高强透水混凝土研究综述

陈嘉民，朱琪宇，陈政宇，高翼天，周斯航，刘数华

（武汉大学水利水电学院，湖北  武汉   430072）

摘要：本文综合国内外文献概述了透水混凝土的发展过程及基本特点，介绍了透水混凝土的力学性能和透水机理。并结合2017年的“海绵城市”概念，指出了目前透水混凝土研究和应用方面的不足，总结了未来的发展趋势。

关键词：透水混凝土、高强度、孔隙率、海绵城市

Review on High strength previous concrete

Chen Jiamin, Zhu Qiyu, Chen Zhengyu, Zhou Sihang,Liu Shuhua

( School of Water Resources and Hydropower, Wuhanuniversity, Wuhan  430072 )

Abstract: this paper synthesizesdomestic and foreignliteratures.It summarizes the development and the basic characteristicsof porous concrete.This paper introduces mechanical properties and water permeation mechanism.Combiningthe concept of the "sponge city" during the two sessions in 2017，thepaper points out the deficiencies of the current researches and the applicationof the permeable concrete and also summarizes the trend of the concretedevelopment in the future.
Keywords: previous concrete, high strength, porosity, sponge city

0  引言

透水混凝土（Pervious Concrete或Porous Asphalt）也被称作多孔混凝土、间断级配混凝土、开放孔隙混凝土或过滤混凝土，是指在制备过程中、通过减少或避免使用细集料，形成具有内部连通孔隙微观结构的一种混凝土，是一种具有高渗水功能的工程材料。

今年期间，政府报告提出，推进海绵城市建设，使城市既有“面子”，又有“里子”。2012年4月，在“2012低碳城市与区域发展科技论坛”中，“海绵城市”概念首次提出；2013年12月12日，：“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市”。而《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》以及仇保兴发表的《海绵城市（LID）的内涵、途径与展望》则对“海绵城市”的概念给出了明确的定义，即城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对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”并加以利用。提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生^[1]。

本文论述了透水混凝土技术，包括其国内外研究背景，工作原理和性能等，提升强度方法，透水混凝土应用现状和展望。

1  国内外研究背景

透水混凝土并不是当代新科技，早在大约150年前，欧洲就开始使用多孔水泥混凝土来制备预制混凝土构件并进行房屋的建造。尤其在二战期间，因为经济的匮乏，多孔水泥混凝土由于高经济性而获得了广泛的应用。

1972年，美国通过了清洁水资源法案（Clean Water Act）^[2]，法案中规定，各州和各大城市有义务保障被收集降雨的清洁程度。1995年，南伊利诺伊大学的Nader Ghafoorim[3]叙述了透水混凝土的概要，研究了其物理力学性质及状态，以及其磨耗性及抗冻性。2003年华盛顿大学BenjaminO.Brottebo同Derek B.Booth对在1996年铺设4个停车场所使用的透水混凝土的耐久性、透水性和力学性能进行了的研究和综合评价，4个停车场透水混凝土均没有发生显著的破坏，雨水的渗透性良好。

在日本，由于其特殊的地理位置，常年降雨较多，然而地下水位却越发下降^[4]，在70年代末，为了解决因为地下水位下降而导致的地基下沉问题，大量学者提出了使雨水还原于地下的政策，缓解地下水位的下降，学者们研究了透水混凝土的透水系数、孔隙率、强度之间的关系，并且在1987年申请了有关透水混凝土的专利。日本学者玉井元治^[5]，同本享久等研究者又以水泥为胶凝材料做了透水混凝土的试验研究，此种透水混凝土的厚度一般在70～200mm之间，水灰比大约为0.35，采用5～13mm或2.5～7mm粒级的碎石制成。2016年日本山口大学的YailJ. Kima、Adel Gaddafi^[6]等人在透水混凝土中加入粉煤灰和轮胎碎片夹杂物等，改善了混凝土的渗透速度，提高了其抗折强度。

与国外大量开展的透水混凝土铺装材料的研究情况相比，国内对透水混凝土材料的研究时间短，应用比较少，技术水平也偏低。近些年，许多材料科研机构开始了大量的透水混凝土研究。其中1993年中国建筑材料科学研究院进行了透水混凝土与透水性混凝土路面砖的研究，并得到了广泛应用^[7]。2004年长安大学的郑木莲开展了大量的有关透水混凝土的排水研究，并分析了全宽式、设盲沟以及设集水沟和管的排水系统的排水能力^[8]。

2  透水混凝土的构成

透水混凝土是一种不含细骨料或含有少量细骨料的混凝土，它由胶凝材料、粗骨料、水和外加剂按照一定的比例拌合而成^[9]。

2.1  水泥

为保证透水混凝土的强度，采用较高强度的 P.O 42. 5 水泥。为了在保证强度的前提下保证混凝土的透水系数，不能再按普通混凝土的方法掺加粉煤灰和矿粉等掺合料。水泥用量可在保证最佳用水量的前提下，适当增加用量，这样能够增加骨料周围水泥浆膜层的稠度和厚度，或者用一定数量的超细硅灰代替水泥，起到填充水泥颗粒间孔隙，改善界面结构和粘结力的作用，二者均可有效地提高透水混凝土的强度。

2.2  石料

人工碎石和单一粒径的孔隙率大，有利于透水，但就强度而言，人工碎石和单一粒径的骨料皆不利于相互粘结。所以，采用卵石骨料还是碎石骨料要根据设计要求或者施工要求而定, 尽量达到强度和透水的统一性。使用10～20 mm和 5～10mm的碎石，级配良好。

2.3  外加剂

可根据环境温度、运输距离以及现场状况添加外加剂。在透水混凝土中，外加剂主要为减水剂，用于减少水的用量，从而可以在相同孔隙率的情况下提高透水混凝土的强度。减水剂的用量超过水泥质量的2%后，其减水效果就不再明显。

2.4  水

试验时一般采用蒸馏水，条件不便和现场施工，普通自来水也可使用，但浑浊以及不洁的水是不允许加以利用的。

3  透水混凝土力学性能和透水机理

3.1  力学性能

透水混凝土属于骨架空隙结构。这种结构混合料采用开级配，粗集料较多，靠彼此之间较大的内摩阻力和水泥胶浆的粘结力形成强度。细集料较少或没有，不足以填充空隙，从而形成较大的空隙率。

组成材料对混凝土强度的影响有以下几个方面：水泥的性质、集料的性质、水泥浆与集料之间的界面结合能力等。长期以来研究混凝土细观力学强度理论的基本观点，都是把水泥石性能作为主要影响因素，并建立一系列说明水泥石孔隙率或密实度与混凝土强度关系的计算公式。透水混凝土的材料组成是其强度形成的内因，这主要指组成材料的质量及其在混凝土中的数量，即多孔混凝土的强度取决于其内部起胶结作用的水泥性质、集料特性及浆集比等。

透水混凝土的强度主要取决于水泥浆的性质，而水泥浆的性质则取决于水泥性质、水泥用量和毛细空隙率。水泥用量越大，集料表面包裹的水泥浆越多，水泥浆硬化后形成的厚度越大，对应的多孔混凝土强度越大。当然，这是对水与水泥的质量比，即水灰比（W/ C）适宜的情况而言的。水灰比在一定范围内增大会使水泥水化充分，从而提高其强度，但水灰比过大时，水泥石中的毛细空隙率会增大，水泥石的强度则会相应下降。因此，在实践中总结抗压强度与孔隙率的经验关系，通过控制水灰比来得到所要求强度的透水混凝土。

长安大学的郑木莲，王崇涛^[10]等人研究通过变化多种级配的水泥用量和水灰比，用振动法成型的的透水混凝土试件，得出了抗压强度与有效孔隙率的相关关系

f _c,7 =- 0. 380 6 n_e+17. 058

        R =0.863 1

其中：f_c,7——7d的抗压强度，MPa；

n_e——有效孔隙率，%；

R——相关系数。

由上述公式可知，透水混凝土的抗压强度与孔隙率存在着良好的线性关系。这对透水混凝土的配合比设计优化和理论计算就具有重要的指导意义。

3.2  透水机理

透水功能是透水混凝土作为路面材料的一个重要特性，降雨时落到透水面层表面的雨水可以渗入路面结构内部，并通过内部连通的孔隙流走，而不会在路面表面形成有害水膜和径流，降低了动水压力。因此，它能够使车辆轮胎与路面保持良好的接触，从而避免车辆在雨中高速行驶时产生水漂的现象，提高行车安全性，还能在大暴雨期间迅速地将积水汇集于地下排水系统和湖泊中，减少洪涝灾害的风险。

透水性能的机理主要依靠孔隙，还有小部分通过渗流作用流走。孔隙是指混凝土总体积扣除固体骨架所占体积后的剩余部分，它由三部分组成，即开口孔隙、半开口孔隙以及闭口孔隙，三者之和为全孔隙。其中，开口孔隙与外界连通；闭口空隙是和其他空隙不连通的、孤立的那部分空隙；半开口孔隙，也称为死端孔隙，它有一端与其他孔隙连通，另一端封闭。从排水角度分，孔隙又分为有效孔隙和无效孔隙。有效孔隙是指能通过水、排出水的孔隙。从水流运动的角度讲，只有相互连通、不为结合水所占据的孔隙才是有效的。半开口孔隙中的水是相对停滞的，从水运动的角度来说是无效的，但其中的水在疏干时能排出，对于排水来说是有效的。因此，有效孔隙应由开口孔隙和半开口孔隙两部分组成，闭口孔隙是无效孔隙。

现阶段国内已经有关于骨料粒径、不同种类硅酸盐水泥、外加剂、成型方法对孔隙率和渗透系数的影响的研究，但对透水混凝土路面铺设一段时间后孔隙堵塞的问题却还未提出行之有效的方法，这是延长透水混凝土寿命的一个关键问题。

4  透水混凝土配合比设计

4.1  透水混凝土配合比参数及确定方法

和一般普通混凝土配合比计算方法不同，透水混凝土配比时不添加细骨料（砂），而且减水剂、硅灰是必不可少的掺用成分。于是将水灰比、单位用水量、硅灰与水泥之比、减水剂与水泥之比定为透水混凝土配合比的四个参数。

4.1.1  水灰比

在其他条件不变的情况下，水灰比的大小直接影响透水混凝土的强度及透水系数。就满足强度要求的水灰比，可参照普通混凝土水灰比关系曲线或经验公式求得；就满足透水性要求的水灰比，透水系数随着水灰比的减小而增大，可通过强度与孔隙率之比确定，而后在进行试验进行校核。水灰比越小，透水混凝土强度越高，粗骨料不能被完全包裹，透水系数变高，但流动性会变差，会给施工带来困难。

4.1.2  单位用水量

单位用水量是控制混凝土拌合物流动性的主要因素。确定混凝土单位用水量的原则以满足混凝土拌合物的流动性要求为准。影响混凝土单位用水量的因素很多，如骨料的品质及级配、骨料最大粒径、水泥需水性及使用外加剂情况等。确定方法根据总结实际资料得出单位用水量经验值。

4.1.3  硅灰与水泥之比

硅灰的活性很高，当与高效减水剂配合掺入混凝土时，可显著提高混凝土强度。硅灰的需水量为130%~150%，一般掺量为水泥质量的5%~15%，具体掺量依实际情况而定。

4.1.4  减水剂与水泥之比

高效减水剂减水率很高，可提高混凝土28d抗压强度30%~60%。掺量高于3%时，减水效果就不明显了。确定方法根据强度要求确定。

4.2 透水混凝土配合比设计步骤

（1）初步配合比的计算

1）初步确定水灰比。根据高效减水剂，硅灰和强度经验公式，初步确定水灰比。

2）初步估计单位用水量，根据流动性要求，同时考虑减水剂的减水用量。

3）根据经济效益和经验确定硅灰与水泥之比。

4）初步估计减水剂的使用量。

5）根据孔隙率用绝对体积法，或假定表观密度法确定1立方米混凝土骨料用量。

（2）试拌调整得出基准配合比。

按初步配合比拌制的混凝土不一定满足透水性要求，这是因为配合比的各项参数是借助于经验公式，图表等选定的，不一定符合实际。因此需要进行试拌，对单位用水量和减水剂用量进行调整。

（3）检验强度、耐久性及透水系数，确定混凝土实验室配合比。

5  小结与展望

近年来随着我国经济的快速发展，城市生态问题日益突出，不透水路面带来的负面影响诸如雨水不能渗入地下导致地表植物缺水难以存活，“热岛效应”，暴雨后城市内涝等。虽然透水混凝土还没能在全国大面积推广使用，但目前国内透水混凝土应用正一步步迈入正轨，在奥林匹克森林公园，“鸟巢”体育馆的湖边西路等都已经有了大面积的透水混凝土的成功应用^[11]，随着“海绵城市”概念的提出，国家相关政策和法规也会在未来陆续颁布，我们有理由相信，再进一步优化骨料，调整配比，这种生态环保型地面材料将会在“海绵城市”中大有可为。

参考文献

[1] 吴丹杰，詹圣泽，李友华，等．中国特色海绵城市的新兴趋势与实践研究．中国软科学，2016,1,28:82-83．

[2] http://www.epa.gov/oecaagct/lcwa.html#Summary

[3] Ghafoori.Nader,Dutta.Shivaji.Development ofno-fines concrete pavement applications[J].Journal of TransportationEngineering,1995,121（3）:283-288.

[4] 张贤超，尹健，池漪．透水混凝土性能研究综述[J]．混凝土，2010,12,27:47-48．

[5] 玉井元治.コニクリ蔟トの高性能[J].高械能化(透水性コニクリ蔟ト)コニクリ蔟卜工学,32(7):133-138

[6] Yail J. Kim,AdelGaddafi,Permeable concretemixed with various admixtures,Materials and Design [J]. 2016 (100)：110-119.

[7] 王武祥．透水性混凝土路面砖的种类和性能[J]．建筑砌块与砌块建筑，2003（1）：17-19．

[8] 郑木莲，陈拴发，王崇涛．多孔混凝土的强度特性[J]．长安大学学报，2006（4）：20-25．

[9] 方坤河，何真．建筑材料[M] ．武汉：中国水利水电出版社，2015，1．

[10] 郑木莲，王崇涛，王秉纲．路用多孔混凝土排水性能[J]．长安大学学报，2007: 9-10．

[11] 董徐奋．透水混凝土在道路工程中的应用研究[J]．四川建材，2009,12:15-16．