透水性混凝土的發(fā)展與應用

馮佳寧，常新玉，洪文亞，隋林峰，王建新

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 前 言

近年來，隨著綠色、協(xié)調(diào)的新發(fā)展理念融入到當今時代的社會發(fā)展中，我國對城市的建筑建設也更得加重視，對城市的建設提出了更高、更實用的要求，城市的建設要迅速適應環(huán)境的變化并且能夠通過調(diào)整自身狀態(tài)來應對城市內(nèi)澇問題。同時，近年來，新疆雨水增多，地表被不透水路面覆蓋，給人們的生產(chǎn)生活也帶來了一系列的問題，如：①阻礙雨水下滲；②對城市排水系統(tǒng)造成極大壓力且影響生態(tài)系統(tǒng)。透水性混凝土具有非常多的優(yōu)點，因而透水性混凝土在城市建設中逐漸得到廣泛應用。透水性混凝土(其結構如圖1所示)又稱無砂混凝土、多孔混凝土、透水地坪。透水性混凝土骨料是一種采用改性水泥、水、透水劑和混凝土專用增強粘結劑(透水膠結混合材料)進行摻雜搭配高強度質(zhì)量的同等長粒徑或與大間斷透水級別相配合的骨料所混合組成的,并使其具有一定程度空隙透水率的一種混合材料。因而能夠很好地解決城市內(nèi)澇問題。

(a)步行道 (b)車行道圖1 透水性混凝土的結構示意圖

1 透水混凝土的特性及原材料設計

1.1 透水性混凝土的特性

透水性混凝土是由粗骨料、高標號混凝土、水和外加劑等配制而成的混凝土，可作為一種新型環(huán)保的地面材料。透水性混凝土與傳統(tǒng)混凝土不同的是以單一級配粗骨料為主體，其粘結劑的主要成分是水泥凈砂漿或少量的細骨料砂漿，且粘結劑一方面要對粗骨料有保護作用，另一方面要在不堵塞骨料間空隙的情況下保證骨料間粘結強度。因此，透水性混凝土在一定透水率下滲透系數(shù)多為2～5.4 mm/s，透水能力較傳統(tǒng)混凝土強，且抗壓強度一般在3.5～28 MPa[1]。

由于透水性混凝土具有疏松多孔的特點，所以內(nèi)部有大量的空隙。半聯(lián)通或聯(lián)通的孔隙形成通道讓雨水或積水滲入進而深入地下，而未聯(lián)通的孔隙則作為可利用的儲蓄空間。此外，將其作為路面材料時，既能擴大路面透水透氣面積，還可以吸聲降噪，同時可以緩解城市排水系統(tǒng)的壓力。因此，不僅提高人類生活的安全性和舒適性，而且有利于生態(tài)系統(tǒng)平衡。

1.2 選用原材料

1)水泥。由于骨料透水顆?；炷梁苌贂褂玫交蛏踔敛挥眉毠橇?可以將其僅僅看作粗骨料透水顆粒與多層水泥大理石膠粒粘結而成所形成的多孔多層堆積墻體結構。透水性好的混凝土材料要盡量采用整體強度要求較高、混合材料中水摻量較少的硅酸鹽復合水泥或普通硅酸鹽復合水泥,水泥整體強度綜合等級最好在P·O32.5以上。

2)骨料。骨料有的可以直接采用普通水泥砂、碎石,也有的可以直接采用水泥浮石、陶粒等輕質(zhì)的骨料,甚至可用于廢棄廢舊建筑物的水泥碎磚、廢棄鋼筋混凝土等。

3)外加劑。添加使用一定量的高效增強減水劑,有助于有效提高建筑水泥砂漿與混凝骨料的強度;同時添加高效減水劑,有助于有效改善水泥混凝土成型時的和易性并有效提高施工強度;冬季施工時期還可酌情考慮采用硝基硫酸鈉、氯化鈣等作為早強劑,以利于加速水泥混凝土的硬化。

2 透水性混凝土存在的問題

2.1 強度問題

1)原材料的影響。水泥的強度決定了透水性混凝土的強度，由高強度的水泥制備而成的透水性混凝土，隨著時間的變化，水泥的內(nèi)部結構也發(fā)生了巨大的變化，最終導致透水性混凝土的強度也隨之發(fā)生了改變 。骨料是透水性混凝土中起骨架和支撐作用的材料，粗骨料的品種對透水性混凝土的強度也會有影響，骨料主要由碎石構成，由于其表面不規(guī)則，進行攪拌時，碎石與碎石之間的相互摩擦可以增加透水性混凝土結構的穩(wěn)定性。所以在配制透水性混凝土時多選用形狀不規(guī)則的碎石，而不是表面光滑的卵石，從而增加透水性混凝土的強度。同時張巨松等[2]研究得出粗集料存在著最佳級配, 當采用 5 ～ 10 mm 集料和 5 ～ 25 mm 集料質(zhì)量比為 1∶1 混合時,空隙率最低 。此外，透水性混凝土的強度還與砂率有關，其強度隨砂率的增加而增大,保證其透水能力的同時,砂率為 20 %時, 強度可達到 30 MPa 以上, 透水系數(shù)不低于 5 mm/s 。董星海等[3]的研究表明透水性混凝土的抗壓強隨透水性混凝土空隙率的增加而下降。對用于鋪面材料的透水性混凝土，一般要求其抗壓強度大于 20 MPa，因此空隙率不能大于 23% 。

2)配合比參數(shù)的影響。水灰比對透水性混凝土的強度產(chǎn)生一定的影響?？梢詮膹埑x等[4]的研究中得出透水性混凝土的強度隨著水灰比的增加出現(xiàn)先增加后降低的結論, 水泥與水之間的比例應當適中，適中的比例可以使混凝土硬化之后的結構更加穩(wěn)定，所以要根據(jù)實際情況來配制水泥和水的比例。

2.2 透水性與堵塞問題

劉瑞菊等[5]研究表明，透水性混凝土孔隙的堵塞問題，都是先由較大粒徑的顆粒在孔隙中發(fā)生堵塞，然后一級一級的粒徑顆粒通過其縫隙向下沉降，最終阻礙了開口孔隙中的通道，導致透水性混凝土的滲透性不斷降低。透水性混凝土的透水速率還與水灰比有關，其透水性隨著水灰比的增大而降低。水灰比增大，相應的水泥摻量隨之減少，自由水含量增大，透水性混凝土孔隙率越大，透水性增大。

3 透水性混凝土的透水性能及耐久性

3.1 透水性能的研究

透水性混凝土作為一種新型的路面材料最大的特點就是具有透水性能。而混凝土的孔隙結構直接決定了其透水性能，影響透水性混凝土抗壓強度的主要因素也是其內(nèi)部的孔隙。因此，制備良好的透水混凝土需要控制孔隙結構的基本參數(shù)，即孔隙率。

Gong P等[6]研究表明，加入不同替代水泥(0, 10%, 15%, 20%)的粉煤灰，提高透水混凝土抗壓強度的效果也不同。在合理范圍內(nèi)，摻加的粉煤灰量越多，可以改善凝膠的化學組成，水化后期，粉煤灰與Ca(OH)2再次反應的產(chǎn)物可以填充一些不利于混凝土的孔隙空洞從而來改善透水性混凝土的孔隙結構，同時還可以提高透水性混凝土的質(zhì)量。

骨料對透水性混凝土的透水性及抗壓強度均有一定的影響。原因是透水混凝土中的膠結層較薄，骨料的粒徑大小直接影響骨料間的接觸點，因此一般情況下，可以在合理范圍內(nèi)適當降低骨料的粒徑來增加透水性混凝土的孔隙率。李秋實等[7]研究表明摻加RCA透水性混凝土的總孔隙率和透水性都將增加，且在23%～28%的總孔隙率范圍內(nèi)，透水性混凝土的透水系數(shù)呈線性增加。

3.2 耐久性的研究

凍融破壞是寒冷地區(qū)混凝土結構耐久性遭到破壞的主要原因之一，混凝土由于孔隙中的水結冰體積膨脹開裂，雖然采用合適的配合比而制成的透水性混凝土的耐久性可以相比有所提高, 但其抗凍融循環(huán)能力還是較差, 并不適合寒冷地區(qū)使用。尹志剛等[8]通過對再生骨料透水性混凝土開展的凍融試驗，得出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，在不同凍融介質(zhì)的作用下，再生骨料透水混凝都會發(fā)生凍融破壞，而且在氯鹽環(huán)境下更易引起再生骨料透水性混凝土的凍融破壞。透水性混凝土內(nèi)部連通孔隙和骨料間的粘結能力較弱是造成透水性混凝土抗凍性能較差的主要因素。同時透水性混凝土的抗凍性能與其目標孔隙率、水灰比有關系。當目標孔隙率為 15% 且水灰比為 0.35 時，再生骨料無砂透水性混凝土的綜合性能最好，其透水性能和抗凍性能得到滿足。

4 透水性混凝土的研究現(xiàn)狀及其應用前景

4.1 國際研究現(xiàn)狀

透水混凝土在歐美等發(fā)達國家發(fā)展較早。對于美國在20世紀70～80年代便開始研究和應用，如1987年美國佛羅里達州、南卡羅納州、北卡羅納州和其他降雨量少的地區(qū)都是將無砂多孔透水混凝土應用在停車場路面、輕量級車道路面上及市中心街道路面中 。此外，在1991年成立的透水性波特蘭水泥混凝土協(xié)會為透水性混凝土的研究提供了更大的便利。對于日本，雖在20世紀70年代后期發(fā)展平平，但進入了20世紀90年代，日本對透水混凝土研究愈發(fā)深入，不僅研究了一些常規(guī)內(nèi)容，而且創(chuàng)新地將解析法應用于透水混凝土的研究，讓理論研究內(nèi)容上升到了一個新的臺階。除此之外，日本還將透水混凝土與改善生態(tài)環(huán)境相結合，進一步充實了透水混凝土內(nèi)容的研究。德國從20世紀80年代起就有讓透水混凝土大部分應用到其城市路面的想法，如今德國南部弗萊堡能成為有名的生態(tài)城市，正是因為這種透水混凝土起到了關鍵性作用，不僅使居民得到便利，而且使環(huán)境舒適了許多，成功樹立了一個典范。

4.2 透水性混凝土的優(yōu)點

1)在城市地區(qū)的降雨期間，通過分散雨水的流向，減小城市排水管道的工作負荷并有效避免局部區(qū)域的積水，這對于人口眾多、交通和地形狀況復雜的大都市具有重要意義。

2)雨水通過透水混凝土向基層和土壤中滲透，可補充所在地區(qū)的地下水位，具有環(huán)境保護和調(diào)節(jié)水資源可持續(xù)發(fā)展的作用。

3)降雨過程中流入至透水混凝土基層和土壤中的水分，在晴天的時候可以部分蒸發(fā)出來，會降低城市的熱島效應。

4.3 透水性混凝土的應用前景

根據(jù)透水混凝土的特點及分析，將透水混凝土用于烏魯木齊市區(qū)內(nèi)的非機動車道、人行道(如圖2所示)、停車場、公園改造、新建公園綠地等。其作用方式是將其表面的水分通過自身和基層原地滲透或就近滲透至土壤中，從而維護局部地區(qū)的地下水位、凈化水質(zhì)、減小城市排水系統(tǒng)的排水負荷和低洼地區(qū)的雨水聚集。

圖2 透水性混凝土路面

例如，當降雨發(fā)生時，初期雨水會自然滲入至透水混凝土路面上面層孔隙中，當降雨量小于孔隙率時，雨水會蓄積在透水面層和透水基層中;當降雨量超出其總孔隙率時，透水路面就會產(chǎn)生地表徑流，雨水匯入雨水口，進入雨水管網(wǎng)排走。透水混凝土路面透水和蓄水能力的決定因素是透水面層和基層的孔隙率。透水混凝土并不能使雨水像自然狀態(tài)下一樣滲入土壤里，而是存儲在透水面層和透水基層中，其存水能力是有限的，在一定程度上能夠減輕不透水路面帶來的負面危害。公園中的透水性混凝土路面(如圖3所示)，配合下沉式綠地效果更佳，透水性混凝土路面鋪設可以配合BIM技術應用于工程設計。

圖3 公園中的透水性混凝土

5 結 語

1)在適宜范圍內(nèi)加入粉煤灰的用量越多，其抗壓強度提高的越大。

2)水灰比越大，其透水速率越快，但水灰比也應在適宜范圍內(nèi)，否則將影響透水性混凝土的強度。

3)因透水性混凝土的優(yōu)點(如環(huán)保、可持續(xù)等)，其在我國諸多一線城市已經(jīng)開始投入建設。當下，我國經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)步增長，在國際上發(fā)揮著越來越重要的作用，隨著“綠水青山就是金山銀山”發(fā)展理念的提出，我國越來越注重生態(tài)環(huán)保問題，而透水性混凝土具有徑流調(diào)蓄、吸聲降噪、美化城市建設等優(yōu)點，同時其在海綿城市的建設中扮演著重要的角色，這將加快生態(tài)環(huán)保理念的實現(xiàn)。如果透水性混凝土進一步開發(fā)研究，存在的問題能被進一步解決，那么其作為一種新型的建筑材料，必將受到更加廣泛的應用。

[ID:010126]