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透水混凝土簡介

1.1透水混凝土的歷史背景

透水混凝土的研究應(yīng)用始于100多年前，據(jù)v·M·Malhortra記載：1852年英國在建造工程中由于缺少細(xì)骨料，開發(fā)了不含細(xì)骨料的混凝土，即透水混凝土。美國在20世紀(jì)60年代就開始了對普通混凝土及透水性混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究。1995年，南伊利諾伊大學(xué)的Nader Ghafoorim闡述了不含細(xì)骨料混凝土的概要。提出了透水混凝土這一概念，討論了透水混凝土作為鋪路材料的使用技巧，對其物理力學(xué)性質(zhì)及狀態(tài)，特別是對沖擊加固法進(jìn)行了探討研究，討論了加固時(shí)的能量、效果、調(diào)配、制造時(shí)的技術(shù)等對硬化后混凝土的物理力學(xué)性能所產(chǎn)生的影響；并且還在磨耗性及抗凍性方面進(jìn)行了闡述。在日本，為了解決因抽取地下水而引起地基下沉等問題，在20世紀(jì)70年代后期提出了“雨水的地下還原政策”，著手開發(fā)透水性混凝土鋪裝，并應(yīng)用于實(shí)際工程。從那時(shí)起透水混凝土逐漸被人們所關(guān)注[1]。

1.2透水混凝土的概念

透水混凝土是由粗骨料、水泥和水及添加物拌制而成的一種多孔輕質(zhì)混凝土，它不含細(xì)骨料，由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿相互粘結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，故具有透氣、透水和重量輕等特點(diǎn)[2]。

1.3透水混凝土的結(jié)構(gòu)

透水混凝土主要組成材料為水、水泥、集料及其他增強(qiáng)材料。透水混凝土集料采用骨架——空隙型級配，水泥凈漿或加入少量細(xì)集料或增強(qiáng)材料的砂漿薄層包裹在骨料顆粒表面形成骨料顆粒間膠結(jié)層，骨料顆粒通過硬化的水泥(砂)漿薄層堆聚形成多孔“拱架”結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部存在著大量連通孔隙，且多為直徑超過1mm的大孔。透水混凝土的透水透氣性能取決于其內(nèi)部的連通孔隙率及孔徑大??；力學(xué)強(qiáng)度取決于集料強(qiáng)度、膠結(jié)層強(qiáng)度、膠結(jié)層與集料的界面黏結(jié)質(zhì)量和黏結(jié)點(diǎn)數(shù)量、集料顆粒相互嵌擠形成的“拱架”結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；表面粗糙度主要取決于集料粒徑大小[3]。

1.4透水混凝土的種類

到目前為止， 用于道路鋪裝和地面的透水性混凝土主要有三種類型。

1.4.1水泥透水性混凝土

這是以硅酸鹽類水泥為膠凝材料、采用單一粒級的粗骨料，不用或少用細(xì)骨料配制的無砂、多孔混凝土。該種混凝土一般采用較高強(qiáng)度的水泥，骨灰比為3.0-4.0，水灰比為0.3-0.35?；炷涟韬衔镙^干硬， 采用加壓振動成形，形成具有連通孔隙的混凝土。硬化后的混凝土內(nèi)部通常含有20%左右的連通孔隙，相應(yīng)的表觀密度低于普通混凝土， 通常為1 700-2 200 kg/ m3?？箟簭?qiáng)度可達(dá)15-35 MPa， 抗折強(qiáng)度可達(dá)3-5 MPa， 透水系數(shù)為1-15mm/ s。

1.4.2高分子透水性混凝土

這是采用單一粒級的粗骨料， 以瀝青或高分子樹脂為膠結(jié)材料配制的透水性混凝土。與水泥透水性混凝土相比， 該種混凝土強(qiáng)度較高， 但成本也高。同時(shí)由于有機(jī)膠凝材料耐熱性較差， 在日光大氣因素作用下容易老化， 其性能受溫度影響較大，尤其是溫度升高時(shí)， 容易軟化流淌， 使透水性受到影響。因此， 在保證空隙的前提下，抗老化、熱穩(wěn)定性就是保證質(zhì)量的關(guān)鍵。

1.4.3燒結(jié)透水性制品

以廢棄的瓷磚、長石、高嶺土、粘土等礦物的粒狀物和漿體拌合， 壓制成坯體， 經(jīng)高溫煅燒而成，具有多孔結(jié)構(gòu)的塊體材料。該類透水性材料強(qiáng)度高， 耐磨性好， 耐久性優(yōu)良， 但燒結(jié)過程需要消耗能量，成本較高， 適用于用量較小的園林、廣場、景觀道路鋪裝部位。

1.5透水混凝土的生產(chǎn)工藝

透水混凝土的投料順序采用先將水泥、摻合料、骨料投入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌1min，再加入外加劑和一半的水量攪拌1min，最后投入剩余水量，攪拌均勻后出機(jī)，出機(jī)速度慢于普通混凝土，適用于混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸。透水混凝土拌合物中水泥漿的稠度大，石子用量多，為了使水泥漿能夠均勻地包裹在骨料上，攪拌時(shí)間不宜低于3min[4]。

透水混凝土生產(chǎn)工

1.6透水混凝土的優(yōu)越性

透水凝土具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，比一般混凝土更具有代表性。我們從比較中不難看出。

透水混凝土與一般混凝土的比較

比較項(xiàng)目

透水混凝土

普通混凝土

排水透水性

排水性和透水性好，能實(shí)現(xiàn)自由排水

自身多孔性，過濾效果好

不具備透水性，只能通過排水管渠實(shí)現(xiàn)排水

無過濾性能，不能降低暴雨對城市水體的污染

蓄水性

能充分利用雷雨降水，增大地表相對濕度，補(bǔ)充地下水資源，發(fā)揮透水性路基的“蓄水池”功能

沒有蓄水功能，硬化的地面使天降雨水不能夠直接滲透入地面而被轉(zhuǎn)化為地下水。

環(huán)境效應(yīng)

能調(diào)節(jié)城市地表空間的濕度、溫度等氣候條件，能使地面與空氣進(jìn)行熱量與溫度的交換

具有吸聲降噪的特點(diǎn)

沒有改善環(huán)境的功能，產(chǎn)生熱島現(xiàn)象

吸聲差，不能有效防治噪聲污染

第1透水混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1透水混凝土在國內(nèi)外的發(fā)展

2.1.1國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

世界上一些發(fā)達(dá)國家對透水混凝土研究和應(yīng)用已有近30年的歷史。1979年，在美國佛羅里達(dá)州saraaota地區(qū)的一座教堂附近，首次使用無砂多孔混凝土建了停車場，并獲得透水性混凝土的專利，隨后，美國的新墨西哥州和猶他州將無細(xì)集料混凝土作為路面面層材料用于停車區(qū)路段。德國從20世紀(jì)80年代起就致力于不透水路面的改造，其目標(biāo)是在2010年把全國城市90％的路面改造為透水路面。德國南部的弗萊堡是當(dāng)今著名的生態(tài)城市，10多年前，弗萊堡提出了建生態(tài)城市的規(guī)劃，徹底拆除城市所有的硬化地面(公路除外)，代之以多種形式的透水地面，結(jié)果使弗萊堡的地下水位逐漸回升，植被能完全脫離人工澆灌而郁郁蔥蔥。由于透水地面能通透“地氣”，因而感到地面夏天涼爽、冬天暖和；雨季透水、冬季易化雪(不結(jié)冰)；能吸附粉塵并減少揚(yáng)塵污染等，大大提高了環(huán)境的舒適度。

日本是資源缺乏的國家，因此特別重視水資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。在20世紀(jì)80年代初，日本就在全國推行了“雨水滲透計(jì)劃”，即：從理論研究到應(yīng)用開發(fā)、從原材料品質(zhì)到設(shè)計(jì)方法、從施工工藝到設(shè)備選型、從技術(shù)規(guī)范到法律法規(guī)都開展了一系列工作。日本混凝土協(xié)會在1994—1995年設(shè)立了“生態(tài)混凝土研究委員會”，以多孔混凝土為主要課題進(jìn)行研究并取得了大量的成果，且在國內(nèi)多個(gè)城市推廣應(yīng)用。目前，日本國內(nèi)各種車用道路(包括高速公路)、步行道、各種廣場和體育設(shè)施場地、公園和公共綠地等都廣泛采用了透水混凝土。從2001年至今，凡是新的市政建設(shè)和改造翻修項(xiàng)目全都應(yīng)用了透水工程材料[7]。

2.1.2國外發(fā)展?fàn)顩r

本世紀(jì)初，我國相繼開展透水混凝土的應(yīng)用。杭州市除運(yùn)河治污工程外，從2005年開始在城市市政建設(shè)中大規(guī)模推廣使用透水工程材料。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2007年杭州市鋪設(shè)透水混凝土面積達(dá)30萬m2。北京市僅在奧運(yùn)場館建設(shè)中鋪裝透水工程材料達(dá)10多萬m2。在奧運(yùn)公園水環(huán)境設(shè)計(jì)思路的討論會上，一位專家提出，奧運(yùn)公園最重要的設(shè)計(jì)之一，應(yīng)是讓地面具有很好的雨水回滲功能。上海在新建改建公園中積極推廣透水材料鋪裝，2010年舉辦的上海世博會工程、特奧會訓(xùn)練基地建設(shè)大量采用透水混凝土鋪裝。建設(shè)部也在大力推廣透水混凝土材料，這標(biāo)志著城市建設(shè)逐步走出硬化的誤區(qū)，向人們展示一種全新的，具有環(huán)境、生態(tài)、水資源保護(hù)功能的地面鋪設(shè)[7]。

2.2透水混凝土在工程中的應(yīng)用及優(yōu)越性能的體現(xiàn)

2.2.1透水混凝土在路面工程中的應(yīng)用及體現(xiàn)

國家體育場“鳥巢”工程的湖邊西路道路工程從南一路至辛店村，面積達(dá)9 700多m2，用透水混凝土鋪設(shè)。透水混凝土在國家體育場“鳥巢”工程的湖邊西路道路得到了較大面積的成功應(yīng)用。經(jīng)過權(quán)威部門檢測，達(dá)到了C20混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號的強(qiáng)度，透水系數(shù)達(dá)到6．2 mm／s，孔隙率達(dá)到28％，抗凍融大于50。

2.2.2透水混凝土在園林綠化工程中的應(yīng)用及體現(xiàn)

透水混凝土經(jīng)過壓模、壓印、壓花，成為一種防水、防滑、防腐的綠色環(huán)保地面裝飾材料。它是在未干的水泥地面上加上一層彩色強(qiáng)化料(起裝飾和強(qiáng)化混凝土作用)及著色脫模粉(起二次著色和脫模作用)，然后用專用的模具在水泥地面上壓印。在混凝土表層依靠彩色強(qiáng)化料、著色脫模粉、專用成型模、專業(yè)工具以及環(huán)保養(yǎng)護(hù)劑，在鋪設(shè)混凝土?xí)r能在其表面層上創(chuàng)造出逼真的大理石、石板、瓦片、磚石、巖石、卵石等自然效果的地面材料工藝。經(jīng)過這些裝飾的混凝土能使水泥地面永久地呈現(xiàn)各種色澤、圖案和質(zhì)感，逼真地模擬自然的材質(zhì)和紋理，隨心所欲地勾劃各類圖案，而且愈久彌新，使人們輕松地實(shí)現(xiàn)建筑物與人文環(huán)境，自然環(huán)境和諧相處，融為一體的理想。

2.2.3透水混凝土在城市排水防澇中的應(yīng)用及體現(xiàn)

2007年7月中下旬，重慶、濟(jì)南和武漢等城市先后遭受特大暴雨襲擊，主城區(qū)出現(xiàn)大面積積水，導(dǎo)致交通嚴(yán)重受阻、市民出行艱難，并給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。究其原因，除了降雨強(qiáng)度巨大、城市地下排水管網(wǎng)排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)較低和城市排水系統(tǒng)年久失修、排洪泄洪能力不足等外，城市化速度加快而城市透水能力不斷減弱也可以認(rèn)為是一個(gè)重要的因素。廣州市市政園林局為了解決“水浸街”難題，首次在舊城區(qū)進(jìn)行“透水性路面材料”的應(yīng)用研究。市政部門選擇了中山七路陳家祠北側(cè)、康王北路西側(cè)的龍?jiān)瓷鐓^(qū)內(nèi)一段約260m長的道路作為實(shí)驗(yàn)路段。經(jīng)過測算，該路面每平米一分鐘就能吸收270升左右的水，而廣州雨量也不過100毫升／分鐘，鋪裝后，路面積水會一部分直接滲透入地下，一部分從排水系統(tǒng)收集，可以協(xié)助城市排水系統(tǒng)有效排澇。因此，透水性混凝土路面的鋪設(shè)能大大緩解排水管道網(wǎng)的壓力，從而減少雨水浸街[9]。

2.3影響透水混凝土性能的因素

2.3.1水灰比

水灰比既影響混凝土的強(qiáng)度，又影響其透水性。透水混凝土的水灰比一般隨著水泥用量的增加而減少，但只是在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動。對確定的某一級配骨料的水泥用量，有一最佳水灰比，此時(shí)透水混凝土才會具有最大的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)水灰比小于這一最佳值時(shí)，水泥漿難以均勻地包裹所有的骨料顆粒，工作度變差，達(dá)不到適當(dāng)?shù)拿軐?shí)度，不利于強(qiáng)度的提高。反之，如果水灰比過大，易產(chǎn)生離析，水泥漿會從骨料顆粒上淌下，形成不均勻的混凝土組織，既不利透水，也不利于強(qiáng)度的提高[6]。

2.3.2膠結(jié)材料

透水混凝土性能在不同強(qiáng)度膠結(jié)材料的影響條件下，透水混凝土強(qiáng)度隨著水泥石強(qiáng)度的增加而提高。與普通混凝土相似，透水混凝土形成強(qiáng)度主要靠膠結(jié)材料的強(qiáng)度，膠結(jié)材料強(qiáng)度增加，透水混凝土的強(qiáng)度當(dāng)然隨之增大。

2.3.3骨灰比

多孔透水混凝土的抗壓強(qiáng)度主要由粗骨料之間的咬合摩擦力以及骨料與水泥漿體的粘結(jié)強(qiáng)度決定。水泥漿體的抗壓強(qiáng)度主要由水灰比決定，在一定水灰比下。水泥用量的增大使得界面厚度增大，粘結(jié)面積以及粘結(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，從而提高了它的抗壓強(qiáng)度。另外，隨著水泥用量的增大，骨料顆粒之間的粘結(jié)狀況可能會發(fā)生變化，由原來通過水泥漿體的點(diǎn)接觸粘結(jié)發(fā)展為通過水泥漿體的面接觸粘結(jié)，從而使得多孔透水混凝土的抗壓強(qiáng)度增加。隨著水泥用量的增大，粗骨料之間原來連通的孔隙會逐漸減小變得不連通，整個(gè)骨架透水的通道減少而使其透水系數(shù)降低。又因水泥漿體的流變性比較大，水泥用量的增大將使其更趨于采用填充骨料之間空隙的方式來構(gòu)成結(jié)構(gòu)；因此使得多孔透水混凝土的空隙率及透水系數(shù)顯著下降[6]。

2.3.4攪拌工藝

由于透水混凝土水泥漿較少，微量或無細(xì)集料，在成型時(shí)若采用機(jī)械振搗的方式，將使水泥漿聚集到底部，使混凝土底部封閉，失去透水能力。故可采用輕型擊實(shí)的方法，顯然開始時(shí)隨著錘擊次數(shù)的增加，強(qiáng)度及體密度逐漸增大，減小了內(nèi)部的空隙。但當(dāng)錘擊次數(shù)達(dá)到一定程度以后，透水混凝土已基本密實(shí)了。這時(shí)強(qiáng)度及體積密度也不會有明顯變化。

2.4透水混凝土在發(fā)展中存在的問題及建議

2.4.1透水混凝土在發(fā)展中存在的問題

（1）透水性混凝土雖然具有良好的透水性，但力學(xué)性能與普通混凝土相比有所下降。

（2）隨著使用時(shí)間的延長，透水性混凝土的透水、排水性能會逐漸下降。

（3）透水性混凝土的抗凍融性能比普通混凝土要差。

（4）現(xiàn)階段透水性混凝土造價(jià)略高于普通混凝土。

（5）我國目前還沒有制定透水性混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和施工技術(shù)規(guī)程，這為透水性混凝土的制造和施工監(jiān)督帶來不利影響。

2.4.2解決問題措施的建議

(1)對透水混凝土材料的微觀及宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)一步解釋其使用性能及物理力學(xué)性能，以提高透水混凝土抗壓，抗折強(qiáng)度及耐久性。

(2)分析透水混凝土透水功能下降的原因及影響因素，研究相應(yīng)的解決辦法并分析其可行性。

(3)對透水混凝土在透氣、透水、吸聲降噪、凈化水體等方面的生態(tài)環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究，以拓展其在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用。

(4)制定有關(guān)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、管理等方面的國家級規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)．以便在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用[10]。