透水混凝土在沿海海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用研究

【摘要】海綿城市建設(shè)可以減少城市內(nèi)澇災(zāi)害以及緩解“熱島效應(yīng)”的影響，起到透水、排水和蓄水的作用。透水混凝土是海綿城市建設(shè)的重要材料，但由于強(qiáng)度、透水率、耐久性以及各種因素的影響，其應(yīng)用受到很大限制。文章研究了透水混凝土在沿海城市的應(yīng)用和影響因素，通過設(shè)計(jì)C20透水混凝土的配合比，證實(shí)了透水混凝土的強(qiáng)度及孔隙率和配合比密切相關(guān)。最后指出透水混凝土在沿海海綿城市建設(shè)中所面臨的問題和挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】海綿城市；透水混凝土；沿海環(huán)境；侵蝕作用

【中圖分類號(hào)】TU992 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）08-0034-03

0 引言

近年來，各大城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)，城市熱島和雨島效應(yīng)不斷加劇，這些問題和城市化進(jìn)程密切相關(guān)。其中，積水、內(nèi)澇、大量不透水的鋪裝和道路修建相關(guān)。在這樣的背景下，海綿城市成為當(dāng)下各大城市的建設(shè)指標(biāo)之一。海綿城市是一種新型的雨洪管理理念，其采用模擬自然生態(tài)系統(tǒng)的方法對(duì)雨水進(jìn)行吸納、滲透、凈化，進(jìn)而有效地減少地表徑流，是以防洪防澇為目的的城市建設(shè)模式[1]。透水混凝土因其具有透氣透水的特點(diǎn)，成為海綿城市建設(shè)的重要材料。

透水混凝土是由膠凝材料（水泥、瀝青等）、骨料（石子、再生骨料等）、礦物摻合料（粉煤灰等）、水和外加劑（高效減水劑等）等配制而成的一種多孔材料。透水混凝土具有收集雨水、滲透補(bǔ)充地下水、保持地下水資源平衡、降低噪聲和吸收熱量緩解“熱島效應(yīng)”的作用[2]。然而，透水混凝土由于孔隙率增大導(dǎo)致其抗壓、抗裂強(qiáng)度降低，因此應(yīng)用受到限制，當(dāng)下主要適用于小區(qū)、公園步行道路、廣場、綠化帶和輕荷載車道等[3]。對(duì)于海洋地區(qū)，透水混凝土還可應(yīng)用于海洋工程項(xiàng)目，包括圍海工程、海港工程和海岸防護(hù)工程[4]。另外，利用貝殼垃圾可以做成透水植生混凝土，可用于植生護(hù)坡、屋頂花園等植生工程[5]。然而，研究表明，沿海地區(qū)的水、土壤和空氣中所含的氯離子和硫酸根離子等對(duì)透水混凝土有嚴(yán)重的侵蝕作用，進(jìn)而影響透水混凝土的抗壓、抗裂強(qiáng)度、抗凍性和耐久性等[6-8]。這些因素阻礙了透水混凝土在沿海地區(qū)的應(yīng)用。在沿海復(fù)雜的環(huán)境下，透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)規(guī)范和施工技術(shù)規(guī)程方面至今還沒有相關(guān)報(bào)道。文章以廣西北海市為研究背景，探討透水混凝土在沿海海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用和影響因素，設(shè)計(jì)適合本地區(qū)使用的透水混凝土配合比，指出當(dāng)下透水混凝土在沿海海綿城市應(yīng)用中存在的問題和挑戰(zhàn)。

1 海綿城市建設(shè)在廣西北海的推進(jìn)

2014—2015年，國家相繼印發(fā)了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》和《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》，對(duì)全國各大城市提出海綿城市建設(shè)的要求。廣西北海市積極推進(jìn)海綿城市建設(shè)，2017年制定了《北海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局關(guān)于推進(jìn)城市海綿化建設(shè)進(jìn)程的指導(dǎo)意見》《北海市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》及附件《北海市海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)指引》；2019年印發(fā)了《北海市海綿城市建設(shè)管理暫行辦法》；2020—2021年編制了《北海市背街小巷提升暢通行動(dòng)工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)圖集》和《北海市老舊小區(qū)改造技術(shù)指引導(dǎo)則》，指出對(duì)背街小巷、老舊小區(qū)改造等項(xiàng)目要符合海綿城市建設(shè)的原則。這些政策的實(shí)施取得很大的成效。北海市海綿城市建筑面積占全市建成區(qū)建筑面積逐年提高，從5%（2017年）增到11.12%（2018年），再到27%（2022年），達(dá)到降雨就地吸納和利用的目標(biāo)。

近年來，北海市將海綿城市理念融入公園綠地、道路廣場、市政道路、房地產(chǎn)等項(xiàng)目建設(shè)中。至2022年相繼完成了一大批相關(guān)建設(shè)項(xiàng)目，比如西藏路帶狀公園、市花公園（鐵路北側(cè)）、體育休閑公園、中信國安水系一二期工程、長青公園改造、中山公園改造、創(chuàng)業(yè)谷濕地長廊、鐵路北側(cè)排水明渠工程、銀灘西區(qū)綠道、銀灘四號(hào)路改造工程等。北海市下一步的工作計(jì)劃是結(jié)合市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、老舊小區(qū)改造等項(xiàng)目，繼續(xù)推進(jìn)海絲路廣場、南珠市民文化廣場、黃金北岸、“兩橋五路”等項(xiàng)目建設(shè)，加快推進(jìn)城市排水防澇防洪設(shè)施建設(shè)和易澇點(diǎn)改造，推進(jìn)區(qū)域化海綿城市建設(shè)。

2 透水混凝土在沿海城市的應(yīng)用

北海市在海綿城市建設(shè)中使用了大量的透水混凝土，主要應(yīng)用如下。

1）公共設(shè)施建設(shè)。透水混凝土在北海市的公園、廣場、人行道、圖書館、體育館等公共設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。通過鋪設(shè)透水混凝土路面，有效減少雨水徑流，降低城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，透水混凝土路面可以通過設(shè)計(jì)達(dá)到不同的效果，進(jìn)而美化環(huán)境。

2）住宅區(qū)改造。在北海市的住宅區(qū)改造中，透水混凝土被用于室外地面、臺(tái)階、園林景觀等部位。這不僅提高了居民的生活質(zhì)量，還為住戶提供了自然、舒適的生活環(huán)境。

3）排水系統(tǒng)優(yōu)化。透水混凝土在北海市的排水系統(tǒng)優(yōu)化中也發(fā)揮了重要作用。通過鋪設(shè)透水混凝土管道和雨水收集設(shè)施，減少地面雨水徑流量，提高城市排水系統(tǒng)的效率。

4）海洋工程。廣西北海的海岸線長達(dá)120 km，海洋資源和旅游景點(diǎn)的開發(fā)是城市建設(shè)的重點(diǎn)工作。植生透水混凝土可以用于進(jìn)行海岸防護(hù)，同時(shí)透水混凝土的多孔結(jié)構(gòu)可以為海洋生物提供棲息地，有利于保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境。

3 沿海環(huán)境因素對(duì)透水混凝土性能的影響

透水混凝土的性能主要包括連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)、耐磨性、抗壓強(qiáng)度和抗凍性等，具體指標(biāo)參數(shù)可參照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》。這些性能既相互聯(lián)系又相互矛盾。比如，透水混凝土的連續(xù)孔隙率增大，透水系數(shù)也會(huì)增大，但往往會(huì)造成抗壓強(qiáng)度大幅度降低。全國各地方的具體情況不同，工程設(shè)計(jì)要求也不同，性能檢測(cè)要求也同樣有所區(qū)別。因此，針對(duì)地方的具體情況，一些城市修訂了地方性的透水混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于沿海地區(qū)，透水混凝土的施工技術(shù)規(guī)程的制定須了解當(dāng)?shù)氐墓こ碳夹g(shù)要求，以及沿海各種環(huán)境因素對(duì)透水混凝土性能的影響。

1）原材料及外加劑的影響。用于制備透水混凝土的原材料包括膠凝材料、粗骨料、礦物摻合料和外加劑。這些原材料的基本參數(shù)直接影響透水混凝土的性能。比如石子的粒徑和級(jí)配決定透水混凝土的孔隙率和透水性[9-10]。所以，這些材料的選擇均要符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。由于成本原因，這些材料一般都是就地取材，所以具有地方特色。相關(guān)規(guī)程規(guī)定不同廠牌、品種、批次的水泥不得混存和混用。研究所用的水泥是廣西某水泥有限公司生產(chǎn)的南方P．O42.5R級(jí)水泥，碎石采用欽州碎石5～10 mm連續(xù)級(jí)配，外加劑采用透水混凝土增強(qiáng)劑，生產(chǎn)廠家是江蘇某材料股份有限公司。

2）配合比設(shè)計(jì)的影響。透水混凝土的性能和其配合比密切相關(guān)。透水混凝土配合比的設(shè)計(jì)暫沒有統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，只能參考《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[13]，并須滿足相關(guān)規(guī)程的性能要求。為進(jìn)一步控制透水混凝土的施工質(zhì)量，住建部2023年重新修訂了《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》，對(duì)透水水泥混凝土的配合比計(jì)算公式中的水泥用量進(jìn)行了修正。各大城市也針對(duì)自身的具體情況，編制了適合地方使用的標(biāo)準(zhǔn)，比如《烏魯木齊市透水混凝土施工技術(shù)規(guī)范》《再生骨料透水和干硬性混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（湖南省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)）等相繼出臺(tái)。這些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在配合比設(shè)計(jì)上雖然達(dá)成一定的共識(shí)，比如水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5的普通硅酸鹽水泥。但是，配合比的計(jì)算要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料以及工程所在的地質(zhì)條件來確定透水混凝土的目標(biāo)孔隙率和設(shè)計(jì)強(qiáng)度。此外，計(jì)算結(jié)果還要根據(jù)水泥漿的稠度情況調(diào)整，太干太稀都不行，都不利于強(qiáng)度和透水率的提高。對(duì)于廣西北海地區(qū)，根據(jù)近年的平均降雨量（約1800 mm），本文選取目標(biāo)孔隙率為15%，強(qiáng)度等級(jí)為C20的透水混凝土來計(jì)算。通過參考《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》計(jì)算，可以得到不同水膠比的單方配合比數(shù)據(jù)，如表1所示。通過檢測(cè)這些樣品的28 d抗壓強(qiáng)度和孔隙率，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

可以確定，透水混凝土的性能與配合比密切相關(guān)。當(dāng)水膠比為0.30，28 d抗壓強(qiáng)度（24.3 MPa）較大，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20要求，而孔隙率為17.0%，達(dá)到設(shè)計(jì)孔隙率（15%）目標(biāo)。因此，最后確定了合適的基準(zhǔn)配合比如下：水膠比=0.30，碎石=1519 kg/m3，水泥=284 kg/m3，水=85 kg/m3，增強(qiáng)劑=7.07 kg/m3。然而，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，更高強(qiáng)度的透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步研究。

3）沿海環(huán)境的侵蝕作用。透水混凝土具有多孔結(jié)構(gòu)，在沿海鹽類環(huán)境中受到各種侵蝕作用尤其明顯，嚴(yán)重影響其強(qiáng)度和耐久性。侵蝕作用包括兩種，一種是物理侵蝕，比如鹽類結(jié)晶引起的鹽脹破壞；另一種是化學(xué)侵蝕，原理是透水混凝土和鹽離子發(fā)生膨脹反應(yīng)導(dǎo)致透水混凝土脹裂等。研究表明，氯離子對(duì)混凝土的侵蝕深度和混凝土內(nèi)部孔隙水飽和度、外部水壓和混凝土內(nèi)部電場分布有關(guān)。另外，硫酸鹽侵蝕尤為嚴(yán)重，其導(dǎo)致透水混凝土內(nèi)部開裂，進(jìn)而降低其抗壓抗裂強(qiáng)度和耐久性。對(duì)用于海岸工程的混凝土，海水浪濺的干濕交替作用導(dǎo)致硫酸鹽侵蝕破壞現(xiàn)象更為嚴(yán)重。所以，如何提高透水混凝土的防侵蝕能力，進(jìn)而提高其耐久性是當(dāng)下研究的一大熱點(diǎn)。

4 透水混凝土在沿海城市應(yīng)用中面臨的問題和挑戰(zhàn)

盡管透水混凝土在海綿城市建設(shè)中取得了顯著的成效，但在實(shí)際推廣和應(yīng)用過程中，特別是在沿海復(fù)雜環(huán)境下，仍面臨一些挑戰(zhàn)和問題。

1）透水混凝土抗壓強(qiáng)度低。對(duì)于透水混凝土來說，在提高透水率的同時(shí)強(qiáng)度就會(huì)有所降低，使應(yīng)用受到限制。透水混凝土現(xiàn)階段主要應(yīng)用于強(qiáng)度要求低的道路鋪裝，比如人行道、廣場、綠化帶和輕荷載的機(jī)動(dòng)車道，不得用于強(qiáng)度要求高的道路。如何在保證透水率的同時(shí)，提高強(qiáng)度是當(dāng)下急需解決的難題。

2）透水混凝土的維護(hù)成本高。透水混凝土中的孔容易被堵塞，使用過程中要定期使用高壓水槍清洗，其維護(hù)成本較高。當(dāng)下，建立透水混凝土施工和維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化體系，規(guī)范施工流程和維護(hù)管理，才能確保透水混凝土設(shè)施的正常運(yùn)行和長期使用。

3）透水混凝土在沿海護(hù)海工程中應(yīng)用受限。透水混凝土應(yīng)用于沿海水域的護(hù)岸工程時(shí)，由于具有多孔結(jié)構(gòu)，其抗壓強(qiáng)度、抗凍性、抗侵蝕強(qiáng)度均有所降低。在復(fù)雜的近海和海洋環(huán)境，由于水下區(qū)、大氣區(qū)、潮汐和浪濺區(qū)以及海土區(qū)的環(huán)境作用等級(jí)不同，透水混凝土工程須綜合考慮混凝土的材料組成、裂縫控制要求和施工工藝等。因此，如何提高透水混凝土在沿海環(huán)境使用時(shí)的耐久性是當(dāng)下研究的一大挑戰(zhàn)。

5 結(jié)語

透水混凝土作為海綿城市建設(shè)中的重要組成部分，在廣西北海市的應(yīng)用取得了顯著成效。它不僅能夠減少地面雨水徑流、減少城市內(nèi)澇和熱島效應(yīng)危害，進(jìn)而提高城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。沿海的各種環(huán)境因素嚴(yán)重影響透水混凝土的力學(xué)性能、透水性和耐久性。適合沿海地區(qū)使用的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)程有待制定和實(shí)施。此外，在實(shí)際的應(yīng)用中，透水混凝土仍然面臨一些問題和挑戰(zhàn)，比如抗壓強(qiáng)度低、易堵塞等，這些問題需要進(jìn)一步深入研究。

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[作者簡介]譚雪蓮（1984—），女，廣西欽州人，博士研究生，講師，研究方向：建筑功能材料。