透水混凝土在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用

姚志玉，丁麗芳，韓昊辰

（河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，河北 保定 071051）

0 引言

近年來，暴雨以獨特的方式給一座座城市留下了深深的烙印，暴雨襲擊使城市洪水倍增無處可去，車輛被淹、交通困難、街道成河、廣場成湖甚至人員傷亡等情形?！?018 中國海綿城市建設(shè)白皮書》顯示，中國有62% 的城市遭受內(nèi)澇問題的侵害，進(jìn)入雨季就容易陷入暴雨頻發(fā)、內(nèi)澇橫行的窘境。數(shù)據(jù)顯示，由洪澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)和社會損失逐年增加，2016 年由于洪澇所帶來的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 3640 億元，相當(dāng)于全國 GDP 的0.5%?！胺暧瓯貪场背蔀榱宋覈鞘械闹匾獮?zāi)害之一，“城市看?！睅缀趺磕甓家涎?，內(nèi)澇已嚴(yán)重影響了城鎮(zhèn)人民的正常生活。為系統(tǒng)解決這些問題，海綿城市建設(shè)理論應(yīng)運而生且已深入人心，2015 年、2016 年國家確認(rèn)了 30 座城市作為海綿城市建設(shè)的試點，專家估計，到 2020 年全國 658 座城市建成區(qū) 20% 以上面積需要達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，全國每年投資總額預(yù)計超過 4000 億元，到 2030 年，城市建成區(qū) 80% 以上的面積達(dá)到目標(biāo)要求，需求資金約 16000 億元，這對很多行業(yè)是巨大的商機(jī)。

國家大力推行海綿城市建設(shè)，而透水混凝土具備連通上下生態(tài)環(huán)境的功能，是實現(xiàn)海綿城市不可或缺的一種材料，也是 2017 年建筑業(yè) 10 項新技術(shù)之一[1]，復(fù)合海綿城市建設(shè)的理論要求，可以助力海綿城市建設(shè)。

1 透水混凝土及其制備技術(shù)

在“海綿城市”建設(shè)工程中，可綜合采取與濕地、綠地、雨水收集等組成“滲、滯、蓄、凈、用、排”的雨水生態(tài)管理系統(tǒng)，科學(xué)規(guī)劃在建區(qū)和統(tǒng)籌改造建成區(qū)，轉(zhuǎn)變道路建設(shè)和廣場建設(shè)的傳統(tǒng)觀念，在嚴(yán)寒以外的區(qū)域，如城市廣場、住宅小區(qū)、公園休閑廣場和園路、景觀道路以及停車場等使用透水鋪裝系統(tǒng)，提高城市透水呼吸面積。

1.1 透水混凝土

透水混凝土是由膠凝材料、粗骨料、少量或無細(xì)骨料、外加劑、拌合水按照一定的工藝拌制而成的一種多孔混凝土材料。與傳統(tǒng)混凝土比較，透水混凝土多采用單一級配的粗骨料作為結(jié)構(gòu)骨架，用膠凝材料凈漿或少量細(xì)骨料砂漿作為粘接劑。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，主要靠包裹在粗骨料表面的膠凝材料漿體將粗骨料顆粒膠結(jié)在一起，形成以粗骨料顆粒接觸點為連接點的多孔結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)良好的透水性。

1.2 制備技術(shù)

1.2.1 原材料的選擇

制備透水混凝土所需的原材料與普通混凝土大致相同，但需要根據(jù)透水混凝土的功能要求及原材料特性等來選擇最合適的原材料。

水泥：采用強(qiáng)度等級不低于 42.5 級的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB 175《通用硅酸鹽水泥》的要求。

骨料：在透水混凝土中骨料起著顯著的作用，骨料性能對透水性能起著十分重要的作用，骨料選擇采用質(zhì)地堅硬、耐久、潔凈、密實、單一級配的碎石。

外加劑：選用具有一定減水、緩凝等功能的外加劑，且符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB 8076《混凝土外加劑》的要求，適當(dāng)添加界面增強(qiáng)劑。

1.2.2 施工工藝

透水混凝土結(jié)構(gòu)組成分為全透水結(jié)構(gòu)和半透水結(jié)構(gòu)。全透水結(jié)構(gòu)一般適用于人行道、非機(jī)動車道、景觀硬地、停車場和廣場；半透水結(jié)構(gòu)使用用于輕型荷載道路。透水混凝土施工單位一般僅施工面層，基層由其他專業(yè)隊伍施工，在面層結(jié)構(gòu)施工前，基層應(yīng)做相應(yīng)的界面處理，基層表面粗糙，保證清潔、無積水，并保持一定的潤濕，必要時根據(jù)施工情況采用一定的膠粘劑。

對于透水混凝土來說，配合比是確保強(qiáng)度的關(guān)鍵，其攪拌過程須嚴(yán)格控制，投料攪拌一般采用水泥裹石法，即先將石料和 50% 用水量拌合 30s，再加入水泥拌合 40s，最后加入剩余水拌合 50s[2]，這樣做可防止水泥漿過稀，可保證混凝土的透水性和強(qiáng)度要求。鋪筑采用有足夠剛度的平板振動器振動，施工后及時進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，覆蓋塑料薄膜并均勻灑水，灑水只能以淋的方式，不能用高壓水沖灑，養(yǎng)護(hù)期依據(jù)氣溫調(diào)整，一般不少于14d，施工過程中避免高溫和低溫施工，混凝土在達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度之前不得投入使用，工程實體強(qiáng)度以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度為準(zhǔn)。

透水混凝土的施工工藝類似于傳統(tǒng)混凝土，但技術(shù)要求遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)混凝土。透水混凝土從透水體系的設(shè)計；施工用混凝土原材料的選用、配合比的優(yōu)化設(shè)計、攪拌生產(chǎn)、運輸、施工、養(yǎng)護(hù)等全過程實現(xiàn)嚴(yán)格的控制，是全面推行實現(xiàn)海綿城市的關(guān)鍵。

2 透水混凝土研究現(xiàn)狀

透水混凝土的研究受到國內(nèi)外各界人士的高度重視，對其透水性能、力學(xué)性能和耐久性能等方面進(jìn)行了大量研究，尤其是在目前海綿城市的建設(shè)理念中起了至關(guān)重要的作用，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，是未來城鎮(zhèn)建設(shè)道路發(fā)展的必然趨勢。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對透水混凝土研究較早且應(yīng)用推廣效果顯著。在大約 150 年前，歐洲就開始使用多孔水泥混凝土制備混凝土構(gòu)件并進(jìn)行房屋建設(shè)。二戰(zhàn)期間，因經(jīng)濟(jì)匱乏，多孔水泥混凝土由于高經(jīng)濟(jì)性而獲得了廣泛的應(yīng)用。1852 年英國就開發(fā)出不含細(xì)骨料的大孔徑混凝土。1900 年該混凝土傳至南非、俄羅斯等地，隨后對其進(jìn)行了大量研究，修建了很多無砂大孔混凝土建筑。1970年，英國除此將無砂大孔混凝土用于市政路面上，即該種材料被當(dāng)做一種生態(tài)、環(huán)保的材料收到人們的熱愛。1972 年美國通過了清潔水資源法案（Clean water Act），法案規(guī)定，各州和各大城市有義務(wù)保障被收集降雨的清潔程度[3]。1973～1995 年日本東京共修建 220萬方的透水混凝土路面，目前全日本鋪設(shè)約 1000萬方的透水混凝土路面，德國 80% 的市政道路采用透水性混凝土[4]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國作為混凝土應(yīng)用大國，透水混凝土的研究起步較晚、研究時間短、應(yīng)用相對較少、水平相對低。1993年中國建筑材料科學(xué)研究院在原國家建筑材料工業(yè)局的資助下開始進(jìn)行了“透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究”，研制的透水性混凝土路面磚于 1995 年開始在試點工程中應(yīng)用，并在 1998 年的部級鑒定會上通過專家委員會的一致認(rèn)定[5]。2000 年，清華大學(xué)蔣國梁、楊靜選用小粒徑骨料，微細(xì)礦物摻合料和有機(jī)增強(qiáng)劑等辦法，提高透水混凝土的強(qiáng)度，研發(fā)了透水性杰出且力學(xué)性能符合國家建材行業(yè)規(guī)范的混凝土路面材料[6]。2004 年長安大學(xué)的鄭木蓮開展了大量有關(guān)透水混凝土的排水研究，并分析了全寬式，設(shè)盲溝以及設(shè)集水溝和管的排水系統(tǒng)的排水能力[3]。隨著透水混凝土的試驗研究的深入，透水混凝土在工程中也得到了應(yīng)用，2008年北京奧林匹克森林公園使用了大面積的透水鋪裝，國家體育館“鳥巢”的湖邊西路道路工程鋪設(shè)了多于9700m3透水混凝土[7]。2009 年上海世博園工程中也大量應(yīng)用了透水混凝土。中新（天津）生態(tài)城 15%～20%路面為透水混凝土路面，所有慢行系統(tǒng)及停車位均采用透水鋪裝，在 2016 年夏季大雨有效起到了排水、避免內(nèi)澇的效果[8]。近年來隨著科研人員對透水混凝土的大量研究，加速推動了透水混凝土在工程中應(yīng)用的熱潮。

綜合國內(nèi)外透水混凝土的研究現(xiàn)狀可以看出，透水混凝土的研究大部分集中在強(qiáng)度、透水系數(shù)及耐久性方面[9]，比如其抗凍性能、耐磨性能、吸聲降噪等方面。透水混凝土作為新型環(huán)保建筑材料，對城市地下水補(bǔ)充、緩解城市內(nèi)澇及熱島效應(yīng)具有積極作用。但是由于各種條件的限制，透水混凝土在城市建設(shè)中的推廣應(yīng)用還有很大空間。

3 透水混凝土在海綿城市建設(shè)中的重要性及發(fā)展趨勢

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)度加快，城市的地表逐步被混凝土路面所覆蓋，城市人口快速增長，由于混凝土的密實性自然降水無法補(bǔ)充地下水，導(dǎo)致部分城市出現(xiàn)地下水嚴(yán)重流失；遇夏季暴雨，由于排水不及時經(jīng)常大面積積水，導(dǎo)致行人出行滑到摔傷、車輛雨水浸泡，更有甚者變壓器漏電，行人遭電擊身亡，帶來巨大損失。

國家高度重視相關(guān)問題，2012 年 4 月在《2012 低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中，“海綿城市”概念首次被提出；“海綿城市”建設(shè)主要以城市建筑、小區(qū)、道路、綠地與廣場等建設(shè)為載體，道路、廣場的鋪裝可以采用透水混凝土。2013 年 12 月 12 日，習(xí)近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會議》的講話中強(qiáng)調(diào)：“提升城市排水系統(tǒng)時要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”[4]。透水混凝土在海綿城市建設(shè)中能充分利用雨水資源，促進(jìn)對城市生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，對城市傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進(jìn)行“減負(fù)”和“補(bǔ)充”。透水混凝土對未來打造智能、綠色、創(chuàng)新的海綿城市中起到至關(guān)重要的作用。許多國家都對透水混凝土深入的進(jìn)行了研究分析，主要集中在強(qiáng)度以及其抗凍性、吸聲降噪、抗疲勞性能等方面。在當(dāng)今社會，人們越來越注重環(huán)保，而透水混凝土作為一種新型功能型混凝土，正是當(dāng)今社會所需，是創(chuàng)建“海綿城市”的最佳材料。

4 透水混凝土應(yīng)用中存在的問題

4.1 強(qiáng)度與透水系數(shù)及孔隙率問題

透水混凝土本身是一種骨架—孔隙結(jié)構(gòu)，所以具有良好的透水性，但是因為其具有的孔隙導(dǎo)致內(nèi)部不密實所以強(qiáng)度難以提高，透水性與強(qiáng)度存在尖銳矛盾，因此透水混凝土只適用于對強(qiáng)度要求不高的場所，比如廣場、公園道路等，一些試驗研究表明，通過增加膠結(jié)材料增強(qiáng)劑可提高 20% 左右的混凝土抗壓強(qiáng)度，但是目前市場上常見的增強(qiáng)劑品種質(zhì)量參差不齊，增強(qiáng)效果不便于快速檢測出來，所以要提前儲備足夠量已知增強(qiáng)效果的膠結(jié)材料方可進(jìn)行工程應(yīng)用。

4.2 抗凍融性能需提高

透水混凝土比普通混凝土抗凍融性要低很多。經(jīng)過凍融試驗表明在粗骨料連接處均出現(xiàn)不同的裂縫，甚至有部分發(fā)生粗骨料脫落，導(dǎo)致透水混凝土強(qiáng)度性能不達(dá)標(biāo)。在配制透水混凝土?xí)r應(yīng)加入合適比例的添加劑，來提高透水混凝土抗凍融的能力。

4.3 生產(chǎn)與運輸

透水混凝土生產(chǎn)前應(yīng)將攪拌站主機(jī)清洗干凈，否則直接影響透水混凝土漿骨比，進(jìn)而影響強(qiáng)度及透水系數(shù)；透水混凝土不適宜用攪拌運輸車運輸，一是透水混凝土為干硬性混凝土，不易卸入運輸車內(nèi)，另外透水混凝土主要由粗骨料組成，對運輸車磨損較大；用翻斗車運輸時，應(yīng)將表面進(jìn)行覆蓋保濕，在運輸途中避免長時間運輸及顛簸，防止水泥漿沉底。

4.4 后期維護(hù)

在我國北方已經(jīng)鋪裝的透水混凝土路面，隨著時間的延長排水性能出現(xiàn)下降，其原因有二，一是長時間粉塵泥土與雨雪混合在一起堵塞了部分透水混凝土空隙：二是透水混凝土路面經(jīng)過長時間碾壓，使表面包裹粗骨料的漿體脫落，導(dǎo)致表層粗骨料脫落失去粘聚性，也會影響透水混凝土路面使用壽命。

透水混凝土的日常維護(hù)包括：日常的清掃、封堵孔洞的清理。清理封堵孔洞可采用風(fēng)機(jī)吹掃，高壓沖洗或真空清掃等方法。北方地區(qū)冬季氣溫低，為了延長透水混凝土的使用年限，在冬季下雪后應(yīng)及時清理積雪防止路面結(jié)冰，在清理積雪時不宜采用機(jī)械除冰，并不得撒砂或灰渣以防堵塞透水混凝土孔隙。

4.5 施工季節(jié)受限

透水混凝土冬季施工十分困難，主要體現(xiàn)在透水混凝土的施工開始至成型 14d 內(nèi)所處環(huán)境溫度任意時刻不能低于 0℃（無論是否摻加防凍劑）。由于透水混凝土大量孔隙率存在，養(yǎng)護(hù)時水分會部分存留在孔隙率中，環(huán)境溫度一旦在零下孔隙水分會成冰體積膨脹造成內(nèi)部破壞。由于混凝土養(yǎng)護(hù)時間一般為 7d，另外考慮到孔隙水分參與膠凝材料水化以及蒸發(fā)需要一定時間一般7d 后基本消失，所以要求透水混凝土在 14d 內(nèi)所處環(huán)境溫度任意時刻不能低于 0℃。

4.6 實體檢測

透水混凝土路面強(qiáng)度檢測尚屬空白，無論回彈法還是鉆芯法均不適用，只能依靠混凝土試塊進(jìn)行評定。

5 結(jié)語

今年我國已將海綿城市建設(shè)提上日程。透水混凝土必定是未來海綿城市建設(shè)中的主力軍。更應(yīng)加大研發(fā)投入，全方面開展對透水混凝土性能的研究工作，使之更廣泛用于城市建設(shè)之中。讓透水混凝土變成真正可以呼吸，并與自然環(huán)境和資源可以相互協(xié)調(diào)的環(huán)保生態(tài)型材料。但是由于國內(nèi)研究透水混凝土起步較晚，研究時間尚短，我國又與國外地域環(huán)境、材料、施工技術(shù)有很大差異，因此沒有很多可以值得借鑒的經(jīng)驗。

在今后的工作中還需要對透水混凝土的強(qiáng)度、透水系數(shù)、抗凍性能、耐磨等指標(biāo)做進(jìn)一步深入研究；對于透水混凝土相關(guān)設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、和不同地域相關(guān)施工技術(shù)規(guī)程等還需完善。