海綿城市中透水材料綜述

楊志胡

(廣東省建筑材料研究院有限公司)

1 國(guó)內(nèi)外水資源利用情況

20 世紀(jì)末，西歐就已經(jīng)開(kāi)始重視對(duì)于降雨的利用水平，得益于其的氣候特點(diǎn)與環(huán)境條件，降雨比較干凈，他們?cè)诩扔薪ㄖ幕A(chǔ)上，利用管道將降水引入蓄水池，待需要使用的時(shí)候，再將所收集的降水通過(guò)水泵泵送到房屋各處。

美國(guó)、日本、澳大利亞、以及部分北歐國(guó)家對(duì)水資源的利用起步較早，對(duì)我國(guó)有很大的啟示作用，不過(guò)，城市與城市之間人文氣候的差距大，在借鑒其他國(guó)家成果的時(shí)候切忌生搬硬套，應(yīng)當(dāng)結(jié)合我國(guó)各地區(qū)不同的氣候特點(diǎn)和環(huán)境條件進(jìn)行建設(shè)或是升級(jí)改造工程。我國(guó)國(guó)土遼闊，這也是我國(guó)在海綿城市的升級(jí)和建設(shè)面臨的一大難題之一，城市與城市之間氣候條件差距大，可能存在一個(gè)成功的施工案例再另外一座城市無(wú)法發(fā)揮100%的作用的情況，另外一大難題是建設(shè)工程需要大量的資金，而短期內(nèi)經(jīng)濟(jì)收益較低。

自開(kāi)始提出2012 年“海綿城市”這一概念以來(lái)，材料及建設(shè)技術(shù)研究逐漸深入，伺候，我國(guó)先后分兩次公布共計(jì)30 個(gè)試點(diǎn)城市，目的是解決城建過(guò)程中的水的環(huán)境、生態(tài)以及可能出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前試點(diǎn)的城市中，有六成以上曾發(fā)生內(nèi)澇，這其中不乏多個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的直轄市及省會(huì)城市，對(duì)雨水的治理水平與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不完全匹配。不過(guò)，我國(guó)對(duì)于海綿城市的建設(shè)仍處于初級(jí)階段，仍需要建設(shè)或升級(jí)改造的建設(shè)面積約45 平方公里。

2 應(yīng)用在海綿城市道路建設(shè)中的建筑材料

2.1 透水混凝土

透水混凝土是由石或陶粒等粗集料、水泥、添加劑以及摻和料加水均勻攪拌而制成的一種具有多孔隙結(jié)構(gòu)的剛性材料，由膠凝材料將粗骨料表面包覆、粘結(jié)而形成一種具孔疏松結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)混凝土材料，具有良好的水、氣通過(guò)性。

2.2 透水磚

2.2.1 普通透水磚

將基料混合攪拌、壓制成型、高溫?zé)贫?，一般用于人行步道及廣場(chǎng)路面鋪設(shè)。

2.2.2 高分子纖維混凝土透水磚

花崗巖作為骨料，加入水泥、外加劑及高分子纖維攪拌壓制成型，一般用于市政道路、重點(diǎn)工程、人行道、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)等場(chǎng)地鋪設(shè)，強(qiáng)度高于普通透水磚。

2.2.3 環(huán)氧樹(shù)脂透水磚

改性環(huán)氧樹(shù)脂作為粘結(jié)材料摻以骨料、摻和料等經(jīng)特定加料順序及攪拌工序制成，此產(chǎn)品可作為預(yù)制品提前澆筑到現(xiàn)場(chǎng)直接使用，也可以現(xiàn)場(chǎng)澆筑。具有基面平整、色彩多樣的優(yōu)點(diǎn)。由于造價(jià)較高，主要用于城市景觀和高檔住宅步道的鋪設(shè)。

2.2.4 砂基透水磚

利用破壞水的表面張力的透水原理，不管是成型方式還是水滲透模型都為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。相比傳統(tǒng)混凝土材料的一些弊端，砂基透水磚可以更好地解決其內(nèi)部孔隙易被小顆粒阻塞、多孔隙造成的強(qiáng)度偏低以及透水性強(qiáng)時(shí)保水性差的技術(shù)難題。該材料是以沙漠中常見(jiàn)的風(fēng)積沙為原材料常溫壓制而成的環(huán)保材料，目前已成功運(yùn)用于多項(xiàng)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)工程。

2.2.5 陶瓷透水磚

采用煤渣、廢瓷粒等工業(yè)廢料作為粗骨料，用石、高嶺土、石英、瓷石粉等混合料，通過(guò)高溫形成粘結(jié)作用而制備成的陶瓷透水磚，具有強(qiáng)度高，透水性好的特點(diǎn)。

2.3 透水瀝青

作表層混合料的瀝青具有大孔隙結(jié)構(gòu)，具有良好的水通過(guò)性，可以使積水透過(guò)表面的瀝青透水路面到達(dá)下一層的功能層，將所透過(guò)的雨水貯存?zhèn)溆没蛘吲抛?。透水瀝青材料經(jīng)過(guò)壓實(shí)后空隙率在20%左右，通過(guò)這些連通孔隙結(jié)構(gòu)，其實(shí)質(zhì)為單一粒徑碎石按照嵌擠機(jī)理形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，能夠在瀝青混合料內(nèi)部形成通道。

3 透水材料的現(xiàn)狀

3.1 透水混凝土的研究與發(fā)展

3.1.1 透水混凝土的透水機(jī)理

透水混凝土與傳統(tǒng)混凝土不同，拌和過(guò)程中不摻入人工砂、天然砂等其他細(xì)集料，內(nèi)部存在大量孔隙存在，不具有傳統(tǒng)混凝土的抗?jié)B性能，降水可通過(guò)內(nèi)部孔隙通過(guò)混凝土滲入下層土體或?qū)Я飨到y(tǒng)。

3.1.2 透水混凝土的破壞機(jī)理

混凝土石與石之間的通過(guò)膠凝材料在其界面之間產(chǎn)生粘結(jié)作用，可以對(duì)抗較小應(yīng)力，普通透水混凝土抗壓強(qiáng)度約為30MPa，由于透水混凝土與傳統(tǒng)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異——是否有細(xì)集料摻和，粗骨料之間的縫隙沒(méi)有砂漿等細(xì)集料填充，而是通過(guò)界面膠結(jié)，導(dǎo)致應(yīng)力難以在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生均勻的傳導(dǎo)，而導(dǎo)致應(yīng)力基中在粗骨料的粘結(jié)面之間，當(dāng)應(yīng)力不斷增加時(shí)，粘接面之間開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，當(dāng)應(yīng)力產(chǎn)生粘結(jié)面內(nèi)部裂縫不斷發(fā)展并于透水混凝土本來(lái)的空隙聯(lián)通后，最終導(dǎo)致透水混凝土的破壞。

3.1.3 透水混凝土的強(qiáng)度及透水性能的影響因素

⑴水膠比

不管是傳統(tǒng)混凝土還是透水混凝土，水膠比都是一個(gè)重要的影響因素。

增大透水混凝土的水膠比，其強(qiáng)度為先趨于增強(qiáng)后減小，其孔隙率表現(xiàn)為逐漸趨于減小。水灰比較小時(shí)，水泥漿不能夠均勻地包裹骨料，導(dǎo)致骨料與骨料之間的粘結(jié)面較薄且不均勻?qū)е聫?qiáng)度降低；當(dāng)逐漸增大水灰比后，漿體流動(dòng)性增強(qiáng)，可以更均勻地包裹骨料，在骨料與骨料之間形成適中且均勻的界面，可以更好的抵抗外加應(yīng)力，當(dāng)水灰比過(guò)大，水泥漿流動(dòng)性過(guò)強(qiáng)，附著在骨料上的漿體流失，透水混凝土容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，水泥漿體隨孔隙流淌至透水混凝土底部，導(dǎo)致漿體在底部聚集而上部缺少足夠漿體的情況，造成混凝土整體強(qiáng)度不均勻，從而受力無(wú)法在混凝土內(nèi)部均勻傳遞，最終造成強(qiáng)度降低。

⑵骨料級(jí)配

普通混凝土采用的粗骨料一般為粒徑范圍在5～25mm 碎石及II 區(qū)中砂配制而成，密實(shí)度較好，具有一定的抗?jié)B性能，透水混凝土一般只采用碎石作為粗骨料，粒徑范圍為5～10mm 或5～16mm。由于孔隙的存在，骨料和骨料之間的粘結(jié)面較小，如果骨料粒徑過(guò)大，一方面，會(huì)導(dǎo)致骨料與骨料之間的粘結(jié)面過(guò)少，無(wú)法提供足夠的粘結(jié)力，導(dǎo)致在施加外力的時(shí)，這些有限的粘結(jié)面被破壞之后，就會(huì)造成透水混凝土整體破壞；另一方面，粒徑較大的骨料在成型養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，容易使水泥漿順著大孔隙流淌至模具底部，造成混凝土上部缺少膠凝材料，而導(dǎo)致混凝土整體強(qiáng)度不均，不滿足透水混凝土道路的應(yīng)用要求。所以，在配置透水混凝土?xí)r，一般不采用傳統(tǒng)混凝土采用的5～25mm 粒徑碎石，傾向于采用5～10mm、5～16mm 的碎石配置。

⑶膠凝材料

膠凝材料的性質(zhì)會(huì)影響粗骨料與漿液體之間界面的膠結(jié)程度。一旦水泥強(qiáng)度等級(jí)達(dá)不到要求，骨料與骨料膠合的界面在受到內(nèi)外應(yīng)力時(shí)容易失去膠凝材料的支撐保護(hù)，更容易被破壞，骨料與骨料之間失去粘結(jié)的介質(zhì)，進(jìn)而混凝土整體被破壞，必要時(shí)候，可加入膠粘劑增強(qiáng)骨料之間的粘結(jié)性能，進(jìn)而增強(qiáng)混凝土整體的強(qiáng)度。

⑷孔隙率

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)孔隙率增大，透水混凝土的透水性能增強(qiáng)，骨料與骨料之間的粘結(jié)面減少，抗壓強(qiáng)度減小。

3.2 透水瀝青路面

3.2.1 透水瀝青路面的透水機(jī)理

透水瀝青路面存在大量空隙，水可以在連通的空隙中流動(dòng)，以達(dá)到透水效果。按照連通形式可分為：連續(xù)空隙、閉空隙和半連續(xù)空隙。連續(xù)空隙的空隙之間是相互連通的，水可以在空隙之間有效流動(dòng)，閉空隙是不與其他空隙連通的，孤立的空隙，水無(wú)法進(jìn)入空隙之間有效流動(dòng)，半連續(xù)空隙有一端與其他空隙相連，另一端封閉，在水運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)法進(jìn)行有效流動(dòng)，但水可以排出，具有一定排水效果，透水性能隨孔隙率的增大而增大。

3.2.2 透水瀝青材料性能的影響因素

⑴瀝青

瀝青應(yīng)滿足：①與集料有較好的粘附性；②針入點(diǎn)較小，軟化點(diǎn)較高；③具有較好的抗裂性和低溫性能。瀝青的摻量對(duì)透水瀝青路面材料起到了重要作用，瀝青用量過(guò)大，容易導(dǎo)致析漏；瀝青用量太小，容易出現(xiàn)耐久性能的問(wèn)題。

⑵骨料

研究表明，2.50～5.00mm 粒徑的骨料多少對(duì)空隙率影響較大，該粒徑的骨料用量過(guò)多，空隙率減小，骨料與骨料之間難以形成均勻的骨架結(jié)構(gòu)，影響其透水及力學(xué)性能；用量過(guò)少，空隙率過(guò)大，粗骨料之間沒(méi)有得到較好的漿體包裹，同樣會(huì)影響力學(xué)性能。為提高集料與瀝青的粘附性，可加入外加劑和纖維進(jìn)行增強(qiáng)。

4 總結(jié)

海綿城市雨水綜合利用將會(huì)是我國(guó)可持續(xù)性發(fā)展的重要一環(huán)，城市道路作為其中的最重要的環(huán)節(jié)，其材料選用及原材料的選擇都是決定透水材料最終應(yīng)用性能的因素。本文對(duì)透水混凝土及透水瀝青中原材料對(duì)其性能影響的進(jìn)行綜述。