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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骨料，開發(fā)了不含細骨料的混凝土，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)計方法的研究。1995年，南伊利諾伊大學(xué)的Nader Ghafoorim闡述了不含細骨料混凝土的概要。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行了探討研究，討論了加固時的能量、效果、調(diào)配、制造時的技術(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)用于實際工程。從那時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[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集料或增強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小；力學(xué)強度取決于集料強度、膠結(jié)層強度、膠結(jié)層與集料的界面黏結(jié)質(zhì)量和黏結(jié)點數(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，不用或少用細骨料配制的無砂、多孔混凝土。該種混凝土一般采用較高強度的水泥，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?？箟簭姸瓤蛇_15-35 MPa， 抗折強度可達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， 該種混凝土強度較高， 但成本也高。同時由于有機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， 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、骨料投入攪拌機進行攪拌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，出機速度慢于普通混凝土，適用于混凝土攪拌運輸車運輸。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，能使地面與空氣進行熱量與溫度的交換

具有吸聲降噪的特點

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。在20世紀(jì)80年代初，日本就在全國推行了“雨水滲透計劃”，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行研究并取得了大量的成果，且在國內(nèi)多個城市推廣應(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，至2007年杭州市鋪設(shè)透水混凝土面積達30萬m2。北京市僅在奧運場館建設(shè)中鋪裝透水工程材料達10多萬m2。在奧運公園水環(huán)境設(shè)計思路的討論會上，一位專家提出，奧運公園最重要的設(shè)計之一，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，達到了C20混凝土設(shè)計標(biāo)號的強度，透水系數(shù)達到6．2 mm／s，孔隙率達到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化料(起裝飾和強化混凝土作用)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)致交通嚴重受阻、市民出行艱難，并給人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失。究其原因，除了降雨強度巨大、城市地下排水管網(wǎng)排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計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為是一個重要的因素。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)的龍源社區(qū)內(nèi)一段約260m長的道路作為實驗路段。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，此時透水混凝土才會具有最大的抗壓強度。當(dāng)水灰比小于這一最佳值時，水泥漿難以均勻地包裹所有的骨料顆粒，工作度變差，達不到適當(dāng)?shù)拿軐嵍?，不利于強度的提高。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，也不利于強度的提高[6]。

2.3.2膠結(jié)材料

透水混凝土性能在不同強度膠結(jié)材料的影響條件下，透水混凝土強度隨著水泥石強度的增加而提高。與普通混凝土相似，透水混凝土形成強度主要靠膠結(jié)材料的強度，膠結(jié)材料強度增加，透水混凝土的強度當(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)強度決定。水泥漿體的抗壓強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)點的數(shù)量增加，從而提高了它的抗壓強度。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，微量或無細集料，在成型時若采用機械振搗的方式，將使水泥漿聚集到底部，使混凝土底部封閉，失去透水能力。故可采用輕型擊實的方法，顯然開始時隨著錘擊次數(shù)的增加，強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)達到一定程度以后，透水混凝土已基本密實了。這時強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)進行系統(tǒng)研究，進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)進行現(xiàn)場試驗研究，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、施工、養(yǎng)護、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]。