海绵城市道路透水混凝土铺装路面耐久性分析

摘 要：本文对海绵城市道路透水混凝土铺装路面耐久性分析方法进行研究，为海绵城市建设提供有效指导。通过选择原材料和设计配合比，制备海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件，并在不同试验环境下，对制备的试件进行验证。试验结果表明：在受侵蚀和冻融环境下，添加高强陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的抗压强度和抗折强度数值较高，动弹性模量折减率数值最低，耐久性更佳。在添加相同骨料的情况下，水灰比数值大的试件耐久性更好。在磨损测试下，水灰比较大的试件磨损数值略小，其耐久性更好。

关键词：海绵城市道路；透水混凝土；铺装路面；耐久性分析；冻融性；力学性能

中图分类号：TU 528" " " " " " " " " " " 文献标志码：A

城市硬化路面透水性差，因此大范围降雨时增加了城市发生内涝的风险，影响人们日常出行[1]。海绵城市是利用城市道路和建筑等缓释雨水，减轻地表水对城市的危害，科学合理地实施城市规划[2-3]。透水混凝土技术是海绵城市建设中的核心技术，它将透水混凝土应用在海绵城市道路路面铺装建设中，提高海绵城市道路路面耐久性和排水防涝功能。因此，对混凝土铺装路面耐久性进行分析具有积极意义。

目前，相关学者已经开始对该课题进行深入研究，在对试件实施冻融试验后，用超声波技术采集孔隙率曲线，分析透水性混凝土路面耐久性。但该方法需要投入设备成本较高，经济适应性差。通过研究低砂取代率对透水性混凝土路面的耐久性影响，确定在透水性混凝土加入8%低砂可提高透水性混凝土路面的耐久性。但该方法仅从材料添加量出发，未对透水性混凝土路面的力学性能进行研究，研究方法比较单一。因此，需要研究海绵城市道路透水混凝土铺装路面耐久性，并从多角度分析透水混凝土铺装路面耐久性，提高海绵城市道路的质量。

1 材料方法

1.1 原材料选取

普通硅酸盐水泥，型号为PI42.5，该水泥技术性能见表1。

外加剂为聚羟酸粉体，羟丙基甲基纤维素，淀粉醚。将上述材料与水复合形成外加剂，其含固量为42%。

骨料为碎石、轻质陶粒、高强陶粒，均来自本地。

1.2 配合比设计

设计每立方米透水混凝土配合比，见表2。

1.3 路面特点分析

在海绵城市中，道路透水混凝土铺装路面具有以下特点。1）透水性：道路透水混凝土铺装路面采用了特殊的设计和材料，使水分能够通过路面渗透到地下水系统中。这样可以减少雨水径流量，提高雨水透水和排水能力，降低城市的洪涝风险。2）水持久性：透水混凝土路面能够将雨水迅速、均匀地渗透到地下，不会出现积水问题，保持道路表面干燥。这可以提高道路的交通安全性和行车舒适度。3）生态环境友好：透水混凝土路面为植物生长提供了空间和养分。采用在路面中设置树坑或草坪带绿化设施等方式，可以增加绿色覆盖面积，改善城市热环境，促进生物多样性，并起到净化空气和水质的作用。4）减少噪声污染：与传统的非透水路面相比，透水混凝土路面能够有效降低车辆行驶时产生的噪声，透水路面能够减少轮胎与路面摩擦，改善周围居民的生活环境。5）抗滑性能：透水混凝土路面采用特殊的表面处理方法，因此具有良好的抗滑性能[4]。即使在雨天或湿滑条件下，道路表面仍能起到较好的抗滑作用，降低交通事故的发生风险。

1.4 试件制备

根据表2的透水混凝土配合比，使用分层插捣方式浇筑成型，试件详细制备过程如下。1）将普通硅酸盐水泥和外加剂添加到卧式搅拌机内，搅拌3min。2）添加水，再次搅拌3min。3）添加不同类型骨料继续搅拌8min。4）使用插捣方式分三层浇筑海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件，保证每层厚度大致相同，然后从边缘到中心以螺旋方式垂直插捣30次～40次。5）将插捣后的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件放在常温环境中养护24h后拆除模具，再将其放入温度为85℃的热水内浸泡2天，替代28天标准养护。

根据上述步骤，制备不同水灰比的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件，按照水灰比和添加不同的骨料，分别命名，试件名称见表3。

1.5 耐久性测试方法

虽然海绵城市中的透水混凝土路面具有良好的特性，但是从可持续性考虑和降低管网负荷两个方面考虑，需要进一步分析海绵城市中的透水混凝土路面耐久性。

海绵城市的核心目标之一是实现可持续发展，其中，将道路透水混凝土铺装路面作为重要的基础设施要素，需要满足经济、环境和社会可持续性的要求[5]。分析耐久性可以帮助评估路面的寿命周期成本、环境影响以及与其他城市功能的协调程度，从而更好地实现可持续发展目标。

透水混凝土铺装路面具有雨水的透水和排水功能，能够减轻城市雨洪的压力，降低管网系统的负荷。然而，如果透水混凝土路面的耐久性不足，就可能会出现渗漏、裂缝等问题，影响其透水和排水性能。

因此，分析耐久性有助于保证透水混凝土路面的功能稳定，降低管网负荷，保护城市雨洪管理系统的可持续运行。由于海绵城市道路透水混凝土铺装路面的耐久性衡量指标较多，因此利用实验室自制透水仪测量试件的透水系数kT，计算过程如公式（1）所示。

式中：Z为时间为t时试件渗出的水量；L为试件厚度；A为试件上表面积；H为水位差；t为时间。

根据国家对普通混凝土水泥力学性能检验方法中规定的标准，测试海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的抗压和抗折强度，将3个相同试件的测试结果作为一组，计算试件的抗压强度和抗折强度平均值，计算过程如公式（2）、公式（3）所示。

式中：fc、ff分别为试件的抗压强度和抗折强度平均值；F为破坏荷载；A'为试件承压面积；b、g分别为试件截面高度和宽度；Q为支座间跨度。

参考国际对普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准中的快速冻融方法，对海绵城市道路透水混凝土铺装路面冻融耐久性进行测试。将最大冻融次数设置为100次，测试海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的动弹性模量，当损失值超过60%时，认为该试件已经失效。利用超声波检测仪向经过冻融试验的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件发射超声波，每个试件取3个测试点，计算3个测试点动弹性模量的平均值Ed，计算过程如公式（4）所示。

式中：ρ为试件的密度；v为超声波速度；μ为试件泊松比。

考虑海绵城市道路透水性，其会遭受环境内多种复杂因素的影响，因此选择侵蚀溶液对海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件进行侵蚀测试，侵蚀溶液内含有的侵蚀溶质和其质量分数见表4。

根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法对试件的耐磨性进行测试。

2 试验结果与分析

将透水系数作为衡量指标，测试制备的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的透水性。将28天作为试验时间段，对不同骨料类型和水灰比的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件进行透水性测试，分析其透水系数变化情况，结果见表5。

由表5可知，不同骨料类型和水灰比的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的透水系数数值，会随着测试时间增加而降低，当骨料类型相同时，水灰比较大的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的透水系数要低于水灰比较小的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件，说明水灰比越大，制作的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件结构越密实，其坚固性越好，透水性能略差。而当骨料类型不同时，骨料类型为轻质陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件在相同配合比情况下的透水系数数值最高，其次是添加碎石和高强陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件。轻质陶粒是高温烧制膨化而成的，吸水率较大[6]，因此利用其制作的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件内部结构有效空隙较多，因此其渗透性较强。而高强陶粒硬度较高且颗粒小于碎石，使用高强陶粒制作的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的透水性要低于使用碎石制作的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件。综合上述结果，当海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件水灰比越高时，其透水性能略差，但试件自身的强度略高，使用轻质陶粒骨料的试件透水性高于碎石的试件和高强陶粒制作的试件。

将抗折强度和抗压强度作为衡量海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的耐久性指标，使用侵蚀溶液对试件进行侵蚀，测试制作的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件在侵蚀时间不同的情况下，其抗折强度和抗压强度变化情况，结果如图1所示。

分析图1（a）可知，当海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件受到侵蚀溶液侵蚀时，其抗折强度随着侵蚀时间呈现先提高后降低的趋势。当试件受到侵蚀溶液侵蚀时，试件内部结构空隙被侵蚀溶液填满，在骨料不定向混杂分布状态下，在试件内部形成了具有一定拉结力作用的网格结构，此时试件抗折强度呈现上升趋势。但随着侵蚀时间增加，添加不同骨料的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的抗折强度呈现下降趋势，其中抗折强度由大到小分别为高强陶粒、碎石和轻质陶粒。但在骨料相同的情况下，水灰比较高的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件抗折强度数值较高，其耐久性越好。分析图1（b）可知，不同骨料的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件抗压强度数值会随着侵蚀时间增加而呈现先增后减的趋势，但其起伏幅度要低于试件的抗折强度，且其抗折强度也是配合比越大，添加相同骨料的试件抗压强度越高，当添加骨料不同时，则高强陶粒＞碎石＞轻质陶粒。综合上述结果，添加高强陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件在受到侵蚀情况下，其耐久性更佳，在添加相同骨料的情况下，水灰比数值大的试件耐久性更好。

我国气候四季分明，海绵城市道路透水混凝土铺装路面在应用中会受到多次冻融，测试添加不同骨料和水灰比的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件在不同冻融次数情况下，其抗压强度损失率变化情况，结果见表6。

分析表6可知，添加不同骨料和水灰比不同的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件的抗压强度损失率随着冻融次数增加而增加。其中，在添加相同骨料的情况下，相同冻融次数时，水灰比较大的海绵城市道路透水混凝土 铺装路面试件的抗压强度损失率数值较小，说明其具备较好的抗冻融性能，耐久性较好。而添加的骨料不同时，在相同冻融次数情况下，添加高强陶粒的城市道路透水混凝土铺装路面试件抗压损失率数值最小，其次是分别添加碎石和轻质陶粒的试件。综合上述结果：在相同冻融次数情况下，添加高强陶粒的城市道路透水混凝土铺装路面试件耐久性最好，而水灰比较大、添加骨料相同的城市道路透水混凝土铺装路面试件耐久性最好。

将动弹性模量折减率作为衡量其耐久性指标，测试在不同冻融次数下，不同骨料和水灰比的试件动弹性模量折减率变化情况，结果如图2所示。

分析图2可知，不同骨料和水灰比的试件弹性模量折减率均随着冻融循环次数增加而降低。其中，在相同冻融循环次数情况下，添加高强陶粒的试件动弹性模量折减率数值最小。而添加骨料相同，水灰比数值较大的试件动弹性模量折减率数值越小。综上所述，在多次冻融条件下，添加高强陶粒的试件动弹性模量折减率数值最低，耐久性最强。

在耐磨试验持续30天后，验证添加不同骨料和水灰比不同的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件表面的磨坑长度和其耐磨程度，结果如图3所示。

分析图3（a）可知，在对添加不同骨料和水灰比不同的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件进行30天耐磨测试后，添加轻质陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件B-1和B-2的磨损长度分别为0.97mm和0.965mm左右，其次是添加碎石的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件A-1和A-2磨坑长度分别为0.96mm和0.957mm左右，而添加高强陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件C-1和C-2磨坑长度为0.94mm和0.938mm左右。试件A-1和A-2、B-1和B-2间的磨坑长度差值略大，而添加高强陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件C-1和C-2之间的磨坑长度区别不大。以上结果说明，当试件受到磨损时，添加高强陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件耐磨性能较好，水灰比不同对其耐磨性影响略小。分析图3（b）可知，添加高强陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件耐磨程度最高，其次是分别添加碎石和轻质陶粒的试件。综合上述结果可知，添加高强陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件在受到磨损时的耐久性最好。

3 结论

本文提出海绵城市道路透水混凝土铺装路面耐久性分析方法，采用该方法制作添加骨料不同和水灰比不同的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件，并在不同试验条件下对所制备的试件耐久性进行验证，试验结果表明：在骨料添加相同情况下，水灰比数值较大的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件耐久性更好，添加高强陶粒的海绵城市道路透水混凝土铺装路面试件在不同试验条件下的耐久性最好。

参考文献

[1]朱润田，刘珊，张小明，等.海绵城市透水混凝土路面堵塞及渗透性能研究[J].中外公路，2022，42（3）：30-35.

[2]冉茂清，冯文博，王崇祯，等.透水混凝土在海绵城市建设中的应用[J].建筑技术开发，2022，49（16）：143-145.

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