張國強(qiáng)　　賴俊（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

透水混凝土的研究進(jìn)展綜述

張國強(qiáng)賴俊
（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

本文總結(jié)了透水混凝土的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了透水混凝土成型方式和砂率對(duì)28d抗壓強(qiáng)度和透水性的影響。研究了其抗凍性，吸聲降噪性和抗疲勞性等性能，指出了透水混凝土目前存在的問題，并結(jié)合堵塞機(jī)理提出了相關(guān)解決思路。

透水混凝土；強(qiáng)度；透水性；抗凍性；吸聲降噪性；抗疲勞性

1　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量人口涌入城市，造成水資源短缺，地下水位下降，同時(shí)大量高樓的建造也使路面排水設(shè)施無處修建。目前城市的路面都是水泥或?yàn)r青混凝土路面，這些路面都是不透水的，當(dāng)城市有暴雨出現(xiàn)時(shí)，路面會(huì)積累大量的雨水造成城市內(nèi)澇，尤其像我國廣州、深圳、長沙、武漢等降雨量大的城市，每年因?yàn)閮?nèi)澇造成大量人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失的案例屢見不鮮。另外，不透水道路的舒適度以及安全性能也會(huì)因?yàn)槁访娣e水而顯著減低。

與普通路面相比，透水混凝土路面具有以下優(yōu)點(diǎn)：①有效解決路面積水問題；②緩解地下水位的下降；③吸收行車產(chǎn)生的噪音。顯然，它能解決普通路面的上述弊端，更加環(huán)保，將會(huì)是我國構(gòu)建“海綿城市”的重要材料。

2　透水混凝土在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外的研究現(xiàn)狀

透水混凝土并不是現(xiàn)代新式材料。早在20世紀(jì)初期，國外就己經(jīng)開始進(jìn)行對(duì)多孔水泥混凝土的制備，制造出許多預(yù)制混凝土構(gòu)件，并將它用于對(duì)房屋的建設(shè)。

1972年，出于對(duì)水資源以及水質(zhì)的保護(hù)，美國通過了清潔水資源法案（Clean Water Act）法案中規(guī)定了各州和各大城市需要確保被收集的降雨的清潔度。之后，進(jìn)行了大量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［1］敘述了透水混凝土的概要，研究了其物理力學(xué)性質(zhì)及狀態(tài)，以及其磨耗性及抗凍性。2003年華盛頓大學(xué)Benjamin O. Brottebo同Derek B.Booth［2］對(duì)在1996年鋪設(shè)4個(gè)停車場所使用的透水混凝土的耐久性、透水性和力學(xué)性能進(jìn)行了的研究和綜合評(píng)價(jià)，4個(gè)停車場透水混凝土均沒有發(fā)生顯著的破壞，雨水的滲透性良好。2016年德克薩斯農(nóng)機(jī)大學(xué) Maria A.Hernandez-Saenz、Silvia Caro［3］等人總結(jié)了美國現(xiàn)有的透水混凝土的相關(guān)性能，確定出了新的路面設(shè)計(jì)方法。

在英國二十世紀(jì)七十年代，很多學(xué)者就開始研究制造透水混凝土，并用透水混凝土建造了長達(dá)183m，5cm厚的面層和25cm厚的基層的路面，該路面在第28天的強(qiáng)度達(dá)到13.8MPa。有跟蹤研究顯示，這條道路的使用性能一直很好，在使用十年以后，這條道路由于凍融而被破壞。

在日本，由于其特殊的地理位置，常年降雨較多，然而地下水位卻越發(fā)下降，在70年代末，為了解決因?yàn)榈叵滤幌陆刀鴮?dǎo)致的地基下沉問題，大量學(xué)者提出了使雨水還原于地下的政策，緩解地下水位的下降，學(xué)者們研究了透水混凝土的透水系數(shù)、孔隙率、強(qiáng)度之間的關(guān)系，并且在1987年申請(qǐng)了有關(guān)透水混凝土的專利。專利中選擇了單一級(jí)配的粗集料、少量細(xì)集料、有機(jī)髙分子樹脂等膠凝材料。此后，日本學(xué)者玉井元治同本享久［4］等研究者又以水泥為膠凝材料做了透水混凝土的試驗(yàn)研究，此種透水混凝土的厚度一般在70～200mm之間，水灰比大約為0.35，釆用5～13mm或2.5～7mm粒級(jí)的碎石制成。2016年日本山口大學(xué)的Yail J.Kima、Adel Gaddafi［5］等人在透水混凝土中加入粉煤灰和輪胎碎片夾雜物等，改善了混凝土的滲透速度，提高了其抗折強(qiáng)度，但輪胎的切屑容易堵塞孔隙主要依賴于他們的幾何配置。

2.2 國內(nèi)的研究進(jìn)展

與國外大量開展的透水混凝土鋪裝材料的研究情況相比，國內(nèi)對(duì)透水混凝土材料的研究時(shí)間短，應(yīng)用比較較少，技術(shù)水平也偏低。近些年，許多材料科研機(jī)構(gòu)開始了大量的透水混凝土研究。其中1993年中國建筑材料科學(xué)研究院進(jìn)行了透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究，并得到了廣泛應(yīng)用。

2000年清華大學(xué)的楊靜、蔣國梁［6］等專家采用細(xì)骨料，礦物細(xì)摻料和有機(jī)增強(qiáng)劑等方法，使得透水混凝土道路材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到35.5MPa，抗折強(qiáng)度6.8MPa，透水系數(shù)2.9mm/s，具備了較高的強(qiáng)度和良好的透水性。

2004年長安大學(xué)的鄭木蓮［7］開展了大量的有關(guān)透水混凝土的排水研究，并分析了全寬式、設(shè)盲溝以及設(shè)集水溝和管的排水系統(tǒng)的排水能力。

綜上所述，許多國家都對(duì)透水混凝土深入的進(jìn)行了研究分析，主要集中在強(qiáng)度以及其抗凍性、吸聲降噪、抗疲勞性能等方面。在當(dāng)今社會(huì)，人們越來越注重環(huán)保，而透水性混凝土作為一種新的環(huán)保材料，正是當(dāng)今社會(huì)所需要的，是創(chuàng)建“海綿城市”的最佳材料。然而，由于各種條件的限制，目前對(duì)透水性混凝土的研究和推廣還有很大的進(jìn)步空間，諸多國家的有關(guān)學(xué)者也都仍然在研究分析中。

3　成型方式、砂率對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和透水系數(shù)的研究

3.1 成型方式

成型方式作為影響透水混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)高低的關(guān)鍵因素之一，振動(dòng)時(shí)間太短導(dǎo)致強(qiáng)度低，透水性好，而時(shí)間太長則會(huì)出現(xiàn)水泥漿體堵塞孔隙，出現(xiàn)不透水的情況，因此必須合理的選擇成型方式。

⑴手工插搗成型：手工插搗制作的試塊均勻性較好，但密實(shí)度差，強(qiáng)度偏低。

⑵機(jī)械振搗成型：機(jī)械振搗時(shí)間越長，孔隙率越小，堆積越緊密，強(qiáng)度越高，但孔隙率越小，透水系數(shù)越小，振動(dòng)時(shí)間取8s將能夠獲得較高的強(qiáng)度。相對(duì)與只進(jìn)行機(jī)械振搗，采用手工插搗和機(jī)械振搗二者相結(jié)合的方式可以保證不降低強(qiáng)度的情況下提高其透水系數(shù)［8］。

⑶靜壓成型：用靜壓成型方式時(shí)，透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度將隨成型壓力的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律，透水系數(shù)則一直減小，當(dāng)成型壓力由15kN增加為25kN時(shí)，部分石子被壓壞，而透水混凝土抗壓強(qiáng)度則提高38.5%，透水系數(shù)下降了14.3%。為了避免骨料在過壓狀態(tài)下破碎，造成透水系數(shù)降低。最佳的成型壓力應(yīng)控制在1.5MPa［9］。

⑷機(jī)械振動(dòng)和靜壓成型：當(dāng)采用機(jī)械振動(dòng)與靜壓成型相結(jié)合的方式，可以利用機(jī)械振動(dòng)成型強(qiáng)度高，靜壓成型透水性好的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械振動(dòng)控制在5s，成型壓力控制在15kN，加載速度控制在0.3MPa/s，其28d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到38.8kN，透水系數(shù)達(dá)到3.5。

3.2 砂率

研究表明隨著砂率的增加，透水混凝土的強(qiáng)度逐漸增加，透水系數(shù)逐漸降低。這是因?yàn)橐话阃杆炷翞榱吮ＷC良好的透水性而不加任何的細(xì)骨料，導(dǎo)致水泥凝膠體與粗骨料之間的過渡區(qū)太大，而水泥硬化體本身內(nèi)部又含有較多的毛細(xì)孔和微裂縫，因此降低了強(qiáng)度。參照高性能混凝土中摻入礦物細(xì)摻料，提高混凝土密實(shí)度、減小過渡區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，在水泥漿中摻入少量的細(xì)砂（1～2mm粒徑），同時(shí)使用適量高效減水劑使其分散，填充于水泥凝膠體的毛細(xì)孔和微裂縫中，達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。但加入過多的砂，將會(huì)嚴(yán)重堵塞粗骨料之間的孔隙，造成透水系數(shù)降低。通過研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)骨料占粗骨料的10%左右時(shí)，將會(huì)獲得良好的效果。

4　透水混凝土的抗凍性、抗疲勞性能的研究

4.1 抗凍性

由于我國面積廣闊，南北緯度差別較大，因此氣溫也差別較大，故必須對(duì)透水混凝土的抗凍性進(jìn)行研究。

2006年江蘇大學(xué)的萬偉［10］通過實(shí)驗(yàn)得出在透水混凝土中加入無機(jī)質(zhì)添加劑SR-3，可以有效地改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，提高透水混凝土內(nèi)部骨料和漿體的粘結(jié)力和凍融循環(huán)次數(shù)。以動(dòng)彈性模量損失為參考指標(biāo)，當(dāng)最低溫度為-20℃，透水混凝土在氣凍水融循環(huán)過程中，當(dāng)開始破壞時(shí)，可以經(jīng)受凍融循環(huán)次數(shù)為55次左右。透水混凝土在水凍水融循環(huán)中，當(dāng)開始破壞時(shí)，可以經(jīng)受循環(huán)次數(shù)為35次左右。并得出了質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量以及相對(duì)耐久性的計(jì)算公式。

2011年湖南科技大學(xué)的李偉［11］通過研究得出了抗凍性與目標(biāo)孔隙率以及水灰比的關(guān)系。同樣水灰比情況下，孔隙率越大，抗凍性能越差。第一主要表現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度方面，凍融次數(shù)越多，抗壓強(qiáng)度損失率越多。第二主要表現(xiàn)為質(zhì)量損失方面，凍融次數(shù)越多，質(zhì)量損失越大。

2012年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉星雨［12］通過研究發(fā)現(xiàn)透水混凝土的抗凍性隨骨料粒徑減小而提高、隨水灰比的增大而明顯降低、隨漿體骨料質(zhì)量比的增加而提高，在保證良好的透水性能和力學(xué)性能的前提下，得到1～2cm級(jí)骨料粒徑、0.25的水灰比、0.245的漿體骨料質(zhì)量比為最佳設(shè)計(jì)參數(shù)的結(jié)論。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種抗凍性、耐久性優(yōu)良，透水性能、抗壓強(qiáng)度滿足要求的透水混凝土。

2013年大連理工大學(xué)的胡立國［13］通過研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，慘加硅灰、粉煤灰的透水混凝在50次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失大多控制在10%以內(nèi)，100次凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度損失也未超過20%，150次凍融后抗壓強(qiáng)度損失在25%以內(nèi)，因此，加入硅灰、粉煤灰對(duì)增強(qiáng)透水混凝土的抗凍性產(chǎn)生明顯作用。

目前透水混凝土相比普通混凝土的抗凍性仍然比較差，還需要開展大量的研究。

4.2 吸聲降噪性

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家車快速的增長，給城市中的人群帶來了很大的噪音影響，而目前沒有一套合理的措施來解決城市的噪音污染，由于透水混凝土具有較大的孔隙，因此對(duì)于噪音的緩解具有重要作用，透水混凝土吸聲主要通過穿過孔隙中的聲波與孔隙中的空氣黏滯和摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，如此反復(fù)，達(dá)到吸聲降噪。

2004年東南大學(xué)霍亮等［14］研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合式透水性混凝土吸聲系數(shù)的峰值范圍在500Hz左右，平均吸聲系數(shù)為0.351，單層式的在700Hz左右，平均吸聲系數(shù)0.3，而密實(shí)混凝土吸聲系數(shù)起伏不大?；酒街?，平均吸聲系數(shù)0.136。

2012年濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院李睿、郇家明等［15］通過研究發(fā)現(xiàn)透水混凝土路面降噪效果受混合料空隙率、骨料級(jí)配及路面鋪筑厚度的直接影響，一定厚度的情況下，空隙率越大，降噪效果越顯著。隨著透水混凝土路面鋪筑厚度的增加，吸聲系數(shù)向低頻段轉(zhuǎn)移，為了獲得更加穩(wěn)定的降噪特性和頻響特性，透水混凝土路面的厚度宜為40～50mm或最大公稱粒徑的2～2.5倍左右為合適。

2014年浙江工業(yè)大學(xué)的倪彤元、邰惠鑫等人［16］研究發(fā)現(xiàn)不同孔隙率的透水混凝土試件的低頻段聲波吸收能力相差不大。隨著孔隙率的增加，吸聲系數(shù)也增大。在孔隙率相同的情況下，隨著透水混凝土鋪裝層厚度的增加，中低頻段的吸聲系數(shù)有增大的趨勢，而在高頻段的吸聲系數(shù)則有減小的趨勢。透水混凝土鋪裝層的配比設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮滲透性、強(qiáng)度、吸聲性能等因素，從吸聲性能考慮，得出最佳透水混凝土鋪裝層的孔隙率為17%～22%。

4.3 抗疲勞性能

由于透水性混凝土為了保證良好的透水性因此其內(nèi)部孔隙多連通，界面復(fù)雜且強(qiáng)度較低等特征，在車輛的反復(fù)荷載作用下極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損傷不斷積累并且擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致疲勞破壞［17］。

2004年長安大學(xué)鄭木蓮等［18］通過室內(nèi)小梁彎拉疲勞試驗(yàn)，得出透水混凝土疲勞壽命及等效疲勞壽命均服從雙參致威布爾分布.并通過此數(shù)學(xué)模型建立了不同失效概率下兩種形式的雙對(duì)數(shù)方程。

2008年L.T.Mo等［19］采用有限元模型，以應(yīng)力水平和疲勞壽命為指標(biāo)對(duì)透水混凝土抗疲勞性能進(jìn)行數(shù)值分析，指出透水混凝土特定區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象是導(dǎo)致其早期脫落的重要原因。

2009年解放軍理工大學(xué)的卓義金、李志剛等［20］通過對(duì)疲勞方程的對(duì)比得出：摻加改性劑可以改善混合料的和易性，并且在水泥表面形成較厚的立體包層，使水泥達(dá)到較好的分散效果，同時(shí)也改善了水泥膠結(jié)料與骨料間的界面狀態(tài)，使得混凝土具有較好的疲勞韌性。加強(qiáng)了界面延性，提高了材料在荷載作用下界面產(chǎn)生裂隙的初始荷載水平。同時(shí)，改性劑在漿體內(nèi)形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以起到增加強(qiáng)度和改善抗變形性能的效果。

5　關(guān)鍵問題和解決思路

與普通混凝土不同，透水混凝土是一種骨架-空隙結(jié)構(gòu)，它是以單粒級(jí)粗集料作為骨架，導(dǎo)致出現(xiàn)強(qiáng)度低、容易堵塞、抗凍性和抗疲勞性差的問題。如何提高其抗壓、抗折強(qiáng)度和減小堵塞是目前研究的關(guān)鍵問題。

通過研究發(fā)現(xiàn)采用以下三種方法可以有效提高透水混凝土強(qiáng)度：①減小骨料粒徑；②摻入適量的硅粉和高效減水劑；③加入有機(jī)增強(qiáng)劑。其次，由于其孔隙較大，因此會(huì)導(dǎo)致很多塵土通過風(fēng)的吹送而堵塞孔隙，造成其無法透水，尤其我國北方氣候干燥，塵土較多，更容易造成透水不暢，隨著時(shí)間的積累最終導(dǎo)致無法透水。在孔隙堵塞方面目前國內(nèi)的研究成果相對(duì)較少，早期的研究發(fā)現(xiàn)透水混凝土路面使用5年后，其滲透性降低了90%［21-22］。透水性降低的原因是由于部分雨水?dāng)y帶的大量泥土、細(xì)砂、碎片等雜質(zhì)隨水流不斷進(jìn)入透水混凝土的孔隙而造成堵塞。除此之外，清理路面產(chǎn)生的灰塵以及植被的落葉、揚(yáng)沙都可能造成孔隙堵塞。減少混凝土的堵塞，主要有以下三種方式：①清掃后吸塵；②高壓水沖洗；③浸潤后清掃。另外對(duì)透水混凝土在透氣、透水、吸聲降噪、凈化水體等方面進(jìn)行更加深入的研究，以拓展其在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用。

6　結(jié)束語

相對(duì)于歐美、日本等國，我國的透水混凝土應(yīng)用是非常少的，主要是因?yàn)槠淇箟簭?qiáng)度比較低，容易出現(xiàn)大量堵塞，另外其抗凍性也相對(duì)較差，導(dǎo)致在我國北方的應(yīng)用非常少。通過研究得出，在透水混凝土中加入適量的硅粉和改性劑并將孔隙率控制在17%～22%，能夠提高混凝土強(qiáng)度并改善其抗凍性、抗疲勞性和吸聲降噪性。相信通過深入研究并憑借其優(yōu)良的環(huán)保性能，透水混凝土在未來的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

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