基于“海绵城市”理论的透水混凝土研究现状综述

崔 璨，宋昕锐，刘志峰,周衍涛

(金陵科技学院，江苏 南京 211169)

1 “海绵城市”理论的提出背景及内涵

2020年8月17日，由中国社会科学院农村发展研究所、中国社会科学出版社联合发布的《中国农村发展报告2020》中指出，2025年中国城镇化率有望达65.5%，城市规模拓展，城镇化发展迅速，水生态危机却日益显露，如何提高城市水资源的利用效率已成为一大新难题。2020年水利部最新的调查数据显示，在全国范围内仅洪水灾害造成的直接经济损失就可达800亿元人民币以上。同时，水质污染、水资源短缺、地下水位下降等一系列水危机问题也都对国家经济、日常生活以及生态环境造成不同程度的影响。

我国在季风气候影响下，气候变化具有一定无常性，这不仅加剧了水资源分配的不平衡性，也使得洪涝、干旱灾害以高频率爆发。城市高速发展下水资源的空前开发引发了水质的污染问题以及一系列衍生问题，同时水资源的过度开发使得相当部分的北方河流出现下流断流现象，土地的调蓄能力较过去几年大幅下降。在快速城镇化的过程中，由于工程人员在初始阶段为求效率仅简单地将水资源独立出来，造成水和物的分离，只专注于单一目标的工程，造成水系统受损，进而引发一系列的环境问题。

水危机问题是一个综合且复杂的问题，需要一个全面的解决方案，在这种趋势下，“海绵城市”理论应运而生[1]，并不断得到海内外国家学者的重视，从2015年至今，中国海绵城市试点城市共计30余个。“海绵城市”概念最早由澳大利亚学者提出，用以比喻城市对周围乡村人员的吸附功能。在2003年，俞孔坚教授提出“海绵城市”指的是自然湿地以及河流等对城市旱涝灾害的调蓄能力。在《海绵城市建设指南》一文中，将海绵城市定义为:海绵城市是指城市如同海绵一样，城市在适应环境变化以及自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并且加以应用。

放眼全球，海外国家在“海绵城市”道路的探索上积累了丰富的经验，通过对欧美、澳大利亚、日本等国家和地区成果的学习，加速了我国对于“海绵城市”的建设。具体实例有：LID技术、水敏感城市设计(WSUD)、雨水采集系统、雨水收集和储存技术、雨水净化技术、数字技术(GIS)等[2]。

2 建设“海绵城市”的主要思路

2.1 保护修复自然生态

保护修护水生态系统，通过植树造林、退耕还湖等一系列操作涵养水土资源，修护已破坏的水生态系统，保护湖泊、河流、湿地等生态体系，维系自然水文特征。在了解不同的生态系统空间类型(森林、草原、海洋、湿地、城市)的自然风貌后分别实行相应的保护计划，并建设相应的生态廊道将不同的生态系统空间类型相连接，将自然与生物相连接，降低“孤岛”效应发生的可能性。同时，将整个规划区的蓝线和绿线合理划定，保护河流、湖泊、湿地、公共绿地、公园等重点涵养水源区域，使人和自然和谐相处。对于已经遭受污染的水资源，将对原有水载体进行净化修复，通过水生物的培育等方式净化水源。湿地是自然之肾，人工湿地的建设对于修护保护自然环境有着重要意义，为保护原有自然湿地，应适当建设人工湿地。

2.2 研究新型材料

在建设海绵城市的探索中，“透水铺装系统”理念被提出，这是一种新型雨洪管理方法，经实践验证，透水铺装系统对城市内涝的缓解有很大程度的帮助，能有效减轻城市径流负荷，同时净化雨水径流。

在21世纪初我国颁布的《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建(试行)》中指出，“海绵城市”目的在于降低经济开发造成的副作用，修护自然水文特征，实现可持续发展的目的。透水铺装系统是建设海绵城市的具体措施之一，旨在缓解因地面硬化地表径流加大的问题，形成自然降水的收集存储再利用的良性水循环过程。目前，透水铺装系统已被广泛应用于停车场、公园、人行道、轻载道路等场景。

经国内外学者研究以及实际应用显示，透水铺装系统在降雨时可以有效减少地表径流量，减少地表水蒸发，同时达到净化雨水径流的目的。Bean和Collins在分别监测北卡罗来纳州不同地区的透水路面时，发现透水铺装系统的渗透率可达到75%以上，与沥青硬化道路相比，提升了5倍左右[3]。透水铺装系统不仅发挥着下渗作用时，同时兼具较好的吸附过滤作用，有效减少了径流中的污染物，大大减少地下水源的污染。

透水铺装系统有四层结构层，分别是：面层、基层、底基层、垫层。透水铺装系统以透水混凝土、透水砖、透水沥青等材料作为面层材料；以砂、石灰岩、砾石等材料作为基层材料。其中，透水混凝土的研究，可使透水铺装系统及其他建设海绵城市的方案更好的实施，发挥更大的环境效益，建设智慧海绵城市。

3 透水混凝土研究

3.1 透水混凝土的概念

透水混凝土(Pervious Concrete或Porous Asphah)是一种透水地面铺装，是环保材料的一种，属于“海绵城市”理念下衍生出的一种重要的控制技术，由水泥、骨料和水拌制而成，具有连续孔径，又被称作多空混凝土或过滤混凝土(图1)。其最突出的特点是水可以从空隙中通过，从而达到减少积水的效果，是一种渗水性能卓越的工程材料。

图1 透水混凝土表面

透水混凝土主要有如下优点[4]：

(1)在雨天可以显著提高路面的透水性能，减少积水；

(2)水从透水混凝土的空隙中贯通从而渗入地下，一定程度维持了地下水资源的生态平衡；

(3)反射更少的太阳热辐射，缓解“热岛效应”；

(4)增大车辆轮胎与路面的摩擦力，进而避免车辆行驶过程中的滑移；

(5)作为一种多孔材料，透水混凝土能吸收环境噪声，减少噪音污染。

透水混凝土的劣势主要体现在：

(1)透水混凝土作为一种半脆性材料，容易在荷载作用下产生裂纹，使路面开裂；

(2)由于在透水混凝土中的钢筋会更易锈蚀的原因，所以透水混凝土多为素混凝土，抗荷载能力会很差[5]。

3.2 透水混凝土在国内外的研究历程

3.2.1 国外研究

透水混凝土并非新型材料，欧州的发达国家早在一百多年前就开始开发透水地面铺装，在广场、公园等场所已经得以应用，由于其显著的高经济性，在受战争影响的年代，透水混凝土备受青睐，自20世纪70年代始，美、英、法、意等国家都开始广泛应用。70年代末，美国研制出一种无砂透水，采用Ⅰ型波特兰水泥,28 d抗压强度为26.2 MPa，在90年代，弗洛里达州还成立了“透水性波特兰水泥混凝土混会”[6]。

法国的研究应用相较于美国更为先进，在透水混凝土试验大范围展开的情况下，这种材料的应用已经十分广泛了。为增加混凝土的抗冻性能，法国实验室还掺入引气剂。法国的des. Poutest Chaussees 中心实验室承担了透水混凝土的多数研究。此时法国于半数的网球场都已经采用了透水混凝土为主要材料。

1976～1979年，日本提出了“雨水的地下还原政策”用以解决日本由于地理特殊性带来的地基沉降问题，该政策着重于地下水的补充。日本学者在研究透水混凝土的耐久性时申请了透水混凝土路面材料的专利，该专利创新性地加入了高分子树脂等掺和材料。

综上，多个国家均已对透水混凝土进行了深入研究，并广泛应用，但目前对透水混凝土的研究应用依然有相当的上升空间[7]。

3.2.2 国内研究

国内对于透水混凝土的研究主要始于1970年，大量试验表明透水混凝土的强度和耐久性都不如传统混凝土。在到1980年中的10年内，北京市园林局为改善古树的生存环境，开始着手于对透水混凝土砌块的研制[8]。但是总的来说，透水混凝土在我国的进展相较于国外仍有较大差距，相关技术企业也不多，有广阔的市场空间。我国的研发差距主要表现在，我国目前仍为现场制备，而国外已经基本实现工业化生产和大型机械规模化施工，此外，我国目前尚缺乏权威的技术指标，标准化方面明显滞后。但随着节能减排政策的大力施行，节约型社会的建设已经刻不容缓。透水混凝土作为一项环保材料和技术，必将得到长足发展。

3.3 透水混凝土的制备

3.3.1 制备原理

混凝土一般情况下由骨料、浆体和气体三相中成分构成，而混凝土的透水性差异往往在混凝土的混合阶段得以显现，这个阶段的凝聚状态可大致分为悬摆状态、连锁状态、毛细状态和浆体状态，而透水混凝土就处于连锁状态，当胶结材料的体积小于骨料堆积状态总孔隙的体积时，混凝土就留在这个状态，同时留下一部分空隙作为透水通道[9]。胶结材料过多或过少分别会导致混凝土状态落在悬摆状态和毛细状态或浆体状态，这会分别导致透水混凝土的透水性和强度出现下降。

3.3.2 原材料

透水混凝土的主要原材料为水泥、骨料、掺合料以及添加剂，透水混凝土的制备对原材料要求严格，且对原材料指标要求高[10]。

透水混凝土中的骨料多采用粗骨料，且粗骨料的最大粒径正常不超过25 mm，同时保证了贯通空率和合适的孔径尺寸。粗骨料可以分为连续级配、间断级配、单位级三类[11]，连续级配的力学性能要优于单位级和间断级配，但后者更为常用，主要由于对骨料空隙率的要求。经过特殊工艺配比后，连续级配可能满足工程要求，这样制成的透水混凝土的稳定性较高。

对于胶结材料，普通硅酸盐水泥(即波特兰水泥)符合《通用硅酸盐水泥》GB175—2007[12]，根据强度要求选用32.5以下或42.5以下符合标准的水泥即可。掺合料以硅灰效果最佳，也可加入树脂配合无机材料使用，以提高混凝土的黏聚性和强度[13]。

3.3.3 制备工艺

制备流程如图2所示，采用如图的工艺制备可保证工作性，尤其当粗骨料为卵石时更显其优越性[14]。

图2 透水混凝土制备流程

4 结论与展望

本文通过调研相关文献，结合目前国内外研究现状，对“海绵城市”理论以及透水铺装中透水混凝土的应用进行了分析和研究[15～20]。可以看出，多孔混凝土相较于传统混凝土，在牺牲部分强度的情况下，透水性和生态功能得到大幅提升，是透水铺装系统的理想材料，可以广泛应用于对承载性能要求不高的场景中。相关成果可为未来海绵城市的相关研究提供参考和支撑。