透水混凝土性能及其在市政基础设施应用评述

2020-08-06李金守王亚军

四川水泥 2020年8期

李磊李金守王亚军

（1.张掖市住房与城乡建设局，甘肃张掖 734000；2.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050）

0 引言

透水混凝土（Pervious Concrete）是指在制作过程中去除细骨料，主要由大颗粒骨料、水泥、外加剂以及水混合制作而成的一种多孔混凝土，故而也被称之为过滤混凝土。随着我国海绵城市建设脚步的不断加快，透水混凝土在基础建设中的应用越来越受到广大群众的欢迎，主要集中在四个方面的用途：（1）透水混凝土道路及装饰以透水混凝土作为材料修建道路时，因其可配比的色彩优化，设计师可以根据自己的想法依据不同的环境和气候条件创造出极具特色的装饰风格，这将有助于增加城市的市貌特征。此外，当遇到暴雨的时候这种路面可以将雨水迅速渗透到地表以下，不仅降低了发生城市内涝、阻断行人的风险而且渗透的水可以作为地下水的补水，有助于地下微生物的生存，同时可以吸收地面热量，消除城市热岛效应。（2）保证水、土和生物之间的物质循坏和能量流动以透水混凝土代替原有的普通混凝土作为城市道路的中央隔离带、河道护坡、湿地公园等地的时候，可有效连接起水生态系统和陆地生态系统，从而保证了各种生态系统和水陆交错带植物的生存条件，而且透水混凝土因其孔隙率有利于植物的生长，在工程中的使用可以增加城市道路和河道两侧的绿色空间，以达到改善自然生态环境、与自然和谐共生的目的。（3）减少噪音效果透水混凝土具有其特有的连续、多孔的内部结构以及较大的比表面积，因而透水混凝土可以将一部分声波反射或通过连续的孔隙吸收，而大部分声波在接触到混凝土内部后向外传播，在此期间，与入射的声波形成干涉而相互抵消，从而达到减少噪声的效果。（4）水质净化透水混凝土因其独特的孔隙结构，能够有效截留水中的悬浮杂质和微生物，降低水流浊度、提高水质，同时孔隙部分可以作为水生生物产卵、栖息的场所，从而有利于增加水域中的生物多样性，而这些经过繁殖产生的水生生物，尤其是浮游动物又可以吞噬、滤食SS 和藻类，进一步去除有机污染物和藻类，净化水质，防止水藻的爆发，提高了自我净化及自我恢复能力、减轻了水体污染现状。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

透水混凝土在国外的研究及应用起步较早，据文献记载[1]，早在100 多年以前，英国就已经开始使用，在十九世纪中期的某项工程中由于缺少细骨料，人们就已经开始探究不加细骨料的混凝土配合比设计，从而研发出不含细骨料的新型混凝土，即透水混凝土的初级形态。工程完工后在后期的使用中发现该种形态的混凝土有利于排除地面雨水及其他众多优点，因此这种材料在欧美等国家迅速引起了研究热潮。经过长期的研究及应用，20世纪70年代英国率先研究出了新型的多孔透水混凝土，其表现出了优良的使用效果，经历十年使用后因受到冻融作用而被破坏[2]。在美国，上世纪中叶时期为了改善公路及机场跑道的透水能力和安全性，人们开始将透水混凝土应用于实际工程，20世纪70年代末，在美国佛罗里达州的萨拉索塔教堂附近首次使用不含细骨料的透水混凝土作为材料建成了停车场，20世纪80年代美国初次设立了透水混凝土搅拌站，此后透水混凝土在美国实现了商业化。并于1991年成立了“透水性波特兰水泥混凝土协会”，为透水混凝土的发展和研究提供了建议及技术指导，推动了其在美国的发展[3]。在日本，透水混凝土起步于20世纪70年代后期，至1987年开始已有日本研究者申请多孔混凝土方面的专利，1990年开始日本研究者就将多孔混凝土作为基本骨架，在其表面尝试种植植物，应用到道路边坡、河道护坡等工程中。21世纪初，日本发布了植生型多孔混凝土河川护岸工法，并通过以此工法来推进植生型多孔混凝土的应用进程[3]。相比于其他欧美国家，德国对于透水混凝土的研究起步较晚，但其发展速度最快，在上世纪80年代就将修建透水路面和改造不透水路面作为国家政策在全国范围内推广，目前已走在世界前列。

1.2 国内研究现状

以初始研究而言，国内对于透水混凝土的研究与应用起步较晚，但是发展速度较快，1993年，中国建筑材料科学研究院对透水混凝土与透水性混凝土路面砖开展了研究，并于20世纪九十年代中期将研究成果应用到实际工程中。从2005年开始在城市基础建设中极力推广透水混凝土材料的使用，但由于有关透水混凝土方面的实际研究成果较少，所以在工程中并未得到广泛应用。

综合以上所述，透水混凝土的研究在国内还属于新领域，而且研究的配合比因素变量单一、水平变量因素也较少，透水混凝土的性能受到多方面因素的影响，因此研究透水混凝土的性能需要综合考虑多种因素，从而得到适用于不同条件下的透水混凝土配合比设计方法。

2 透水混凝土的制备

2.1 配合比的设计

目前，透水混凝土配合比设计的科学研究比较多，其中应用较多的方法主要有三种，分别为：体积法、质量法和表面积法。

以上所述中应用较多的是体积法，主要以混凝土孔隙率为控制指标，首先通过目标孔隙率计算出所需胶结浆体体积，然后按照水胶比与胶凝材料的密度计算出各胶凝材料的所需量；集料用量则可通过测定其表观密度计算获得。体积法将1 立方米透水混凝土的重量以骨料、水泥量和用水量总和估计，其值在规定的范围内即可，该计算方法因操作简单、内容直观而被广泛使用，但实测孔隙率与设定孔隙率有一定差距[4]。

2.2 透水混凝土成型方法

2.2.1 平板振动法

该方法是将已有模板平铺在搅拌好的混凝土拌合物上，利用平板振动器对模板进行振动压实，这种成型方法做出来的混凝土表面平整，孔隙分布均匀。缺点是由于采用模板拼接，施工缝较多，模板重复利用次数少，经济成本高，因而此种方法适合小面积施工和透水混凝土的修补，使用过程中为防止混凝土因为过于密实而造成孔隙率的减少和水泥浆沉积在底部影响透水效果，应避免使用高频振捣器。

2.2.2 机械法

该方法是为了提高施工机械化和施工速度从而使用机器进行制作的一种方法，常用带有振动的小型压路机等机器进行振动加压成型，这种方法最突出的优点是可以有效提高施工进度和节省人力，但是拼接处难以处理且平整度较差；另一种方法是将压路机与橡胶板联合使用，但这种方法对机械要求较高且平整度相对较差，所以该方法适合于大规模的施工或劳动力缺乏且对平整度要求相对较低的工程施工。

2.2.3 低频振动压实法

该方法主要是利用低频振动辊压机进行透水混凝土的制作，主要通过辊压机的滚筒旋转，达到刮平混凝土目的的同时进行碾压，实现其低频振动压实效果。其特点是组装简单、操作灵活，滚筒可按不同使用条件调节长度和输入功率，如果利用专用的压实机制作，在其过程中需要人工修补和找平操作，这种技术相对简单，主要适合于大面积透水混凝土的施工。

2.2.4 插捣成型法

该方法是利用模具进行透水混凝土试块的制作，其过程为将混凝土拌合物分批次装入混凝土模具中，然后利用插捣工具将混凝土拌合物在模具中均匀插捣，最后将成型面制作至平整并用抹刀将成型面抹平。这种方法制作的试块具有规则的形状结构，但在制作透水混凝土之前需要定制相应的模具，继而引起的成本较高，所以该方法适用于小型设计中或实验室研究中。

3 透水混凝土的性能特征

3.1 透水机理

透水混凝土内部的孔隙结构是展现其特有性能的决定性因素，其孔隙按照透水性能可分为三种：连通孔隙、半连通孔隙（“布袋型”孔隙）和封闭孔隙[5]。连通孔隙是指混凝土内部的孔隙间相互连通且两端与外界相连。其整体贯穿的结构可使水流顺利通过，不会造成蓄水、堵塞等现象，因而从透水混凝土的透水性能和排水效果来看，连通孔隙对其透水功能起到至关重要的作用；半连通孔隙是指孔隙一端封闭，另一端与连通孔隙相连或与外界相通，故而也被称为“布袋型”孔隙，这种孔隙功能与蓄水池相似，当地面水流量较大时它可以把地面的水暂时存入其中，等到路面干燥后又会被排出，有效降低了遭遇暴雨时发生内涝的风险，对透水混凝土的透水功能也起到了一定的作用；封闭孔隙是指存在于试件内部且不与外界连通，其不仅对透水混凝土的透水能力没有帮助，还会减少透水混凝土的强度。

综合以上所述，透水混凝土的有效孔隙为连通孔隙和半连通孔隙，为保证透水混凝土的工程实用效果，在制作透水混凝土时应尽量形成多的连通孔隙和半连通孔隙，而减少和避免形成封闭孔隙。

3.2 抗拉及抗压性能

透水混凝土因其组成材料，具有特有的孔隙结构，所以相比于密实混凝土其抗拉和抗压强度皆有所下降，但作为路面层其抗压强度也需要达到一定的强度，其中能够保证透水混凝土强度的因素主要有三种，分别为骨料本身的强度、胶凝材料的强度及胶结层界面的强度。以上三种因素中骨料本身的强度起决定性的作用，而胶结层将骨料粘结在一起也可保证其一定的强度，但由于透水混凝土内部有较多的孔隙存在，所以强度会有所降低。

3.3 抗冻融性能

混凝土的冻融破坏现象是一直以来阻碍其在寒冷地区发展的关键因素，而透水混凝土因其独特的内部结构，在寒冷地区的使用更是少见，其冻融破坏现象中孔隙的变化有两种：一是原有孔隙变大，扩展成为较大的孔隙；另一种是在透水混凝土表面出现新的孔隙或裂纹，进而发展成为第一种形式[6]。透水混凝土冻胀破坏的主要因素为在气温较低时，孔隙内部的水凝固后体积发生膨胀所导致。在雨雪天气时其内部会集聚较多水分，表层孔隙水首先冻结使得体积膨胀，发生冻胀时较普通密实混凝土更易、更严重受到破坏；其余孔隙水受到挤压，在粘滞力作用下沿混凝土表层法向形成一定的水力梯度，冻结走势向混凝土内部移动，在混凝土内部形成一个封闭的空间，导致封闭空间内部的气体无法正常排出，从而产生一定的气压，使得透水混凝土内部结构承受不住压力而开裂。结合以上分析，为保证透水混凝土的工程实用性和透水性能，在严寒地区的使用要确保其抗冻性。

透水混凝土的抗冻融性能测试方法较多，传统的一般采用冻融循环后的抗压强度下降检测，但这种方法所需要的混凝土试件较多，而且经过冻融后的试块可能会存在表面脱落现象，在进行抗压检测时需要重新将试件表面抹平修复，不仅增加了成本和人力而且测得的误差较大，因此以相对弹性模量和质量的变化作为评定标准越来越受到更多人的关注，该方法不仅有效减少了所需的试件数量而且保证了数据的可靠性。

4 影响因素

4.1 骨料粒径的影响

由于透水混凝土独特的结构，骨料的粒径、种类及形状都对其性能有一定的影响，随着骨料粒径的增大，堆积孔隙率增大，因而在水灰比相同的条件下所制作的透水混凝土孔隙率也越大，进而导致透水混凝土用以形成强度的水泥浆体胶结点减少，引起抗压强度减小；透水混凝土的透水系数跟骨料粒径大小呈正相关变化，在一定条件下就透水系数而言连续级配的多孔混凝土表现出的透水系数比单一颗粒集料的明显要低，即选择单一颗粒集料制作的多孔混凝土能表现出极佳透水性效果。结合以上分析，骨料粒径是保证其透水性和强度的重要条件，所以在实际的应用中为达到目标要求，选用骨料时必须要考虑到各种因素之间的平衡关系。

4.2 孔隙率的影响

孔隙率是保证透水混凝土透水性能的关键因素，随着孔隙率的增大会使骨料间的接触点面积变小，即连通孔隙相应增加，从而导致透水系数变大，但会使透水混凝土中的胶凝材料有所减少，这将会对其力学性能产生严重损坏，就其整体而言即便拥有较高的透水性能仍无法运用到实际工程中，然而，若是减少其孔隙率一方面减弱或失去了透水混凝土的功能，另一方面由于增加了水泥浆体，过多的水泥浆体必然会相互粘结堵塞孔隙，进而出现前者所述的弊端。因此，在实际的应用中需要依据不同的条件整体分析其性能，确保孔隙率与力学性能间的相互平衡。

4.3 水胶比的影响

水胶比对于透水混凝土的透水性能具有重要意义，若水胶比设计的过小，制作过程中所产生的浆体易凝固，难以均匀搅拌，导致无法顺利包裹住粗骨料，骨料间的孔隙较多，减弱了其力学性能而且无法与水结合的胶凝材料会相互胶结，堵塞孔隙，失去其本来的意义；若水胶比设计的过高，水泥浆体的流动性将会增加，导致在制作试块时浆体容易从骨料间的孔隙流到底部沉积，难以形成优质试块且影响其抗压强度，不利于透水混凝土的整体性能。

5 透水混凝土的应用案例

本课题组设计一种改善河道传统护坡的镶嵌式生态护坡并申请专利，护坡自下而上主要由不透水混凝土层、透水混凝土层以及土壤层三部分组成，不透水混凝土层与传统护坡相似，在的透水混凝土层中有大小不一的孔隙结构，在的土壤层周围仍由透水层混凝土制成，土壤内种植植物，植物通过生根发芽，根系穿过土壤层延伸进透水混凝土层并与之成为一体。与现有技术相比，本技术不仅具有一定的结构强度，耐水力冲刷强，而且有利于植物生长，水生动物的繁殖，以及能有效防止点源污染和地面污染水源通过河道周围护坡渗入到水体中，固土保水能力强，对水质有一定的天然净化作用。详见图1所示。