透水混凝土性能及其在市政基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用評(píng)述

李 磊 李金守 王亞軍

（1.張掖市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局，甘肅 張掖 734000；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

透水混凝土（Pervious Concrete）是指在制作過(guò)程中去除細(xì)骨料，主要由大顆粒骨料、水泥、外加劑以及水混合制作而成的一種多孔混凝土，故而也被稱(chēng)之為過(guò)濾混凝土。隨著我國(guó)海綿城市建設(shè)腳步的不斷加快，透水混凝土在基礎(chǔ)建設(shè)中的應(yīng)用越來(lái)越受到廣大群眾的歡迎，主要集中在四個(gè)方面的用途：（1）透水混凝土道路及裝飾 以透水混凝土作為材料修建道路時(shí)，因其可配比的色彩優(yōu)化，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)自己的想法依據(jù)不同的環(huán)境和氣候條件創(chuàng)造出極具特色的裝飾風(fēng)格，這將有助于增加城市的市貌特征。此外，當(dāng)遇到暴雨的時(shí)候這種路面可以將雨水迅速滲透到地表以下，不僅降低了發(fā)生城市內(nèi)澇、阻斷行人的風(fēng)險(xiǎn)而且滲透的水可以作為地下水的補(bǔ)水，有助于地下微生物的生存，同時(shí)可以吸收地面熱量，消除城市熱島效應(yīng)。（2）保證水、土和生物之間的物質(zhì)循壞和能量流動(dòng) 以透水混凝土代替原有的普通混凝土作為城市道路的中央隔離帶、河道護(hù)坡、濕地公園等地的時(shí)候，可有效連接起水生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)，從而保證了各種生態(tài)系統(tǒng)和水陸交錯(cuò)帶植物的生存條件，而且透水混凝土因其孔隙率有利于植物的生長(zhǎng)，在工程中的使用可以增加城市道路和河道兩側(cè)的綠色空間，以達(dá)到改善自然生態(tài)環(huán)境、與自然和諧共生的目的。（3）減少噪音效果 透水混凝土具有其特有的連續(xù)、多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及較大的比表面積，因而透水混凝土可以將一部分聲波反射或通過(guò)連續(xù)的孔隙吸收，而大部分聲波在接觸到混凝土內(nèi)部后向外傳播，在此期間，與入射的聲波形成干涉而相互抵消，從而達(dá)到減少噪聲的效果。（4）水質(zhì)凈化 透水混凝土因其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)，能夠有效截留水中的懸浮雜質(zhì)和微生物，降低水流濁度、提高水質(zhì)，同時(shí)孔隙部分可以作為水生生物產(chǎn)卵、棲息的場(chǎng)所，從而有利于增加水域中的生物多樣性，而這些經(jīng)過(guò)繁殖產(chǎn)生的水生生物，尤其是浮游動(dòng)物又可以吞噬、濾食SS 和藻類(lèi)，進(jìn)一步去除有機(jī)污染物和藻類(lèi)，凈化水質(zhì)，防止水藻的爆發(fā)，提高了自我凈化及自我恢復(fù)能力、減輕了水體污染現(xiàn)狀。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

透水混凝土在國(guó)外的研究及應(yīng)用起步較早，據(jù)文獻(xiàn)記載[1]，早在100 多年以前，英國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始使用，在十九世紀(jì)中期的某項(xiàng)工程中由于缺少細(xì)骨料，人們就已經(jīng)開(kāi)始探究不加細(xì)骨料的混凝土配合比設(shè)計(jì)，從而研發(fā)出不含細(xì)骨料的新型混凝土，即透水混凝土的初級(jí)形態(tài)。工程完工后在后期的使用中發(fā)現(xiàn)該種形態(tài)的混凝土有利于排除地面雨水及其他眾多優(yōu)點(diǎn)，因此這種材料在歐美等國(guó)家迅速引起了研究熱潮。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究及應(yīng)用，20世紀(jì)70年代英國(guó)率先研究出了新型的多孔透水混凝土，其表現(xiàn)出了優(yōu)良的使用效果，經(jīng)歷十年使用后因受到凍融作用而被破壞[2]。在美國(guó)，上世紀(jì)中葉時(shí)期為了改善公路及機(jī)場(chǎng)跑道的透水能力和安全性，人們開(kāi)始將透水混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程，20世紀(jì)70年代末，在美國(guó)佛羅里達(dá)州的薩拉索塔教堂附近首次使用不含細(xì)骨料的透水混凝土作為材料建成了停車(chē)場(chǎng)，20世紀(jì)80年代美國(guó)初次設(shè)立了透水混凝土攪拌站，此后透水混凝土在美國(guó)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。并于1991年成立了“透水性波特蘭水泥混凝土協(xié)會(huì)”，為透水混凝土的發(fā)展和研究提供了建議及技術(shù)指導(dǎo)，推動(dòng)了其在美國(guó)的發(fā)展[3]。在日本，透水混凝土起步于20世紀(jì)70年代后期，至1987年開(kāi)始已有日本研究者申請(qǐng)多孔混凝土方面的專(zhuān)利，1990年開(kāi)始日本研究者就將多孔混凝土作為基本骨架，在其表面嘗試種植植物，應(yīng)用到道路邊坡、河道護(hù)坡等工程中。21世紀(jì)初，日本發(fā)布了植生型多孔混凝土河川護(hù)岸工法，并通過(guò)以此工法來(lái)推進(jìn)植生型多孔混凝土的應(yīng)用進(jìn)程[3]。相比于其他歐美國(guó)家，德國(guó)對(duì)于透水混凝土的研究起步較晚，但其發(fā)展速度最快，在上世紀(jì)80年代就將修建透水路面和改造不透水路面作為國(guó)家政策在全國(guó)范圍內(nèi)推廣，目前已走在世界前列。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

以初始研究而言，國(guó)內(nèi)對(duì)于透水混凝土的研究與應(yīng)用起步較晚，但是發(fā)展速度較快，1993年，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院對(duì)透水混凝土與透水性混凝土路面磚開(kāi)展了研究，并于20世紀(jì)九十年代中期將研究成果應(yīng)用到實(shí)際工程中。從2005年開(kāi)始在城市基礎(chǔ)建設(shè)中極力推廣透水混凝土材料的使用，但由于有關(guān)透水混凝土方面的實(shí)際研究成果較少，所以在工程中并未得到廣泛應(yīng)用。

綜合以上所述，透水混凝土的研究在國(guó)內(nèi)還屬于新領(lǐng)域，而且研究的配合比因素變量單一、水平變量因素也較少，透水混凝土的性能受到多方面因素的影響，因此研究透水混凝土的性能需要綜合考慮多種因素，從而得到適用于不同條件下的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。

2 透水混凝土的制備

2.1 配合比的設(shè)計(jì)

目前，透水混凝土配合比設(shè)計(jì)的科學(xué)研究比較多，其中應(yīng)用較多的方法主要有三種，分別為：體積法、質(zhì)量法和表面積法。

以上所述中應(yīng)用較多的是體積法，主要以混凝土孔隙率為控制指標(biāo)，首先通過(guò)目標(biāo)孔隙率計(jì)算出所需膠結(jié)漿體體積，然后按照水膠比與膠凝材料的密度計(jì)算出各膠凝材料的所需量；集料用量則可通過(guò)測(cè)定其表觀密度計(jì)算獲得。體積法將1 立方米透水混凝土的重量以骨料、水泥量和用水量總和估計(jì)，其值在規(guī)定的范圍內(nèi)即可，該計(jì)算方法因操作簡(jiǎn)單、內(nèi)容直觀而被廣泛使用，但實(shí)測(cè)孔隙率與設(shè)定孔隙率有一定差距[4]。

2.2 透水混凝土成型方法

2.2.1 平板振動(dòng)法

該方法是將已有模板平鋪在攪拌好的混凝土拌合物上，利用平板振動(dòng)器對(duì)模板進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)，這種成型方法做出來(lái)的混凝土表面平整，孔隙分布均勻。缺點(diǎn)是由于采用模板拼接，施工縫較多，模板重復(fù)利用次數(shù)少，經(jīng)濟(jì)成本高，因而此種方法適合小面積施工和透水混凝土的修補(bǔ)，使用過(guò)程中為防止混凝土因?yàn)檫^(guò)于密實(shí)而造成孔隙率的減少和水泥漿沉積在底部影響透水效果，應(yīng)避免使用高頻振搗器。

2.2.2 機(jī)械法

該方法是為了提高施工機(jī)械化和施工速度從而使用機(jī)器進(jìn)行制作的一種方法，常用帶有振動(dòng)的小型壓路機(jī)等機(jī)器進(jìn)行振動(dòng)加壓成型，這種方法最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以有效提高施工進(jìn)度和節(jié)省人力，但是拼接處難以處理且平整度較差；另一種方法是將壓路機(jī)與橡膠板聯(lián)合使用，但這種方法對(duì)機(jī)械要求較高且平整度相對(duì)較差，所以該方法適合于大規(guī)模的施工或勞動(dòng)力缺乏且對(duì)平整度要求相對(duì)較低的工程施工。

2.2.3 低頻振動(dòng)壓實(shí)法

該方法主要是利用低頻振動(dòng)輥壓機(jī)進(jìn)行透水混凝土的制作，主要通過(guò)輥壓機(jī)的滾筒旋轉(zhuǎn)，達(dá)到刮平混凝土目的的同時(shí)進(jìn)行碾壓，實(shí)現(xiàn)其低頻振動(dòng)壓實(shí)效果。其特點(diǎn)是組裝簡(jiǎn)單、操作靈活，滾筒可按不同使用條件調(diào)節(jié)長(zhǎng)度和輸入功率，如果利用專(zhuān)用的壓實(shí)機(jī)制作，在其過(guò)程中需要人工修補(bǔ)和找平操作，這種技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要適合于大面積透水混凝土的施工。

2.2.4 插搗成型法

該方法是利用模具進(jìn)行透水混凝土試塊的制作，其過(guò)程為將混凝土拌合物分批次裝入混凝土模具中，然后利用插搗工具將混凝土拌合物在模具中均勻插搗，最后將成型面制作至平整并用抹刀將成型面抹平。這種方法制作的試塊具有規(guī)則的形狀結(jié)構(gòu)，但在制作透水混凝土之前需要定制相應(yīng)的模具，繼而引起的成本較高，所以該方法適用于小型設(shè)計(jì)中或?qū)嶒?yàn)室研究中。

3 透水混凝土的性能特征

3.1 透水機(jī)理

透水混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)是展現(xiàn)其特有性能的決定性因素，其孔隙按照透水性能可分為三種：連通孔隙、半連通孔隙（“布袋型”孔隙）和封閉孔隙[5]。連通孔隙是指混凝土內(nèi)部的孔隙間相互連通且兩端與外界相連。其整體貫穿的結(jié)構(gòu)可使水流順利通過(guò)，不會(huì)造成蓄水、堵塞等現(xiàn)象，因而從透水混凝土的透水性能和排水效果來(lái)看，連通孔隙對(duì)其透水功能起到至關(guān)重要的作用；半連通孔隙是指孔隙一端封閉，另一端與連通孔隙相連或與外界相通，故而也被稱(chēng)為“布袋型”孔隙，這種孔隙功能與蓄水池相似，當(dāng)?shù)孛嫠髁枯^大時(shí)它可以把地面的水暫時(shí)存入其中，等到路面干燥后又會(huì)被排出，有效降低了遭遇暴雨時(shí)發(fā)生內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)透水混凝土的透水功能也起到了一定的作用；封閉孔隙是指存在于試件內(nèi)部且不與外界連通，其不僅對(duì)透水混凝土的透水能力沒(méi)有幫助，還會(huì)減少透水混凝土的強(qiáng)度。

綜合以上所述，透水混凝土的有效孔隙為連通孔隙和半連通孔隙，為保證透水混凝土的工程實(shí)用效果，在制作透水混凝土?xí)r應(yīng)盡量形成多的連通孔隙和半連通孔隙，而減少和避免形成封閉孔隙。

3.2 抗拉及抗壓性能

透水混凝土因其組成材料，具有特有的孔隙結(jié)構(gòu)，所以相比于密實(shí)混凝土其抗拉和抗壓強(qiáng)度皆有所下降，但作為路面層其抗壓強(qiáng)度也需要達(dá)到一定的強(qiáng)度，其中能夠保證透水混凝土強(qiáng)度的因素主要有三種，分別為骨料本身的強(qiáng)度、膠凝材料的強(qiáng)度及膠結(jié)層界面的強(qiáng)度。以上三種因素中骨料本身的強(qiáng)度起決定性的作用，而膠結(jié)層將骨料粘結(jié)在一起也可保證其一定的強(qiáng)度，但由于透水混凝土內(nèi)部有較多的孔隙存在，所以強(qiáng)度會(huì)有所降低。

3.3 抗凍融性能

混凝土的凍融破壞現(xiàn)象是一直以來(lái)阻礙其在寒冷地區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵因素，而透水混凝土因其獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在寒冷地區(qū)的使用更是少見(jiàn)，其凍融破壞現(xiàn)象中孔隙的變化有兩種：一是原有孔隙變大，擴(kuò)展成為較大的孔隙；另一種是在透水混凝土表面出現(xiàn)新的孔隙或裂紋，進(jìn)而發(fā)展成為第一種形式[6]。透水混凝土凍脹破壞的主要因素為在氣溫較低時(shí)，孔隙內(nèi)部的水凝固后體積發(fā)生膨脹所導(dǎo)致。在雨雪天氣時(shí)其內(nèi)部會(huì)集聚較多水分，表層孔隙水首先凍結(jié)使得體積膨脹，發(fā)生凍脹時(shí)較普通密實(shí)混凝土更易、更嚴(yán)重受到破壞；其余孔隙水受到擠壓，在粘滯力作用下沿混凝土表層法向形成一定的水力梯度，凍結(jié)走勢(shì)向混凝土內(nèi)部移動(dòng)，在混凝土內(nèi)部形成一個(gè)封閉的空間，導(dǎo)致封閉空間內(nèi)部的氣體無(wú)法正常排出，從而產(chǎn)生一定的氣壓，使得透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)承受不住壓力而開(kāi)裂。結(jié)合以上分析，為保證透水混凝土的工程實(shí)用性和透水性能，在嚴(yán)寒地區(qū)的使用要確保其抗凍性。

透水混凝土的抗凍融性能測(cè)試方法較多，傳統(tǒng)的一般采用凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度下降檢測(cè)，但這種方法所需要的混凝土試件較多，而且經(jīng)過(guò)凍融后的試塊可能會(huì)存在表面脫落現(xiàn)象，在進(jìn)行抗壓檢測(cè)時(shí)需要重新將試件表面抹平修復(fù)，不僅增加了成本和人力而且測(cè)得的誤差較大，因此以相對(duì)彈性模量和質(zhì)量的變化作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越受到更多人的關(guān)注，該方法不僅有效減少了所需的試件數(shù)量而且保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

4 影響因素

4.1 骨料粒徑的影響

由于透水混凝土獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，骨料的粒徑、種類(lèi)及形狀都對(duì)其性能有一定的影響，隨著骨料粒徑的增大，堆積孔隙率增大，因而在水灰比相同的條件下所制作的透水混凝土孔隙率也越大，進(jìn)而導(dǎo)致透水混凝土用以形成強(qiáng)度的水泥漿體膠結(jié)點(diǎn)減少，引起抗壓強(qiáng)度減?。煌杆炷恋耐杆禂?shù)跟骨料粒徑大小呈正相關(guān)變化，在一定條件下就透水系數(shù)而言連續(xù)級(jí)配的多孔混凝土表現(xiàn)出的透水系數(shù)比單一顆粒集料的明顯要低，即選擇單一顆粒集料制作的多孔混凝土能表現(xiàn)出極佳透水性效果。結(jié)合以上分析，骨料粒徑是保證其透水性和強(qiáng)度的重要條件，所以在實(shí)際的應(yīng)用中為達(dá)到目標(biāo)要求，選用骨料時(shí)必須要考慮到各種因素之間的平衡關(guān)系。

4.2 孔隙率的影響

孔隙率是保證透水混凝土透水性能的關(guān)鍵因素，隨著孔隙率的增大會(huì)使骨料間的接觸點(diǎn)面積變小，即連通孔隙相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致透水系數(shù)變大，但會(huì)使透水混凝土中的膠凝材料有所減少，這將會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，就其整體而言即便擁有較高的透水性能仍無(wú)法運(yùn)用到實(shí)際工程中，然而，若是減少其孔隙率一方面減弱或失去了透水混凝土的功能，另一方面由于增加了水泥漿體，過(guò)多的水泥漿體必然會(huì)相互粘結(jié)堵塞孔隙，進(jìn)而出現(xiàn)前者所述的弊端。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中需要依據(jù)不同的條件整體分析其性能，確?？紫堵逝c力學(xué)性能間的相互平衡。

4.3 水膠比的影響

水膠比對(duì)于透水混凝土的透水性能具有重要意義，若水膠比設(shè)計(jì)的過(guò)小，制作過(guò)程中所產(chǎn)生的漿體易凝固，難以均勻攪拌，導(dǎo)致無(wú)法順利包裹住粗骨料，骨料間的孔隙較多，減弱了其力學(xué)性能而且無(wú)法與水結(jié)合的膠凝材料會(huì)相互膠結(jié)，堵塞孔隙，失去其本來(lái)的意義；若水膠比設(shè)計(jì)的過(guò)高，水泥漿體的流動(dòng)性將會(huì)增加，導(dǎo)致在制作試塊時(shí)漿體容易從骨料間的孔隙流到底部沉積，難以形成優(yōu)質(zhì)試塊且影響其抗壓強(qiáng)度，不利于透水混凝土的整體性能。

5 透水混凝土的應(yīng)用案例

本課題組設(shè)計(jì)一種改善河道傳統(tǒng)護(hù)坡的鑲嵌式生態(tài)護(hù)坡并申請(qǐng)專(zhuān)利，護(hù)坡自下而上主要由不透水混凝土層、透水混凝土層以及土壤層三部分組成，不透水混凝土層與傳統(tǒng)護(hù)坡相似，在的透水混凝土層中有大小不一的孔隙結(jié)構(gòu)，在的土壤層周?chē)杂赏杆畬踊炷林瞥桑寥纼?nèi)種植植物，植物通過(guò)生根發(fā)芽，根系穿過(guò)土壤層延伸進(jìn)透水混凝土層并與之成為一體。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)不僅具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，耐水力沖刷強(qiáng)，而且有利于植物生長(zhǎng)，水生動(dòng)物的繁殖，以及能有效防止點(diǎn)源污染和地面污染水源通過(guò)河道周?chē)o(hù)坡滲入到水體中，固土保水能力強(qiáng)，對(duì)水質(zhì)有一定的天然凈化作用。詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 為鑲嵌式生態(tài)護(hù)坡適用示意圖

6 總結(jié)

綜上所述，透水混凝土因其獨(dú)有的性能特征在工程中使用越來(lái)越廣泛，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素較多，所以在使用過(guò)程中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的地理和氣象條件，在確保施工質(zhì)量和透水混凝土孔隙率的同時(shí)提高其透水功能和力學(xué)性能。