面。

1 透水混凝土路面與傳統(tǒng)路面的比較

傳統(tǒng)路面大多采用瀝青、混凝土、石板材或水泥磚鋪設(shè)，故被稱為硬質(zhì)路面。它的優(yōu)點(diǎn)是整齊耐用，最大的缺點(diǎn)是不透水，排水要靠地下污水管道，降雨時(shí)雨水直接作為污水被處理，阻斷了雨水對(duì)地下水的補(bǔ)充，不利于地下水的生成。雨、污水在路面易淤積，溶入城市污染物后嚴(yán)重影響城市衛(wèi)生。此外，硬質(zhì)路面吸、儲(chǔ)并反射太陽(yáng)的熱量，會(huì)使地面平均溫度升高，加劇城市熱島效應(yīng)的形成，易引起環(huán)境和生態(tài)負(fù)效應(yīng)，不利于生態(tài)平衡和環(huán)境保護(hù)。透水混凝土路面具以下功能：

（1）可以增加城市可透水、透汽面積，調(diào)節(jié)城市氣候，降低地表溫度，緩解城市/熱島現(xiàn)象。

（2）可以補(bǔ)充城市地下水資源，保護(hù)土壤溫度，改善城市地表植物和土壤生物的生存條件，有利于生態(tài)平衡。

（3）可以吸收車輛行走產(chǎn)生的噪音，有利于創(chuàng)造安靜舒適的交通環(huán)境。

2 透水混凝土的應(yīng)用情況

2.1 國(guó)際研究現(xiàn)狀

由于透水混凝土路面材料具有以上諸多生態(tài)方面的優(yōu)良特點(diǎn)，在人類尋求與自然協(xié)調(diào)、維護(hù)生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展的思想指導(dǎo)下，歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究幵發(fā)透水性路面材料，并將其應(yīng)用于廣場(chǎng)、步行街、道路兩側(cè)和中央隔離帶、公園道路以及停車場(chǎng)等（見(jiàn)圖2、圖3）。這就增加了城市的透水、透氣空聞，對(duì)調(diào)節(jié)城市微氣候、保持生態(tài)平衡起到了良好的效果。

以透水混凝土為代表的各種透水工程材料，在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛推廣應(yīng)用。早在20世紀(jì)70年代，發(fā)達(dá)國(guó)家先后開(kāi)始研究排水性瀝青混凝土路面（Drainage As-phaltPavement簡(jiǎn)稱DAP）技術(shù)，繼而對(duì)以透水混凝土為代表的各種透水工程材料進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究。目前，日本全國(guó)各種車用道路（包括高速公路）、步行道、建筑物外部各種廣場(chǎng)、體育設(shè)施場(chǎng)地、公園和公共綠地等都廣泛采用透水工程材料鋪裝。

總的來(lái)說(shuō)，以日本、美國(guó)為代表的國(guó)家是世界上透水混凝土路面材料研究與應(yīng)用較為先進(jìn)的國(guó)家和地區(qū)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

本世紀(jì)初，我國(guó)相繼開(kāi)展透水混凝土的應(yīng)用。目前，東南大學(xué)的高建明等專家對(duì)植被型透水混凝土進(jìn)行了研究，長(zhǎng)安大學(xué)的鄭木蓮等專家對(duì)透水混凝土的排水施工等進(jìn)行了較多的研究。

但是，國(guó)內(nèi)對(duì)透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法和成型工藝以及透水系數(shù)的測(cè)定等還不夠，對(duì)透水混凝土的生態(tài)環(huán)保效益的研究也十分欠缺。這些問(wèn)題的解決對(duì)透水混凝土材料的應(yīng)用和推廣是十分有利的。本研究將把重點(diǎn)放在透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法及性能研究上。

3 透水混凝土的設(shè)計(jì)

3.1 配合比的確定

設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，透水系數(shù)dmm/s的透水混凝土，配合比設(shè)計(jì)步驟為：

（1）因?yàn)樗渲频耐杆炷翉?qiáng)度，針對(duì)透水混凝土來(lái)說(shuō)相對(duì)較高，因此選擇級(jí)配為5-10mm的碎石，每立方米混凝土的碎石用量為WG=1493kg/m3。

（2）選擇水膠比，根據(jù)公式計(jì)算得到初始水泥用量。

（3）石子選用5-10mm碎石，確定初始水泥用量，選擇體積砂率，根據(jù)公式計(jì)算分別得到砂、水、水泥的用量。

3.2 孔隙率的控制

透水混凝土目標(biāo)孔隙率的確定根據(jù)實(shí)際使用要求來(lái)確定，主要是滿足透水性能要求。透水要求高則該值偏大，同時(shí)還要結(jié)合強(qiáng)度要求進(jìn)行設(shè)定。本研究所測(cè)定的孔隙率是有效孔隙率，探討孔隙率與透水系數(shù)的關(guān)系對(duì)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)具有重要意義。

3.3 影響透水混凝土強(qiáng)度的因素

（1）不同強(qiáng)度膠結(jié)材料對(duì)透水混凝土性能的影響：等條件下，透水混凝土強(qiáng)度隨著水泥石強(qiáng)度的增加而提高。與普通混凝土相似，透水混凝土形成強(qiáng)度主要靠膠結(jié)材料的強(qiáng)度，膠結(jié)材料強(qiáng)度增加，透水混凝土的強(qiáng)度當(dāng)然隨之增大。

（2）骨灰比對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響：多孔透水混凝土的抗壓強(qiáng)度主要由粗骨料之間的咬合摩擦力以及骨料與水泥漿體的粘結(jié)強(qiáng)度決定。水泥漿體的抗壓強(qiáng)度主要由水灰比決定，在一定水灰比下，水泥用量的增大使得界面厚度增大，粘結(jié)面積以及粘結(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，從而提高了它的抗壓強(qiáng)度。

（3） 密實(shí)方法對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響：可采用土工輕型擊實(shí)的方法，顯然開(kāi)始時(shí)隨著錘擊次數(shù)的增加，強(qiáng)度及體密度逐漸增大，由于錘擊次數(shù)的增加，減小了內(nèi)部的空隙，使透水混凝土變得密實(shí)，導(dǎo)致強(qiáng)度及體密度增加，但當(dāng)錘擊次數(shù)達(dá)到一定程度以后，透水混凝土已基本密實(shí)了，這時(shí)強(qiáng)度體密度也不會(huì)有明顯變化。

4 透水混凝土的工程應(yīng)用

在奧林匹克森林公園的應(yīng)用

森林公園透水混凝土配合比選用基于以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和施工要求，對(duì)于10mm～20mm和5mm～10mm粒徑的石子，透水混凝土強(qiáng)度和透水系數(shù)較好的得到較好的統(tǒng)一，確定了森林公園的配合比如表1所示。

透水混凝土在奧林匹克森林公園得到了較大面積的成功應(yīng)用。經(jīng)過(guò)權(quán)威部門檢測(cè)，達(dá)到了C25混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的強(qiáng)度，透水系數(shù)達(dá)到319mm/s，孔隙率達(dá)到24%，抗凍融大于50。

5 結(jié)論與展望

5.1 采用體積法進(jìn)行透水混凝土配合比設(shè)計(jì)是合理的。

（1）采用體積法進(jìn)行透水混凝土配合比設(shè)計(jì)獲得的實(shí)測(cè)空隙率與目標(biāo)空隙率基本一致。

（2）不同的目標(biāo)孔隙率都有最佳的配合比。

（3）采用體積法能較好的控制透水性，但是為滿足強(qiáng)度要求還需要通過(guò)不同的水灰比來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

5.2 展望

本課題對(duì)透水混凝土路面材料的研究已經(jīng)取得一定的成果，透水混凝土在我國(guó)還是個(gè)新生事物，對(duì)它的研究應(yīng)用還有很多的空間?，F(xiàn)場(chǎng)澆注技術(shù)，路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這些方面是透水性混凝土路面材料推廣的關(guān)鍵。有關(guān)透水混凝土的應(yīng)用，本文的研究只是一小部分，它在生態(tài)護(hù)坡，城市噪音隔斷設(shè)施，及人造珊瑚和污水凈化處理等方面都有廣泛的應(yīng)用前景。透水混凝±的蜂窩結(jié)構(gòu)的耐久性以及怎樣防止透水混凝土空隙被堵塞以及交叉路口、陡坡地段、起停路段處由于車輛的停滯剪切作用造成的骨料脫落飛散等問(wèn)題尚需要研究解決?；谕杆炷恋母鞣N生態(tài)環(huán)保優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)得到人們的共識(shí)，它是一種有發(fā)展前途的生態(tài)型、環(huán)保型材料，相信隨著研究的深入和生產(chǎn)技術(shù)的成熟，該材料的市場(chǎng)和前景將十分廣闊。

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