透水混凝土的研究进展综述

张国强　　赖俊（广州大学土木工程学院）

透水混凝土的研究进展综述

张国强赖俊
（广州大学土木工程学院）

本文总结了透水混凝土的国内外研究现状，分析了透水混凝土成型方式和砂率对28d抗压强度和透水性的影响。研究了其抗冻性，吸声降噪性和抗疲劳性等性能，指出了透水混凝土目前存在的问题，并结合堵塞机理提出了相关解决思路。

透水混凝土；强度；透水性；抗冻性；吸声降噪性；抗疲劳性

1　引言

随着我国经济的发展，大量人口涌入城市，造成水资源短缺，地下水位下降，同时大量高楼的建造也使路面排水设施无处修建。目前城市的路面都是水泥或沥青混凝土路面，这些路面都是不透水的，当城市有暴雨出现时，路面会积累大量的雨水造成城市内涝，尤其像我国广州、深圳、长沙、武汉等降雨量大的城市，每年因为内涝造成大量人员伤亡以及财产损失的案例屡见不鲜。另外，不透水道路的舒适度以及安全性能也会因为路面积水而显著减低。

与普通路面相比，透水混凝土路面具有以下优点：①有效解决路面积水问题；②缓解地下水位的下降；③吸收行车产生的噪音。显然，它能解决普通路面的上述弊端，更加环保，将会是我国构建“海绵城市”的重要材料。

2　透水混凝土在国内外研究现状

2.1 国外的研究现状

透水混凝土并不是现代新式材料。早在20世纪初期，国外就己经开始进行对多孔水泥混凝土的制备，制造出许多预制混凝土构件，并将它用于对房屋的建设。

1972年，出于对水资源以及水质的保护，美国通过了清洁水资源法案（Clean Water Act）法案中规定了各州和各大城市需要确保被收集的降雨的清洁度。之后，进行了大量透水性混凝土配合比设计方法的研究。1995年，南伊利诺伊大学的Nader Ghafoorim［1］叙述了透水混凝土的概要，研究了其物理力学性质及状态，以及其磨耗性及抗冻性。2003年华盛顿大学Benjamin O. Brottebo同Derek B.Booth［2］对在1996年铺设4个停车场所使用的透水混凝土的耐久性、透水性和力学性能进行了的研究和综合评价，4个停车场透水混凝土均没有发生显著的破坏，雨水的渗透性良好。2016年德克萨斯农机大学 Maria A.Hernandez-Saenz、Silvia Caro［3］等人总结了美国现有的透水混凝土的相关性能，确定出了新的路面设计方法。

在英国二十世纪七十年代，很多学者就开始研究制造透水混凝土，并用透水混凝土建造了长达183m，5cm厚的面层和25cm厚的基层的路面，该路面在第28天的强度达到13.8MPa。有跟踪研究显示，这条道路的使用性能一直很好，在使用十年以后，这条道路由于冻融而被破坏。

在日本，由于其特殊的地理位置，常年降雨较多，然而地下水位却越发下降，在70年代末，为了解决因为地下水位下降而导致的地基下沉问题，大量学者提出了使雨水还原于地下的政策，缓解地下水位的下降，学者们研究了透水混凝土的透水系数、孔隙率、强度之间的关系，并且在1987年申请了有关透水混凝土的专利。专利中选择了单一级配的粗集料、少量细集料、有机髙分子树脂等胶凝材料。此后，日本学者玉井元治同本享久［4］等研究者又以水泥为胶凝材料做了透水混凝土的试验研究，此种透水混凝土的厚度一般在70～200mm之间，水灰比大约为0.35，釆用5～13mm或2.5～7mm粒级的碎石制成。2016年日本山口大学的Yail J.Kima、Adel Gaddafi［5］等人在透水混凝土中加入粉煤灰和轮胎碎片夹杂物等，改善了混凝土的渗透速度，提高了其抗折强度，但轮胎的切屑容易堵塞孔隙主要依赖于他们的几何配置。

2.2 国内的研究进展

与国外大量开展的透水混凝土铺装材料的研究情况相比，国内对透水混凝土材料的研究时间短，应用比较较少，技术水平也偏低。近些年，许多材料科研机构开始了大量的透水混凝土研究。其中1993年中国建筑材料科学研究院进行了透水混凝土与透水性混凝土路面砖的研究，并得到了广泛应用。

2000年清华大学的杨静、蒋国梁［6］等专家采用细骨料，矿物细掺料和有机增强剂等方法，使得透水混凝土道路材料抗压强度达到35.5MPa，抗折强度6.8MPa，透水系数2.9mm/s，具备了较高的强度和良好的透水性。

2004年长安大学的郑木莲［7］开展了大量的有关透水混凝土的排水研究，并分析了全宽式、设盲沟以及设集水沟和管的排水系统的排水能力。

综上所述，许多国家都对透水混凝土深入的进行了研究分析，主要集中在强度以及其抗冻性、吸声降噪、抗疲劳性能等方面。在当今社会，人们越来越注重环保，而透水性混凝土作为一种新的环保材料，正是当今社会所需要的，是创建“海绵城市”的最佳材料。然而，由于各种条件的限制，目前对透水性混凝土的研究和推广还有很大的进步空间，诸多国家的有关学者也都仍然在研究分析中。

3　成型方式、砂率对透水混凝土强度和透水系数的研究

3.1 成型方式

成型方式作为影响透水混凝土的强度和透水系数高低的关键因素之一，振动时间太短导致强度低，透水性好，而时间太长则会出现水泥浆体堵塞孔隙，出现不透水的情况，因此必须合理的选择成型方式。

⑴手工插捣成型：手工插捣制作的试块均匀性较好，但密实度差，强度偏低。

⑵机械振捣成型：机械振捣时间越长，孔隙率越小，堆积越紧密，强度越高，但孔隙率越小，透水系数越小，振动时间取8s将能够获得较高的强度。相对与只进行机械振捣，采用手工插捣和机械振捣二者相结合的方式可以保证不降低强度的情况下提高其透水系数［8］。

⑶静压成型：用静压成型方式时，透水混凝土28d抗压强度将随成型压力的增加呈现出先增加后减小的规律，透水系数则一直减小，当成型压力由15kN增加为25kN时，部分石子被压坏，而透水混凝土抗压强度则提高38.5%，透水系数下降了14.3%。为了避免骨料在过压状态下破碎，造成透水系数降低。最佳的成型压力应控制在1.5MPa［9］。

⑷机械振动和静压成型：当采用机械振动与静压成型相结合的方式，可以利用机械振动成型强度高，静压成型透水性好的优点。当机械振动控制在5s，成型压力控制在15kN，加载速度控制在0.3MPa/s，其28d抗压强度可以达到38.8kN，透水系数达到3.5。

3.2 砂率

研究表明随着砂率的增加，透水混凝土的强度逐渐增加，透水系数逐渐降低。这是因为一般透水混凝土为了保证良好的透水性而不加任何的细骨料，导致水泥凝胶体与粗骨料之间的过渡区太大，而水泥硬化体本身内部又含有较多的毛细孔和微裂缝，因此降低了强度。参照高性能混凝土中掺入矿物细掺料，提高混凝土密实度、减小过渡区的经验，在水泥浆中掺入少量的细砂（1～2mm粒径），同时使用适量高效减水剂使其分散，填充于水泥凝胶体的毛细孔和微裂缝中，达到提高强度的目的。但加入过多的砂，将会严重堵塞粗骨料之间的孔隙，造成透水系数降低。通过研究，发现当细骨料占粗骨料的10%左右时，将会获得良好的效果。

4　透水混凝土的抗冻性、抗疲劳性能的研究

4.1 抗冻性

由于我国面积广阔，南北纬度差别较大，因此气温也差别较大，故必须对透水混凝土的抗冻性进行研究。

2006年江苏大学的万伟［10］通过实验得出在透水混凝土中加入无机质添加剂SR-3，可以有效地改善混凝土的孔隙结构和力学性能，提高透水混凝土内部骨料和浆体的粘结力和冻融循环次数。以动弹性模量损失为参考指标，当最低温度为-20℃，透水混凝土在气冻水融循环过程中，当开始破坏时，可以经受冻融循环次数为55次左右。透水混凝土在水冻水融循环中，当开始破坏时，可以经受循环次数为35次左右。并得出了质量损失率、相对动弹性模量以及相对耐久性的计算公式。

2011年湖南科技大学的李伟［11］通过研究得出了抗冻性与目标孔隙率以及水灰比的关系。同样水灰比情况下，孔隙率越大，抗冻性能越差。第一主要表现在抗压强度方面，冻融次数越多，抗压强度损失率越多。第二主要表现为质量损失方面，冻融次数越多，质量损失越大。

2012年哈尔滨工业大学的刘星雨［12］通过研究发现透水混凝土的抗冻性随骨料粒径减小而提高、随水灰比的增大而明显降低、随浆体骨料质量比的增加而提高，在保证良好的透水性能和力学性能的前提下，得到1～2cm级骨料粒径、0.25的水灰比、0.245的浆体骨料质量比为最佳设计参数的结论。并在此基础上设计了一种抗冻性、耐久性优良，透水性能、抗压强度满足要求的透水混凝土。

2013年大连理工大学的胡立国［13］通过研究对比发现，惨加硅灰、粉煤灰的透水混凝在50次冻融循环后抗压强度损失大多控制在10%以内，100次冻融循环抗压强度损失也未超过20%，150次冻融后抗压强度损失在25%以内，因此，加入硅灰、粉煤灰对增强透水混凝土的抗冻性产生明显作用。

目前透水混凝土相比普通混凝土的抗冻性仍然比较差，还需要开展大量的研究。

4.2 吸声降噪性

随着经济的发展，私家车快速的增长，给城市中的人群带来了很大的噪音影响，而目前没有一套合理的措施来解决城市的噪音污染，由于透水混凝土具有较大的孔隙，因此对于噪音的缓解具有重要作用，透水混凝土吸声主要通过穿过孔隙中的声波与孔隙中的空气黏滞和摩擦，将声能转化为热能消耗掉，如此反复，达到吸声降噪。

2004年东南大学霍亮等［14］研究发现复合式透水性混凝土吸声系数的峰值范围在500Hz左右，平均吸声系数为0.351，单层式的在700Hz左右，平均吸声系数0.3，而密实混凝土吸声系数起伏不大。基本平直，平均吸声系数0.136。

2012年济南市市政工程设计研究院李睿、郇家明等［15］通过研究发现透水混凝土路面降噪效果受混合料空隙率、骨料级配及路面铺筑厚度的直接影响，一定厚度的情况下，空隙率越大，降噪效果越显著。随着透水混凝土路面铺筑厚度的增加，吸声系数向低频段转移，为了获得更加稳定的降噪特性和频响特性，透水混凝土路面的厚度宜为40～50mm或最大公称粒径的2～2.5倍左右为合适。

2014年浙江工业大学的倪彤元、邰惠鑫等人［16］研究发现不同孔隙率的透水混凝土试件的低频段声波吸收能力相差不大。随着孔隙率的增加，吸声系数也增大。在孔隙率相同的情况下，随着透水混凝土铺装层厚度的增加，中低频段的吸声系数有增大的趋势，而在高频段的吸声系数则有减小的趋势。透水混凝土铺装层的配比设计应综合考虑渗透性、强度、吸声性能等因素，从吸声性能考虑，得出最佳透水混凝土铺装层的孔隙率为17%～22%。

4.3 抗疲劳性能

由于透水性混凝土为了保证良好的透水性因此其内部孔隙多连通，界面复杂且强度较低等特征，在车辆的反复荷载作用下极易产生应力集中现象，导致混凝土内部损伤不断积累并且扩展进而导致疲劳破坏［17］。

2004年长安大学郑木莲等［18］通过室内小梁弯拉疲劳试验，得出透水混凝土疲劳寿命及等效疲劳寿命均服从双参致威布尔分布.并通过此数学模型建立了不同失效概率下两种形式的双对数方程。

2008年L.T.Mo等［19］采用有限元模型，以应力水平和疲劳寿命为指标对透水混凝土抗疲劳性能进行数值分析，指出透水混凝土特定区域的应力集中现象是导致其早期脱落的重要原因。

2009年解放军理工大学的卓义金、李志刚等［20］通过对疲劳方程的对比得出：掺加改性剂可以改善混合料的和易性，并且在水泥表面形成较厚的立体包层，使水泥达到较好的分散效果，同时也改善了水泥胶结料与骨料间的界面状态，使得混凝土具有较好的疲劳韧性。加强了界面延性，提高了材料在荷载作用下界面产生裂隙的初始荷载水平。同时，改性剂在浆体内形成聚合物网络结构，可以起到增加强度和改善抗变形性能的效果。

5　关键问题和解决思路

与普通混凝土不同，透水混凝土是一种骨架-空隙结构，它是以单粒级粗集料作为骨架，导致出现强度低、容易堵塞、抗冻性和抗疲劳性差的问题。如何提高其抗压、抗折强度和减小堵塞是目前研究的关键问题。

通过研究发现采用以下三种方法可以有效提高透水混凝土强度：①减小骨料粒径；②掺入适量的硅粉和高效减水剂；③加入有机增强剂。其次，由于其孔隙较大，因此会导致很多尘土通过风的吹送而堵塞孔隙，造成其无法透水，尤其我国北方气候干燥，尘土较多，更容易造成透水不畅，随着时间的积累最终导致无法透水。在孔隙堵塞方面目前国内的研究成果相对较少，早期的研究发现透水混凝土路面使用5年后，其渗透性降低了90%［21-22］。透水性降低的原因是由于部分雨水携带的大量泥土、细砂、碎片等杂质随水流不断进入透水混凝土的孔隙而造成堵塞。除此之外，清理路面产生的灰尘以及植被的落叶、扬沙都可能造成孔隙堵塞。减少混凝土的堵塞，主要有以下三种方式：①清扫后吸尘；②高压水冲洗；③浸润后清扫。另外对透水混凝土在透气、透水、吸声降噪、净化水体等方面进行更加深入的研究，以拓展其在生态环保领域的应用。

6　结束语

相对于欧美、日本等国，我国的透水混凝土应用是非常少的，主要是因为其抗压强度比较低，容易出现大量堵塞，另外其抗冻性也相对较差，导致在我国北方的应用非常少。通过研究得出，在透水混凝土中加入适量的硅粉和改性剂并将孔隙率控制在17%～22%，能够提高混凝土强度并改善其抗冻性、抗疲劳性和吸声降噪性。相信通过深入研究并凭借其优良的环保性能，透水混凝土在未来的应用将会更加广泛。

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