高性能透水混凝土的性能與制備要點

王文濤，劉艷

（武漢武新新型建材股份有限公司，湖北 武漢 430080）

0 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市生態(tài)問題日益突出，伴隨不透水路面帶來的諸如雨水不能滲入地下導致地表植物缺水難以存活，“熱島效應(yīng)”，暴雨后城市內(nèi)澇等負面影響，透水混凝土的應(yīng)用呼聲越來越高。國外已經(jīng)對透水混凝土有了較為全面和深入的研究，早在 150 年前，歐洲就開始使用多孔水泥混凝土[1]，日本和美國也對透水混凝土的性能做過許多研究[2,3]。雖然在國內(nèi)，透水混凝土還沒能大面積推廣使用，但目前國內(nèi)透水混凝土的應(yīng)用正一步步邁入正軌，在奧林匹克森林公園，“鳥巢”體育館的湖邊西路等都有了大面積透水混凝土的成功應(yīng)用。而隨著“海綿城市”概念的提出，透水混凝土這種生態(tài)環(huán)保型地面材料將會發(fā)揮越來越重要的作用。

透水混凝土是由特定級配的水泥、水、骨料、外加劑、摻合料和無機顏料等按特定配合比經(jīng)特殊工藝制備而成的具有連續(xù)空隙的生態(tài)環(huán)保型混凝土。其表觀密度一般為 1600～2100kg/m3，28d 抗壓強度 10～30MPa，28d 抗折強度 2～6MPa，透水系數(shù) 0.5～20mm/s。與普通混凝土相比，透水混凝土具有透水、透氣、凈化水體、吸聲降噪、保護地下水資源、減緩城市熱島效應(yīng)和改善土壤生態(tài)環(huán)境等眾多優(yōu)良的使用性能。然而，透水混凝土在目前的研究進展與應(yīng)用現(xiàn)狀中仍存在許多不足。鑒于此，本文從機理和影響因素角度出發(fā)，總結(jié)分析了透水混凝土的透水性能、抗壓強度、抗凍性能和抗疲勞性能，并結(jié)合試驗，為綜合解決透水混凝土存在的問題提出幾條建議，旨在為我國透水混凝土的理論研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 高性能透水混凝土的特點

1.1 透水性

透水混凝土是骨架空隙結(jié)構(gòu)，孔隙分為開口孔隙、半開口孔隙和閉口孔隙三種，從排水角度看，前兩種孔隙構(gòu)成透水混凝土的有效孔隙[4]。水流經(jīng)過透水混凝土表層時，主要依靠孔隙，還有一小部分通過滲流作用流走。這是透水混凝土作為路面材料的重要特性。當雨水落到透水面表層時，可以進入透水混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并通過內(nèi)部聯(lián)通孔隙流走，而不會在路面表面形成有害水膜和徑流，從而降低了動水壓力。因此，車輛在透水混凝土路面上行駛時，輪胎會與路面保持良好的接觸，可以避免車輛在雨中高速行駛時產(chǎn)生的水漂現(xiàn)象，從而提高行車安全性。遇到大暴雨時，透水混凝土可以迅速將積水匯集于地下排水系統(tǒng)進入河湖，從而降低發(fā)生洪澇的風險。

透水混凝土的透水性受多種因素的影響。蔣佑松等人[5]的研究表明，隨著水膠比增大，透水混凝土的有效孔隙率降低，透水系數(shù)減小。靜壓成型不會因振動使混凝土組織結(jié)構(gòu)不均勻，甚至漿體封底，施加適當壓力將骨料壓實，減小了顆粒間空隙，但有效孔隙率較大，可提高透水性。孟剛等人[6]對 C30 透水路面混凝土的研究表明，振動成型試件的透水系數(shù)明顯低于靜壓成型試件的透水系數(shù)，但振動成型法測得的透水系數(shù)＞1mm/s，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。對比一次加料和水泥裹石法兩種攪拌方法，發(fā)現(xiàn)采用水泥裹石法后，透水混凝土的實測孔隙率及透水系數(shù)均有一定程度的增加，可見采用水泥裹石法有利于改善透水混凝土的透水性。此外，不同種類的硅酸鹽水泥、外加劑和骨料粒徑等都對透水混凝土的透水性有影響[4]。

在使用過程中，粉塵和泥沙堆積會使透水混凝土的孔隙出現(xiàn)堵塞，影響水在混凝土結(jié)構(gòu)中傳輸，進而嚴重影響透水混凝土的透水性。為此，日本采用高壓清洗和真空吸附相結(jié)合的方法解決這一問題，采用 4～7MPa的小型高壓清洗機清洗路面，可以使透水混凝土的透水功能恢復到初期的 80%[7]。Balades 等指出，透水混凝土的堵塞通常發(fā)生在路面的表層幾厘米內(nèi)，對比潤濕后清掃、清掃后吸塵、僅吸塵以及高壓水沖洗和吸塵四種處理方式后認為，透水混凝土路面在第四種方式的作用下可以基本恢復透水路面的初始滲透率。

1.2 抗壓強度

透水混凝土可以看做是由膠凝材料漿體把粗骨料顆粒粘結(jié)成的多孔堆聚結(jié)構(gòu)，其力學性能主要取決于骨料的性質(zhì)、膠結(jié)材料性質(zhì)以及骨料和膠結(jié)材料界面間的粘結(jié)力。其中，骨料與膠結(jié)材料的結(jié)合區(qū)域是透水混凝土最薄弱的部位，這也是透水混凝土強度較低的關(guān)鍵原因。為了改善透水混凝土的力學性能，國內(nèi)外學者在透水混凝土的性能影響因素方面做了大量研究。

混合料配制方法通常有普通攪拌法、預濕骨料法和預拌漿料法三種，蔣佑松[5]研究表明，預濕骨料法和預拌漿料法都可以提高混凝土抗壓強度，且在水泥用量相同情況下，預拌漿料可使透水混凝土強度提高約45%～60%。這是由于預拌漿料法使?jié){體均勻分布在骨料表面，降低結(jié)構(gòu)離散性，提高透水混凝土強度，也將少了水泥用量。骨料種類和粒徑級配也會影響透水混凝土強度。同濟大學蔣正武等人[8]就指出，骨料粒徑與級配、集灰比是影響透水混凝土孔隙率與抗壓強度的關(guān)鍵因素，隨著小粒徑骨料比例的增加，骨料壓碎值的增大，透水混凝土的抗壓抗折強度都會增大，但小粒徑骨料又不能太多，否則會影響透水混凝土的排水性能。蔣佑松[5]研究表明，水泥用量相同條件下，骨料堆積密度越大，粒徑越小，骨料堆積的孔隙率越小，硬化混凝土的結(jié)構(gòu)密實度越大，抗壓強度也越高。而且，小粒徑骨料的比表面積更大，會增大骨料與膠結(jié)材料的粘結(jié)面積，改善界面結(jié)構(gòu)，進一步提高透水混凝土的抗壓強度。透水混凝土的成型方式一般有靜壓成型、普通振動成型和人工振搗成型，也會影響透水混凝土抗壓強度。蔣佑松[5]的研究表明，振動成型有利于提高透水混凝土密實性，但過振又會使?jié){料從骨料表面淌下，導致結(jié)構(gòu)不密實，又會降低抗壓強度；人工振搗難以保證混凝土結(jié)構(gòu)密實均勻，從而使強度降低；相比之下，靜壓成型可以將材料壓實，也有利于骨料粘結(jié)，制備的透水混凝土強度較高。而對于特定骨料和水泥品種及其用量，水膠比是影響透水混凝土強度的最主要因素。蔣正武和蔣佑松的研究都表明，在配制透水混凝土時，要根據(jù)材料組成和性能要求確定透水混凝土的最佳水膠比。這是因為水膠比較小時，漿體難以均勻包裹在骨料周圍，不僅流動性差，難于密實成型，也會使硬化組織結(jié)構(gòu)中孔隙更大，雖透水性好，卻不利于強度提高；水膠比較大時，漿體總量多，流動性大，但粘結(jié)能力明顯下降，不僅難于均勻包裹在骨料表面，反而更容易從其表面流下，造成封底現(xiàn)象，導致透水混凝土結(jié)構(gòu)嚴重不均，抗壓強度下降；最佳水膠比狀態(tài)下，拌合過程中應(yīng)能觀察到漿體能均勻分布在骨料表面而不會流淌，且顆粒表面發(fā)亮。蔣佑松采用粒徑為 4.75～9.5mm 粗骨料、0.30 左右的水灰比，通過靜壓成型工藝，配制出表觀密度 1900kg/m3、透水系數(shù)大于 1.5mm/s 的 C30 透水混凝土。東南大學的霍亮[9]在試驗中采用 0.25 的水灰比，配制出的透水混凝土 28d 抗壓強度高達 35MPa。此外，外加劑和摻合料在提高透水混凝土強度方面發(fā)揮越來越重要的作用。李子成等人[10,11]分別研究了超細粉煤灰（比表面積 735m2/kg）、硅灰以及有機聚合物（蘇州建筑科學研究院生產(chǎn)的 SJ-601 型有機高分子聚合物水泥改性劑）對透水混凝土的界面的增強增韌效應(yīng)，從微觀角度分析摻合料改善透水混凝土力學性能的機理。試驗發(fā)現(xiàn)，較適宜的粉煤灰摻量為 16%、硅灰摻量為 6% 左右，以適宜摻量的礦物摻合料為基準配合比，摻入聚合物能使透水混凝土強度進一步提高，28d 抗折強度達到8.5MPa，抗壓強度達到 34.7MPa，為了滿足透水性，聚合物摻量為 8%～12%。

透水性和抗壓強度是透水混凝土最重要的性質(zhì)，二者相互矛盾。用有效孔隙率表征透水性，長安大學鄭木蓮等人[12]通過試驗研究抗壓強度與有效孔隙率的關(guān)系，相關(guān)系數(shù) R=0.8631：

式中，fc,7——7d 抗壓強度，MPa；

ne——有效孔隙率，%。

由此可見，透水混凝土的抗壓強度與孔隙率存在著良好的線性關(guān)系。這對透水混凝土的配合比設(shè)計優(yōu)化和理論計算具有重要意義。

1.3 抗凍融性

抗凍融性是衡量透水混凝土耐久性的重要指標。透水混凝土結(jié)構(gòu)主要通過骨料間的交接點傳遞受力，但由于骨料界面間膠結(jié)面較小，膠結(jié)層較薄，在凍融環(huán)境下，界面區(qū)域成為透水混凝土力學性能劣化最快的區(qū)域[13]，也導致透水混凝土的抗凍性較普通混凝土更差。許多實例發(fā)現(xiàn)，透水混凝土在不飽和及部分飽和的狀態(tài)下也很容易遭受凍融破壞。透水混凝土的破壞原因主要有以下兩種：一是漿體微空隙中的水經(jīng)歷凍融循環(huán)后，會造成混凝土自表及里的剝蝕破壞；二是對于飽水受凍的透水混凝土，初始外部結(jié)冰會向內(nèi)擠壓未凍部位，當由此產(chǎn)生的膨脹壓大于透水混凝土的抗拉強度時，硬化水泥漿體部位就會產(chǎn)生裂紋，繼續(xù)凍融就會導致裂紋擴展直至破壞[14]。在透水混凝土凍融試驗過程中發(fā)現(xiàn)，透水混凝土鹽凍破壞呈現(xiàn)兩種方式：一種是試件試驗面水泥不斷剝落導致質(zhì)量損失，繼而骨料顆粒開始剝落，最終骨料大量脫落，試件破壞；另一種是凍融初期，試件質(zhì)量損失不明顯，隨著凍融次數(shù)的增加，質(zhì)量損失會在一次凍融循環(huán)中突然增加，之后表現(xiàn)為突然碎裂[15]。

為了解決透水混凝土抗凍性較差的問題，許多學者對此展開研究。湖南科技大學李偉[16]研究透水混凝土抗凍性與目標空隙率和水灰比的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水灰比一致條件下，孔隙率越大，抗凍性越差。哈爾濱工業(yè)大學劉星雨[15]研究發(fā)現(xiàn)，透水混凝土的抗凍性隨著水灰比的增大而降低，隨著骨料粒徑的減小和漿骨比的增大而提高。大連理工大學胡立國[17]的研究發(fā)現(xiàn)，摻入粉煤灰和硅灰可以明顯提高透水混凝土的抗凍性能，凍融 150次后抗壓強度的損失值也在 25% 以內(nèi)。Kevern 等人[18]的研究表明，增加粗骨料數(shù)量會降低透水混凝土的抗凍性，而加入長纖維則會提高其抗凍性，但會對透水混凝土的透水性不利。江蘇建科院姜騫[19]研究表明，增加膠材用量有助于提高透水混凝土的抗凍融性能。當膠材用量相同時，摻入由江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的 SBT?-PRC(I) 增強劑，可以延緩透水混凝土抗凍性，但延緩作用有限，至多增加 25 次凍融循環(huán)次數(shù)。

1.4 抗疲勞性

透水混凝土通常作為路面基層會和面層一起受到車輛荷載和溫度的反復作用，由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙多連通，界面復雜且強度較低，在反復荷載的作用下，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，一旦內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，該損傷就會迅速擴展直到結(jié)構(gòu)破壞。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮透水混凝土的抗疲勞性能。

長安大學鄭木蓮[20]的研究發(fā)現(xiàn)，透水混凝土的疲勞壽命和等效疲勞壽命都服從雙參數(shù)威布爾分布，并建立了不同應(yīng)力水平和等效應(yīng)力水平下的疲勞方程。針對加載頻率和加載強度等因素會影響疲勞壽命變異性的問題，還提出減小變異性的具體措施。L.T.Mo 等人[21]采用有限元模型，以應(yīng)力強度比和疲勞壽命為指標對透水瀝青混凝土抗疲勞性能進行數(shù)值分析，指出透水混凝土特定區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象是導致其早期脫落的重要原因。解放軍理工大學的卓義金等人[22]在室內(nèi)小梁疲勞試驗的基礎(chǔ)上，分析疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)的概率分布，證實了摻加改性劑后的透水混凝土疲勞壽命服從雙參數(shù)威布爾分布。通過對比疲勞方程，發(fā)現(xiàn)摻加改性劑的多孔混凝土疲勞性能優(yōu)于其他穩(wěn)定材料的疲勞性能，也明顯優(yōu)于未摻加改性劑的多孔混凝土的疲勞性能。這是因為改性劑與水泥混合而成的膠凝材料明顯改善了膠結(jié)料—骨料間的界面狀態(tài)，從而具有較好的疲勞韌性，加強界面延性，提高材料在荷載作用下界面產(chǎn)生裂隙的初始荷載水平。改性劑自身凝聚后可以形成強度較高的密實性粘結(jié)層，改性劑為聚合物，聚合物鏈柔性大于水泥石，彈性模量比水泥石低，因此脆性系數(shù)減小，壓折比減小。改性劑在漿體內(nèi)形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以起到增加強度和改善抗變形性能的效果。

2 關(guān)鍵問題和解決思路

與普通混凝土不同，透水混凝土是一種骨架—空隙結(jié)構(gòu)，當以單粒級粗集料作為骨架時，透水混凝土內(nèi)部孔隙較大，骨料之間依靠膠結(jié)料以點對點的方式進行連接，界面區(qū)薄弱，由此導致透水混凝土出現(xiàn)強度低、易堵塞、抗凍性和抗疲勞性差的問題。許多研究者通過減小骨料粒徑，摻入適量的硅粉和高效減水劑，或者加入有機增強劑等方法提高透水混凝土的強度，但并不能綜合解決透水混凝土面臨的問題。為此，本文就如何提高透水混凝土各項性能提出幾點建議：（1）保證目標孔隙率不變，用部分細骨料等質(zhì)量替代粗骨料，調(diào)整骨料級配以填充透水混凝土內(nèi)部較大空隙，同時也增加了混凝土整體骨料的比表面積。（2）盡量選擇細度較大，水化熱較低的膠凝材料，以 P·I52.5 水泥為基礎(chǔ)，可大量摻入粉煤灰和礦渣粉等礦物摻合料。（3）摻入超細粉增強劑，武漢武新新型建材股份有限公司生產(chǎn)的超細礦粉的比表面積達 1000m2/kg，早期強度高、后期發(fā)展好、體積穩(wěn)定性佳，既可以改善硅灰對后期強度貢獻小的問題，又能降低成本。通過現(xiàn)場試驗觀察調(diào)節(jié)加水量，控制透水混凝土拌合物性態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以此配制的透水混凝土外觀結(jié)構(gòu)致密，抗壓強度能達到 30MPa以上，雖然肉眼可見孔隙很小，但是整體孔隙率下降不多，仍然保持在 15% 左右，透水率可達 15mm/s。此種方法有效解決了透水混凝土抗壓強度與透水性相互矛盾的問題，致密的外觀結(jié)構(gòu)使透水混凝土不易堵塞。同時，骨料比表面積增大也使它與膠結(jié)料的界面面積增大，在荷載的作用下，大大降低了應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以顯著提高混凝土的耐久性。