透水混凝土的性能及冻融破坏研究

文/姜鹏鹏、祁明浩、高建雄、孙泽豪、刘庆 徐州工程学院土木工程学院 江苏徐州 221008

1、透水混凝土的性能及国内外应用研究现状

透水混凝土是一种无砂混凝土、多孔轻质混凝土，配料有骨料、水泥和水，最主要的特点是粗骨料表面包覆盖一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，所以在透气、透水方面效果显著，常用作为透水地坪。透水混凝土应用的主要目的是保护水资源，保障城市区域排水通畅，通过自身和基层的渗透性，表面水能高效率地排入地下水，有利促进水循环系统。透水混凝土的优势很多，首先，在城市区域降雨期间，可以发现采用透水混凝土的路面能有效分散雨水，避免局部路面积水，尤其是在一些人流车流密集的城市效果显著[1]；其次就是透水混凝土对于水循环系统的莫大作用，除了可以通过渗透地面积水稳定地下水位，促进水资源的可持续发展，保证“量”的稳定，还在一定程度上对雨水的“质”起到提高的作用，蜂窝状的渗透结构对过滤雨水进行净化效应，保护雨水免受污染；最后，相对于普通混凝土，因为透水混凝土的独特结构，可以起到增大摩擦力的作用，提高车辆行驶的安全度，并且在如今喧嚣噪音大的城市可吸收行车噪音，可谓是一举两得。

透水混凝土作为路面材料在国外应用较为广泛，起初西方发达国家也只是将其用于停车场、公园地坪，后来随着科研学家开始对透水混凝土排水性能、配合比、养护方面进行系统研究，充分利用到透水混凝土的抗滑、吸声和防眩光功能，建造了上千公里的透水混凝土路面，对缓解城市“热岛效应”和调节生态环境起到了良好的效果。而在国内，1994年王武祥等人对透水混凝土的研制、性能进行了试验研究并取得了一系列成果，但由于其较低的抗压强度，国内一些大学、科研院继续对透水混凝土配合比、水灰比、孔隙率、粗集料级配等参数分析试验，包括成型方式诸如静压法、重型击实法、插捣法、振动法等进行了对比。在提升了透水混凝土性能之后从2005年开始国内在城市建设中逐渐使用这种材料，小到公园广场，大到奥运场馆和上海世博会工程，皆有大量的应用。

2、透水混凝土在冻融作用下损伤机理研究

透水混凝土通常的破坏形态有开裂、沉降等，主要是强度问题，但矛盾的一点是透水混凝土的透水系数与强度成反比，往往要先满足透水系数再考虑最大强度。透水混凝土另一种常见且棘手的破坏形式是冻融破坏，在较寒冷地区，孔隙水会因为结冰膨胀而对混凝土产生破坏，再加上循环作用会加剧内部应力的增大。笔者制备了有工程实际想相同性质的混凝土试件，通过快速冻融实验方法，循环30次、60次、90次，借助于多通道微机控制电液伺服压力试验机对冻融透水混凝土进行单轴压缩试验，分析混凝土等级、弹性模量，得到了完整的应力应变曲线。并借助于扫描电镜（SEM）和压汞仪测定冻融后混凝土的表观形貌、细管结构。利用所学的弹塑性理论、损伤理论以及试验所得冻融混凝土的物理力学性质，分析透水混凝土在冻融耦合作用下的损伤机理，建立本构模型并进行数值计算与试验结果对比。

在冻融实验中，发现循环次数从30次到60次再继续增多的时候试件表观开始出现表层剥离、骨料脱落等破坏现象。试验过程中，混凝土裂缝随着冻融循环次数的增加不断出现，总数量与混凝土强度等级呈正比，裂缝呈多方向扩展。混凝土试件的受压峰值应力与冻融循环次数呈反比，峰值应变与冻融循环次数呈线性增加。根据损伤理论来看，透水混凝土先是在冻融作用下产生微裂缝，然后是因单轴压力引起的损伤，考虑循环次数、应力应变关系和混凝土强度等级，以试验为基础建立透水混凝土在冻融循环作用下的损伤机理本构模型并总结其演变规律。

3、冻融环境透水混凝土的防治措施

混凝土冻融破坏的影响因素有很多，配合比、水灰比、混凝土强度等级以及骨料种类对混凝土的抗冻性都有很大影响。其中水灰比的变化与孔隙率息息相关，正常情况下，水灰比越大，孔隙率越大，也就是孔隙水越多，冻融而造成的破坏可能就越大[2]。冻融与其他因素耦合作用可能会造成更大的破坏，诸如与盐溶液耦合会提高饱水度，增大渗透压力和结冰压力；与干湿循环耦合作用，实验中混凝土在硫酸盐溶液中会表现下降趋势的抗压强度和明显的表层剥离；与荷载、环境和气候等因素耦合作用也会加快透水混凝土结构的破坏。笔者结合施工实践，对透水混凝土冻融破坏防治给出几点建议。第一，做好准备工作，在制备时期根据施工环境选择合适的水泥、骨料和外加剂，提高材料的耐久性；第二，根据环境条件控制配合比，确保孔隙率和水灰比在一定的范围内，避免因水分过多造成冻胀破坏；第三，在制备透水混凝土的过程中掺入外加剂引气剂，通过让粗集料包覆的薄层水泥浆有一些均匀的小气泡来增强抗冻性。

透水混凝土具有出色的渗水性，在各个工程建设中都能起到保护水资源、维持生态的作用。作为一种“环保地坪”，透水混凝土的优越性完全符合建设“海绵城市”对于材料的要求，如今它已渐渐走入大众视野。但透水混凝土也易造成破坏，并且破坏形式繁多，对于透水混凝土的维护，主要是破坏区域和混凝土透水能力的维护。本文只对冻融破坏作了简单介绍，笔者也通过制作试件试验，测量混凝土的相关力学和物理参数，建立本构关系，从宏观和微观两个角度去探讨透水混凝土的冻融损伤。