透水混凝土的性能研究

王賢成，翟建國，黃學(xué)進(jìn)

（中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，城市路面大多硬化，遇到強(qiáng)降雨時(shí)，城市內(nèi)澇問題嚴(yán)重，特別是在南方多雨城市，暴雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害頻頻發(fā)生，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。透水混凝土作為新型環(huán)保材料，主要由粗骨料、少量或沒有細(xì)骨料、膠凝材料、水、摻合料和外加劑按照一定比例拌制并經(jīng)過一定的工藝成型而成（見圖1），具有良好的透水性，能夠滲透路面積水，補(bǔ)給地下水，減緩城市熱島效應(yīng)。目前，我國對(duì)于透水混凝土的應(yīng)用仍不夠廣泛，究其根本是對(duì)其性質(zhì)研究的不徹底，導(dǎo)致應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)問題。因此，文章就透水混凝土的各項(xiàng)性能進(jìn)行總結(jié)分析，旨在為透水混凝土的應(yīng)用推廣提供依據(jù)。

圖1 透水混凝土地面

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國外研究進(jìn)展

在國外的研究中，美國和日本對(duì)透水混凝土的研究起步較早，至今已有較成熟的研究成果。美國從20世紀(jì)開始將透水混凝土大量應(yīng)用于停車場段。1995年，南伊利諾伊大學(xué)Ghmoori等［1］對(duì)透水混凝土的抗凍性進(jìn)行了研究；2003年，華盛頓大學(xué)Benjamin等［2］通過對(duì)停車場透水混凝土的力學(xué)性、透水性、耐久性等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示各項(xiàng)性能均良好。2016年，德克薩斯農(nóng)機(jī)大學(xué)Maria等［3］將透水混凝土的應(yīng)用引入路面，并確定了新的路面設(shè)計(jì)方法。在日本，早在20世紀(jì)60年代后期，為了解決常年降雨但地下水位卻下降的問題，大量學(xué)者提出雨水返還地下的戰(zhàn)略，并積極推動(dòng)透水混凝土的研發(fā)。1987年，日本學(xué)者申請(qǐng)了透水混凝土路面材料的專利，提出將有機(jī)高分子樹脂作為混凝土的膠凝材料。到21世紀(jì)，日本對(duì)透水混凝土的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，并將透水混凝土廣泛應(yīng)用于路面、公園、住宅等建設(shè)中。2016年日本山口大學(xué)的Yail等［4］將粉煤灰等摻合料加入透水混凝土中，發(fā)現(xiàn)摻合料對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度和透水性有較好的改善效果。同時(shí)，日本政府提出構(gòu)建生態(tài)混凝土研究機(jī)構(gòu)，號(hào)召在日本全國范圍內(nèi)使用透水混凝土。德國對(duì)透水混凝土的研究起步于20世紀(jì)80年代，提出2010年之前實(shí)現(xiàn)全國90%以上的不透水工程全部改造為透水工程，至此開始了對(duì)透水混凝土的研究。弗萊堡的城市路面在10年時(shí)間里全部改為透水混凝土路面，地下水補(bǔ)給充足，路邊植物生長茂盛，該城市也被譽(yù)為生態(tài)文明城市。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

我國對(duì)透水混凝土的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代才開始逐步研究。1993年，隨著《透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究》問世，北京、南京、武漢等城市開始將透水混凝土應(yīng)用于城市路面建設(shè)。隨后廣州、上海等城市也將透水混凝土應(yīng)用于體育館、廣場的建設(shè)中。盡管如此，我國對(duì)透水混凝土的使用還遠(yuǎn)不及國外城市，歸根結(jié)底是對(duì)透水混凝土的抗疲勞性能、耐久性、破壞機(jī)理等方面的研究較少，導(dǎo)致目前對(duì)透水混凝土的應(yīng)用十分局限。清華大學(xué)的楊靜等［5］研究了在細(xì)骨料透水混凝土中摻入礦物細(xì)摻料和有機(jī)增強(qiáng)劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻合料可以有效地提高透水混凝土的強(qiáng)度和透水性。鄭木蓮［6］對(duì)透水混凝土的排水性能進(jìn)行了研究，并分析了不同溝渠和管道設(shè)置對(duì)排水能力的影響。也有學(xué)者提出骨料粒徑級(jí)配對(duì)透水混凝土的性能有顯著的影響，發(fā)現(xiàn)骨料粒徑較小時(shí)，透水混凝土強(qiáng)度較高，但透水性較差。如今，社會(huì)的發(fā)展對(duì)環(huán)保提出了越來越高的要求，透水混凝土作為一種環(huán)保材料也必將得到更加廣泛的應(yīng)用。因此，對(duì)透水混凝土的研究也有很大的進(jìn)步空間，仍需我國學(xué)者不懈努力。

2 透水混凝的力學(xué)性能研究

2.1 骨料

粗骨料是透水混凝土的骨架。骨料的種類、形狀、尺寸、級(jí)配都影響著透水混凝土的強(qiáng)度。常用的骨料是碎石和卵石。其中，碎石由于其不規(guī)則的形態(tài)和粗糙的表面，在制備過程中可以增加骨料之間的摩擦，增強(qiáng)透水混凝土的穩(wěn)定性。骨料的粒徑也是強(qiáng)度的重要影響因素，粒徑小的骨料在堆積過程中具有較大的堆積密度，使制得的透水混凝土擁有較高的強(qiáng)度，但也由于其密實(shí)度較高，透水性相對(duì)較差；粒徑較大的骨料比表面積較小，骨料間縫隙較大，故而透水性較好，但強(qiáng)度較低。因此，在制備過程中選擇級(jí)配連續(xù)的骨料能夠有較高的咬合度。

2.2 水灰比和骨灰比

水灰比和骨灰比的選擇對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度起著重要的作用。當(dāng)水灰比較低時(shí)，骨料密實(shí)度不足，會(huì)降低透水混凝土的強(qiáng)度；當(dāng)水灰比較高時(shí)，流動(dòng)性增強(qiáng)，易發(fā)生泥漿灌孔，影響透水混凝土的透水性。蔣正武等［7］對(duì)水灰比不變的條件下不同骨灰比對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，水灰比不變的情況下，骨灰比越小，透水混凝土的強(qiáng)度越高。王培新等［8］的研究表明水灰比和骨灰比會(huì)影響透水混凝土的孔隙率，從而對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

2.3 成型方式

成型方式對(duì)透水混凝土的性能有著重要影響。吳冬等［9］在對(duì)比了手工插搗和機(jī)械振搗等不同成型方式對(duì)透水混凝土性能的影響后，發(fā)現(xiàn)成型方式會(huì)對(duì)透水混凝土的透水性產(chǎn)生影響。機(jī)械振動(dòng)成型的透水混凝土具有較好的密實(shí)度和較高的強(qiáng)度，但由于漿體容易沉積在下層造成堵孔現(xiàn)象，故透水性較差。手工插搗成型的透水混凝土具有較好的透水性，但由于上下層均勻松散，不夠密實(shí)，故強(qiáng)度相對(duì)較低。徐崇仁等［10］對(duì)插搗成型法、振動(dòng)成型法、壓力成型法、振壓成型法4種成型方法進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，插搗成型法制得的透水混凝土強(qiáng)度較低。振動(dòng)成型法中，透水混凝土的強(qiáng)度隨振動(dòng)時(shí)間呈先增大后減小的變化趨勢，說明振動(dòng)時(shí)間會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度。同時(shí)伴隨振動(dòng)作用，水泥漿體會(huì)不斷向振動(dòng)面流動(dòng)，導(dǎo)致沉漿堵孔。在壓力成型法中，透水混凝土的強(qiáng)度對(duì)成型壓力呈先增大后減小的趨勢。振壓成型法制得的透水混凝土強(qiáng)度較高。也有學(xué)者提出了免振搗成型法，即摻加5%～15%的細(xì)骨料，可以有效提高流動(dòng)性，從而增強(qiáng)透水混凝土的強(qiáng)度。

3 透水混凝土的抗疲勞性研究

透水混凝土被大量應(yīng)用于道路工程，在車輛荷載和溫度的作用下極易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，有必要研究透水混凝土的抗疲勞性能。2004年長安大學(xué)的鄭木蓮等［11］通過室內(nèi)小梁彎拉疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)研究了透水混凝土的抗疲勞性能，得出了透水混凝土疲勞的壽命及等效疲勞壽命均服從雙參數(shù)威布爾分布，并建立了不同失效概率下兩種形式的雙對(duì)數(shù)疲勞方程，同時(shí)利用方程建立了透水混凝土分別作為水泥混凝土路面下面層以及瀝青路面基層時(shí)的疲勞應(yīng)力系數(shù)和彎拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)，用于路面結(jié)構(gòu)計(jì)算。通過對(duì)透水混凝土疲勞壽命變異性影響因素的研究，提出了幾種減小透水混凝土疲勞變異性的措施。2009年，解放軍理工大學(xué)的卓義金等［12］對(duì)比了不同疲勞方程，得出結(jié)論：摻入改性劑可改善混合料的和易性，加強(qiáng)混凝土的疲勞韌性，可以加強(qiáng)界面延性并形成聚合物網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，能夠提高材料在荷載作用下產(chǎn)生裂縫時(shí)的初始荷載強(qiáng)度，并且增強(qiáng)材料的抗變形性能。

4 透水混凝土的抗凍性研究

4.1 破壞機(jī)理

離析成層理論指出，混凝土的凍害破壞主要是由于孔隙水的分層結(jié)冰，冰晶逐漸增大導(dǎo)致形成的冷凍薄層將混凝土剝離破壞。

靜水壓力理論認(rèn)為，混凝土的凍害是由于水結(jié)成冰時(shí)產(chǎn)生了體積膨脹，致使未結(jié)冰的水向外流動(dòng)遷移，故而形成靜水壓力，將混凝土破壞。值得注意的是，該種凍害取決于孔中的含水率，當(dāng)含水率較高時(shí)，破壞會(huì)有兩種可能，分別是未結(jié)冰的水向外遷移形成靜水壓力作用于水泥砂漿發(fā)生破壞，或是結(jié)成冰的水體積膨脹超過了水泥砂漿的變形能力，導(dǎo)致水泥砂漿脹裂。

根據(jù)滲透壓理論，透水混凝土的凍害主要考慮水泥漿體的凍害和集料的凍害兩個(gè)方面。水泥漿體的凍害認(rèn)為，水泥砂漿體系由硬化水泥漿體和大的縫隙、稍小的毛細(xì)孔和更小的凝膠孔組成。混凝土孔溶液中含有鹽類離子，如K，Na等，在溫度較低的情況下，大孔中的部分溶液先結(jié)冰，導(dǎo)致未凍溶液的鹽濃度上升，與其他小孔溶液形成濃度差，致使小孔中的水分子向大孔遷移，大孔中的堿性離子向小孔遷移，形成滲透。由于水分子遷移速率大于堿性離子遷移速率，故而形成滲透壓。當(dāng)孔中溶液呈完全中性，膠凝孔中部分水分子處于過冷狀態(tài)，會(huì)由于其飽和蒸汽壓比同溫度下冰的飽和蒸氣壓高，而向毛細(xì)孔的冰水界面滲透，毛細(xì)孔壓力產(chǎn)生導(dǎo)致毛細(xì)孔中的冰體積進(jìn)一步膨脹。集料的凍害則認(rèn)為當(dāng)溫度降低時(shí)，部分水結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹，未結(jié)冰的水由于空間不足而向外排除，靜水壓力產(chǎn)生。集料所能承受的間距具有臨界性，當(dāng)集料孔隙間距超過其臨界尺寸時(shí)，靜水壓力就會(huì)超過抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致集料被破壞。

4.2 影響透水混凝土抗凍性能的因素

（1）礦渣對(duì)透水混凝土抗凍性的影響。礦渣可以加強(qiáng)透水混凝土的抗凍性，主要是由于其具有以下幾方面的性能：首先，礦渣顆粒具有較大的比表面積，因此吸附性較強(qiáng)，在集料拌合過程中可以有效吸附金屬離子，抑制堿集料的反應(yīng)，增強(qiáng)透水混凝土的耐久性。其次，礦渣可以與水泥顆粒發(fā)生作用，形成級(jí)配密實(shí)，從而降低透水混凝土的孔隙率，使其更加密實(shí)，水泥水化物分布更加均勻，透水混凝土強(qiáng)度得到提升，同時(shí)提高其抗凍性。最后，礦渣可以與水泥發(fā)生二次水化反應(yīng)，降低透水混凝土內(nèi)部Ca（OH）2的濃度，有效提高其耐久性。

（2）硅粉對(duì)透水混凝土抗凍性的影響。由于硅粉中的SiO2可與水泥水化物發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠，一方面使得水化產(chǎn)物粒徑更小，另一方面生成的C-SH凝膠可以與金屬離子吸引，降低透水混凝體的pH，使其難以發(fā)生酸堿反應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)耐久性；同時(shí)，硅粉粒徑較小，可以填充水泥顆粒的孔隙，增強(qiáng)密實(shí)度，減少毛細(xì)水產(chǎn)生的脹縮裂縫，增強(qiáng)耐久性。

（3）乳膠粉對(duì)透水混凝土抗凍性能的影響。VAE乳膠聚合物可以增加透水混凝土的抗凍性，主要是由于其在干燥條件下，會(huì)在水泥表面形成一層膜，這層膜富有一定的彈性，可以有效地將透水混凝土的骨料包裹住，使得外界的水難以通過毛細(xì)孔進(jìn)入透水混凝土內(nèi)部與膠凝體發(fā)生反應(yīng)，降低了內(nèi)部的膨脹，從而增強(qiáng)透水混凝土的抗凍性。

（4）粉煤灰對(duì)透水混凝土抗凍性能的影響。摻入粉煤灰可以生成粉煤灰水泥水化物C-S-H凝膠，極其細(xì)小，可以有效地填充凝膠材料的空隙，增強(qiáng)密實(shí)度，提高抗凍性。

5 結(jié)語

透水混凝土以其透氣、透水和重量輕的特點(diǎn)獲得越來越多的應(yīng)用，在美國和日本等國家已有較成熟的研究成果并被廣泛應(yīng)用于建設(shè)工程中。我國的研究目前仍處于起步階段，特別是對(duì)于透水混凝土性質(zhì)的研究仍然比較匱乏。對(duì)混凝土的抗疲勞性以及抗凍性的研究仍需深入，以保證其更廣泛地應(yīng)用于除南方多雨城市之外的區(qū)域。對(duì)透水混凝土摻合料的研究也需要進(jìn)一步提高，以使其具有較高強(qiáng)度的同時(shí)具有較好的透水性，進(jìn)而推動(dòng)透水混凝土的發(fā)展及應(yīng)用。