浅谈海绵城市理念下的透水混凝土道路研究

2018-04-25朱永祥梁冠军

价值工程 2018年12期

朱永祥梁冠军

摘要：介绍了海绵城市的建设理念和透水道路的分类；详细阐述了透水混凝土道路和透水砖道路的研究现状；归纳总结了目前我国透水道路的研究方法，为进一步研究透水道路提供新思路；最后，提出了今后针对透水道路研究这一领域未来面临的主要挑战。

Abstract： The construction concept of sponge city and classification of pervious road are introduced. The research status of pervious concrete roads and pervious brick roads are elaborated in detail. The research methods of pervious roads in China are summed up， and new ideas for further study of pervious roads are provided. It proposes the major challenges that will be faced in the future in this area of research on the flooding road.

关键词：海绵城市；透水混凝土；透水砖；进展；挑战

Key words： sponge city；permeable concrete；permeable brick；progress；challenge

中图分类号：U416.216 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）12-0229-03

0 引言

任何时候人類都离不开水资源，所以无论何时水资源都备受人们关注，当前水资源的可持续发展以及循环再利用是众多学者和工程师研究的重要课题。近年来，城市道路大多是由不透水的水泥混凝土或沥青混合料形成的路面，导致部分城市出现内涝；另一方面，当降雨量较小时，城市路面上面的雨水无法渗透到土壤里，经过蒸发，导致城市出现“热岛效应”。针对上述现象，海绵城市建设理念应运而生。

1 海绵城市理念及透水道路分类

1.1 海绵城市理念

海绵城市也被称为水弹性城市，是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，它是一种新的城市雨洪管理概念。国际通用术语为“低影响开发雨水系统构建”。通俗来讲，海绵城市可理解为城市像海绵一样，可以在下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，在需要水时提取蓄存的水进行利用。

海绵城市概念第一次被提出来是在2012年4月的《2012低碳城市与区域发展科技论坛》上，此后李克强总理在2017年3月再次提到了海绵城市，提出：统筹城市地上地下建设，再开工建设城市地下综合管廊2000公里以上，启动消除城区重点易涝区段三年行动，推进海绵城市建设，使城市既有“面子”，更有“里子”。强化了海绵城市建设的重要性。

1.2 透水道路分类

透水道路作为一种结构形式，与海绵城市建设理念十分契合，其一，它不仅能够扩大城市可透水、透气面积，降低地表温度，还能够大大改善城市“热岛现象”；其二，应用该结构能够解决多种水生态问题，比如水质污染、水生物栖息地丧失等问题。根据透水材料及构成形式不同，透水道路可分为透水混凝土道路和透水砖道路。

透水混凝土道路具有良好的渗水、抗压、耐磨、防滑以及吸音减噪等特点，己被广泛应用于轻载道路、人行道、停车场、护坡等领域。

透水砖道路采用的透水砖，按照工艺的不同可将其分为两类，一是养护型透水砖；二是烧结型透水砖。第一种透水砖是把透水砖的原料破碎、筛分后，确定合理的粒径范围，之后加入相应的辅助原料混合搅拌，辅助原料包括水和粘结剂等，然后将其放入在模具中，待施加一定压力后将其压制成型，最后采取脱模措施后安排放置养护，如此便制成了路面铺装材料，不仅符合相关质量标准，而且具有良好的透水性能；第二种透水砖是把制备透水砖的原料依照标准流程进行操作，包括破碎、筛分、配料、混料、成型、脱模、高温烧制等，如此便制成了符合相关规范标准及具有良好透水性能的路面铺装材料。

2 透水混凝土研究进展

2.1 影响透水混凝土透水性能和抗压强度的因素

2.1.1 骨料

骨料对透水混凝土透水性能和抗压强度均有一定的影响，这是因为透水混凝土中的胶结层较薄，骨料的粒径大小直接影响骨料之间的接触点，一般情况下，在合理范围内适当降低骨料粒径，有利于透水混凝土抗压强度的提高。不仅如此，骨料类型对透水混凝土的强度和孔隙也存在一定影响，因为不同的骨料其各项参数必定存在一定差别，比如颗粒形状、材质等，这些物理特征的种种差别势必会影响到透水混凝土最终的效果。另外，为增加透水混凝土的抗压强度，可在透水混凝土原材料中适当提高砂率，但是掺砂量需要严格控制，使孔隙率保持在合理的范围之内。

2.1.2 胶结材料

胶结材料不仅为骨料提供充足的包裹层，还能够将骨料胶结为整体。为进一步提升透水混凝土强度，胶结浆体中除了使用普通硅酸盐水泥外，还可以采用粒径细微的矿物掺合料，将一部分水泥替换掉，渗透系数满足透水的要求。有学者指出，掺有硅灰和高效减水剂的胶结浆体密实度高，与骨料的包裹界面好，因此双掺硅灰和高效减水剂能够提高透水混凝土的抗压强度。另外，掺入有机聚合物也能够起到提高透水混凝土的抗压强度的作用，但是由于聚合物成本较高，且加入聚合物后透水性可能会降低，一直未被广泛应用。

2.1.3 水灰比

水灰比直接影响到透水混凝土性能，只有适宜的水灰比才能确保其透水混凝土的性能优良。过高的水灰比，会使得胶比过大，如此一来稀的胶结浆体很容易把透水孔隙部分或全部堵死，不仅透水性会降低，强度也会大打折扣；而过低的水灰比，会使得胶结浆体过于干稠，如此势必会影响到其和易性，胶结浆体将无法充分包裹骨料表面，十分不利于混凝土的强度提升。除此之外，水灰比还和混合掺合料、外加剂的性能息息相关。基于此，为制备良好的透水混凝土，必须选择适宜的水灰比。

2.2 透水性能和抗压性能

2.2.1 透水性能

透水混凝土作为一种路面材料来说，透水性能是其最重要的特征之一，只有具备了透水性能，才能在降雨时由路面结构内部吸收掉透水面层表面的雨水，然后通过内部孔隙将雨水排走，如此一来路面表面的压力将大大减轻，有效避免了有害水膜和径流，有利于路面使用寿命延长。由此可知，良好的透水性能能保证车辆和路面之间的良好接触，有效避免水漂问题出现，大大增加了行车安全性。

透水混凝土的透水性能直接由其孔隙结构决定的，而孔隙率是表征孔隙结构的基本参数。孔隙是指混凝土总体积扣除固体骨架所占据的体积后的剩余部分，其组成部分包括封闭孔隙、半连通孔隙、连通孔隙，而连通孔隙率与渗透系数有紧密联系。有关学者曾就透水混凝土透水性能做过研究，研究中选取孔隙率和渗透系数为指标，采取定水位试验方法，结果表明：有效的孔隙率和全孔隙率、孔隙率之间均呈正比关系，但是，随着孔隙率的增大，其抗压强度逐渐降低。

2.2.2 抗压性能

当前我国的透水混凝土抗压强度的测定普遍采取的依然是普通混凝土的测试方法，参考我国相关规范标准，利用下式可计算出透水混凝土的强度。

其中：A为试件承压面积（mm2）；F是试件破坏荷载（N）；fcc为混凝土立方体试件抗压强度（MPa）。

但与普通混凝土相比，透水混凝土试件的承压面积有所不同，试件的外形尺寸是普通混凝土的承压面积，然而由于透水混凝土孔隙部分并没有承受压力，两者在此存在明显区别。因此，有学者提出一个新指标“实材抗压强度”来表征透水混凝土实体部分的强度。计算“实材抗压强度”时，直接将去除了孔隙部分所占的面积作为其承压面积，即用试件外形面积与平面密实度的乘积来表示。

与普通混凝土相比，由透水混凝土抗压强度测定得到的应力一应变曲线具有如下两个特点，两者之间存在一定區别。①曲线中存在较多的不圆滑波折，尤其是孔隙率较大的试件部分；②较多曲线并未达到波峰，但突然中断。

透水混凝土应力一应变曲线的上述两项特点表明其在静压加载过程中很容易引发裂缝，导致试件出现不均匀变形或者突然性破坏，且这种负面影响会随着孔隙率的增大而愈加明显。

3 透水道路研究遇到的挑战

3.1 力学性能

由于透水混凝土骨架孔隙结构的特殊性，胶结浆体无法实现对骨料的全面包裹，且随着骨料间接触点的减少，必然会影响到混凝土内部总的胶结力和机械咬合力。基于此，为有效改善透水混凝土的力学性能，有学者进行了相关研究，发现影响透水混凝土孔隙率、透水系数与抗压强度的关键因素是骨料粒径与级配、水灰比，通过适当添加一定外加剂能够有效改善透水混凝土的性能。骨料压碎值会随着小粒径骨料比例的增加而增大，与此同时，透水混凝土的抗折、抗压强度也会有一定提升，但主要注意的是小粒径骨料过多会影响透水系统，进而影响其排水性能。考虑到骨料粒径与级配、水灰比、孔隙率、透水系数等因素；结合减水剂、硅灰及聚合物乳液等外加剂的改善效果，系统归纳出一套切实可行的理论模型是透水混凝土力学性能研究的一个挑战。

3.2 透水性能

透水性能是透水混凝土作为路面材料的一个重要特性，降雨时落到透水面层表面的雨水可以渗入路面结构内部，并通过内部连通的孔隙流走。然而，由于路面上粉尘和泥沙的堵塞，极易造成的透水路面透水性能下降的问题，在国外，为了解决透水混凝土路面阻塞问题，一般采用小型高压清洗机清洗路面，或采用高压清洗和真空吸附结合的方法恢复，但是这样只能使透水功能恢复到初期的80%。

因此，透水混凝土路面在面对粉尘和泥沙的阻塞问题，开发出其自动恢复功能或更便捷的方法是国内外学者共同面临的一个难题。

3.3 其他方面

现场试验透水混凝土的多项生态环保指标，包括透气、透水、吸声降噪、净化水体等，努力拓展其在生态环保方面的应用。此外，为便于在全国范围内推广应用透水混凝土，应制定相应的国家级规范标准。

4 结论

关于透水混凝土使用性能的研究国外发达国家研究较早，发展较快，而我国由于相关研究起步较晚，很多透水混凝土相关理论和实践工作都亟待完善，透水混凝土在力学性能、透水性能以及其他透气、吸声降噪方面的研究是未来面临的主要挑战。

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