透水混凝土在海綿城市建設中的應用

姚志玉，丁麗芳，韓昊辰

（河北建設集團股份有限公司，河北 保定 071051）

0 引言

近年來，暴雨以獨特的方式給一座座城市留下了深深的烙印，暴雨襲擊使城市洪水倍增無處可去，車輛被淹、交通困難、街道成河、廣場成湖甚至人員傷亡等情形。《2018 中國海綿城市建設白皮書》顯示，中國有62% 的城市遭受內澇問題的侵害，進入雨季就容易陷入暴雨頻發、內澇橫行的窘境。數據顯示，由洪澇災害造成的經濟和社會損失逐年增加，2016 年由于洪澇所帶來的經濟損失高達 3640 億元，相當于全國 GDP 的0.5%。“逢雨必澇”成為了我國城市的重要災害之一，“城市看海”幾乎每年都要上演，內澇已嚴重影響了城鎮人民的正常生活。為系統解決這些問題，海綿城市建設理論應運而生且已深入人心，2015 年、2016 年國家確認了 30 座城市作為海綿城市建設的試點，專家估計，到 2020 年全國 658 座城市建成區 20% 以上面積需要達到設計標準，全國每年投資總額預計超過 4000 億元，到 2030 年，城市建成區 80% 以上的面積達到目標要求，需求資金約 16000 億元，這對很多行業是巨大的商機。

國家大力推行海綿城市建設，而透水混凝土具備連通上下生態環境的功能，是實現海綿城市不可或缺的一種材料，也是 2017 年建筑業 10 項新技術之一[1]，復合海綿城市建設的理論要求，可以助力海綿城市建設。

1 透水混凝土及其制備技術

在“海綿城市”建設工程中，可綜合采取與濕地、綠地、雨水收集等組成“滲、滯、蓄、凈、用、排”的雨水生態管理系統，科學規劃在建區和統籌改造建成區，轉變道路建設和廣場建設的傳統觀念，在嚴寒以外的區域，如城市廣場、住宅小區、公園休閑廣場和園路、景觀道路以及停車場等使用透水鋪裝系統，提高城市透水呼吸面積。

1.1 透水混凝土

透水混凝土是由膠凝材料、粗骨料、少量或無細骨料、外加劑、拌合水按照一定的工藝拌制而成的一種多孔混凝土材料。與傳統混凝土比較，透水混凝土多采用單一級配的粗骨料作為結構骨架，用膠凝材料凈漿或少量細骨料砂漿作為粘接劑。從內部結構來看，主要靠包裹在粗骨料表面的膠凝材料漿體將粗骨料顆粒膠結在一起，形成以粗骨料顆粒接觸點為連接點的多孔結構，從而實現良好的透水性。

1.2 制備技術

1.2.1 原材料的選擇

制備透水混凝土所需的原材料與普通混凝土大致相同，但需要根據透水混凝土的功能要求及原材料特性等來選擇最合適的原材料。

水泥：采用強度等級不低于 42.5 級的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥，質量符合現行國家標準 GB 175《通用硅酸鹽水泥》的要求。

骨料：在透水混凝土中骨料起著顯著的作用，骨料性能對透水性能起著十分重要的作用，骨料選擇采用質地堅硬、耐久、潔凈、密實、單一級配的碎石。

外加劑：選用具有一定減水、緩凝等功能的外加劑，且符合現行國家標準 GB 8076《混凝土外加劑》的要求，適當添加界面增強劑。

1.2.2 施工工藝

透水混凝土結構組成分為全透水結構和半透水結構。全透水結構一般適用于人行道、非機動車道、景觀硬地、停車場和廣場；半透水結構使用用于輕型荷載道路。透水混凝土施工單位一般僅施工面層，基層由其他專業隊伍施工，在面層結構施工前，基層應做相應的界面處理，基層表面粗糙，保證清潔、無積水，并保持一定的潤濕，必要時根據施工情況采用一定的膠粘劑。

對于透水混凝土來說，配合比是確保強度的關鍵，其攪拌過程須嚴格控制，投料攪拌一般采用水泥裹石法，即先將石料和 50% 用水量拌合 30s，再加入水泥拌合 40s，最后加入剩余水拌合 50s[2]，這樣做可防止水泥漿過稀，可保證混凝土的透水性和強度要求。鋪筑采用有足夠剛度的平板振動器振動，施工后及時進行保濕養護，覆蓋塑料薄膜并均勻灑水，灑水只能以淋的方式，不能用高壓水沖灑，養護期依據氣溫調整，一般不少于14d，施工過程中避免高溫和低溫施工，混凝土在達到設計強度之前不得投入使用，工程實體強度以標準養護試塊強度為準。

透水混凝土的施工工藝類似于傳統混凝土，但技術要求遠高于傳統混凝土。透水混凝土從透水體系的設計；施工用混凝土原材料的選用、配合比的優化設計、攪拌生產、運輸、施工、養護等全過程實現嚴格的控制，是全面推行實現海綿城市的關鍵。

2 透水混凝土研究現狀

透水混凝土的研究受到國內外各界人士的高度重視，對其透水性能、力學性能和耐久性能等方面進行了大量研究，尤其是在目前海綿城市的建設理念中起了至關重要的作用，保護了生態環境，是未來城鎮建設道路發展的必然趨勢。

2.1 國外研究現狀

國外對透水混凝土研究較早且應用推廣效果顯著。在大約 150 年前，歐洲就開始使用多孔水泥混凝土制備混凝土構件并進行房屋建設。二戰期間，因經濟匱乏，多孔水泥混凝土由于高經濟性而獲得了廣泛的應用。1852 年英國就開發出不含細骨料的大孔徑混凝土。1900 年該混凝土傳至南非、俄羅斯等地，隨后對其進行了大量研究，修建了很多無砂大孔混凝土建筑。1970年，英國除此將無砂大孔混凝土用于市政路面上，即該種材料被當做一種生態、環保的材料收到人們的熱愛。1972 年美國通過了清潔水資源法案（Clean water Act），法案規定，各州和各大城市有義務保障被收集降雨的清潔程度[3]。1973～1995 年日本東京共修建 220萬方的透水混凝土路面，目前全日本鋪設約 1000萬方的透水混凝土路面，德國 80% 的市政道路采用透水性混凝土[4]。

2.2 國內研究現狀

我國作為混凝土應用大國，透水混凝土的研究起步較晚、研究時間短、應用相對較少、水平相對低。1993年中國建筑材料科學研究院在原國家建筑材料工業局的資助下開始進行了“透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究”，研制的透水性混凝土路面磚于 1995 年開始在試點工程中應用，并在 1998 年的部級鑒定會上通過專家委員會的一致認定[5]。2000 年，清華大學蔣國梁、楊靜選用小粒徑骨料，微細礦物摻合料和有機增強劑等辦法，提高透水混凝土的強度，研發了透水性杰出且力學性能符合國家建材行業規范的混凝土路面材料[6]。2004 年長安大學的鄭木蓮開展了大量有關透水混凝土的排水研究，并分析了全寬式，設盲溝以及設集水溝和管的排水系統的排水能力[3]。隨著透水混凝土的試驗研究的深入，透水混凝土在工程中也得到了應用，2008年北京奧林匹克森林公園使用了大面積的透水鋪裝，國家體育館“鳥巢”的湖邊西路道路工程鋪設了多于9700m3透水混凝土[7]。2009 年上海世博園工程中也大量應用了透水混凝土。中新（天津）生態城 15%～20%路面為透水混凝土路面，所有慢行系統及停車位均采用透水鋪裝，在 2016 年夏季大雨有效起到了排水、避免內澇的效果[8]。近年來隨著科研人員對透水混凝土的大量研究，加速推動了透水混凝土在工程中應用的熱潮。

綜合國內外透水混凝土的研究現狀可以看出，透水混凝土的研究大部分集中在強度、透水系數及耐久性方面[9]，比如其抗凍性能、耐磨性能、吸聲降噪等方面。透水混凝土作為新型環保建筑材料，對城市地下水補充、緩解城市內澇及熱島效應具有積極作用。但是由于各種條件的限制，透水混凝土在城市建設中的推廣應用還有很大空間。

3 透水混凝土在海綿城市建設中的重要性及發展趨勢

隨著我國城鎮化進度加快，城市的地表逐步被混凝土路面所覆蓋，城市人口快速增長，由于混凝土的密實性自然降水無法補充地下水，導致部分城市出現地下水嚴重流失；遇夏季暴雨，由于排水不及時經常大面積積水，導致行人出行滑到摔傷、車輛雨水浸泡，更有甚者變壓器漏電，行人遭電擊身亡，帶來巨大損失。

國家高度重視相關問題，2012 年 4 月在《2012 低碳城市與區域發展科技論壇》中，“海綿城市”概念首次被提出；“海綿城市”建設主要以城市建筑、小區、道路、綠地與廣場等建設為載體，道路、廣場的鋪裝可以采用透水混凝土。2013 年 12 月 12 日，習近平總書記在《中央城鎮化工作會議》的講話中強調：“提升城市排水系統時要優先考慮把有限的雨水留下來，優先考慮更多利用自然力量排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”[4]。透水混凝土在海綿城市建設中能充分利用雨水資源，促進對城市生態環境的保護，對城市傳統排水系統進行“減負”和“補充”。透水混凝土對未來打造智能、綠色、創新的海綿城市中起到至關重要的作用。許多國家都對透水混凝土深入的進行了研究分析，主要集中在強度以及其抗凍性、吸聲降噪、抗疲勞性能等方面。在當今社會，人們越來越注重環保，而透水混凝土作為一種新型功能型混凝土，正是當今社會所需，是創建“海綿城市”的最佳材料。

4 透水混凝土應用中存在的問題

4.1 強度與透水系數及孔隙率問題

透水混凝土本身是一種骨架—孔隙結構，所以具有良好的透水性，但是因為其具有的孔隙導致內部不密實所以強度難以提高，透水性與強度存在尖銳矛盾，因此透水混凝土只適用于對強度要求不高的場所，比如廣場、公園道路等，一些試驗研究表明，通過增加膠結材料增強劑可提高 20% 左右的混凝土抗壓強度，但是目前市場上常見的增強劑品種質量參差不齊，增強效果不便于快速檢測出來，所以要提前儲備足夠量已知增強效果的膠結材料方可進行工程應用。

4.2 抗凍融性能需提高

透水混凝土比普通混凝土抗凍融性要低很多。經過凍融試驗表明在粗骨料連接處均出現不同的裂縫，甚至有部分發生粗骨料脫落，導致透水混凝土強度性能不達標。在配制透水混凝土時應加入合適比例的添加劑，來提高透水混凝土抗凍融的能力。

4.3 生產與運輸

透水混凝土生產前應將攪拌站主機清洗干凈，否則直接影響透水混凝土漿骨比，進而影響強度及透水系數；透水混凝土不適宜用攪拌運輸車運輸，一是透水混凝土為干硬性混凝土，不易卸入運輸車內，另外透水混凝土主要由粗骨料組成，對運輸車磨損較大；用翻斗車運輸時，應將表面進行覆蓋保濕，在運輸途中避免長時間運輸及顛簸，防止水泥漿沉底。

4.4 后期維護

在我國北方已經鋪裝的透水混凝土路面，隨著時間的延長排水性能出現下降，其原因有二，一是長時間粉塵泥土與雨雪混合在一起堵塞了部分透水混凝土空隙：二是透水混凝土路面經過長時間碾壓，使表面包裹粗骨料的漿體脫落，導致表層粗骨料脫落失去粘聚性，也會影響透水混凝土路面使用壽命。

透水混凝土的日常維護包括：日常的清掃、封堵孔洞的清理。清理封堵孔洞可采用風機吹掃，高壓沖洗或真空清掃等方法。北方地區冬季氣溫低，為了延長透水混凝土的使用年限，在冬季下雪后應及時清理積雪防止路面結冰，在清理積雪時不宜采用機械除冰，并不得撒砂或灰渣以防堵塞透水混凝土孔隙。

4.5 施工季節受限

透水混凝土冬季施工十分困難，主要體現在透水混凝土的施工開始至成型 14d 內所處環境溫度任意時刻不能低于 0℃（無論是否摻加防凍劑）。由于透水混凝土大量孔隙率存在，養護時水分會部分存留在孔隙率中，環境溫度一旦在零下孔隙水分會成冰體積膨脹造成內部破壞。由于混凝土養護時間一般為 7d，另外考慮到孔隙水分參與膠凝材料水化以及蒸發需要一定時間一般7d 后基本消失，所以要求透水混凝土在 14d 內所處環境溫度任意時刻不能低于 0℃。

4.6 實體檢測

透水混凝土路面強度檢測尚屬空白，無論回彈法還是鉆芯法均不適用，只能依靠混凝土試塊進行評定。

5 結語

今年我國已將海綿城市建設提上日程。透水混凝土必定是未來海綿城市建設中的主力軍。更應加大研發投入，全方面開展對透水混凝土性能的研究工作，使之更廣泛用于城市建設之中。讓透水混凝土變成真正可以呼吸，并與自然環境和資源可以相互協調的環保生態型材料。但是由于國內研究透水混凝土起步較晚，研究時間尚短，我國又與國外地域環境、材料、施工技術有很大差異，因此沒有很多可以值得借鑒的經驗。

在今后的工作中還需要對透水混凝土的強度、透水系數、抗凍性能、耐磨等指標做進一步深入研究；對于透水混凝土相關設計規范、標準、和不同地域相關施工技術規程等還需完善。