透水混凝土的性能及凍融破壞研究

【摘要】連續幾年的政府工作報告中指出，國家經濟發展和城市化建設都處于一個快速發展階段，但同時出現了一些不平衡不充分的發展，生態環境的惡化使城市失去“彈性”，面對“熱島現象”、城市積水嚴重等問題，《關于推進海綿城市建設的指導意見》等系列指導文件要求統籌發揮自然生態功能和人工干預功能，推進海綿城市建設，2017年3月5日，在第十二屆全國人民代表大會第五次會議上，李克強總理作政府工作報告中明確指出：“統籌城市地上地下建設，推進海綿城市建設，使城市既有‘面子、更有‘里子。”為了更好地恢復城市“彈性”，解決地面積水排水、穩定地下水位等問題，新型路面材料透水混凝土迎來了發展機遇。

【關鍵詞】海綿城市；透水混凝土；凍融作用

1、透水混凝土的性能及國內外應用研究現狀

透水混凝土是一種無砂混凝土、多孔輕質混凝土，配料有骨料、水泥和水，最主要的特點是粗骨料表面包覆蓋一薄層水泥漿相互粘結而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結構，所以在透氣、透水方面效果顯著，常用作為透水地坪。透水混凝土應用的主要目的是保護水資源，保障城市區域排水通暢，通過自身和基層的滲透性，表面水能高效率地排入地下水，有利促進水循環系統。透水混凝土的優勢很多，首先，在城市區域降雨期間，可以發現采用透水混凝土的路面能有效分散雨水，避免局部路面積水，尤其是在一些人流車流密集的城市效果顯著[1]；其次就是透水混凝土對于水循環系統的莫大作用，除了可以通過滲透地面積水穩定地下水位，促進水資源的可持續發展，保證“量”的穩定，還在一定程度上對雨水的“質”起到提高的作用，蜂窩狀的滲透結構對過濾雨水進行凈化效應，保護雨水免受污染；最后，相對于普通混凝土，因為透水混凝土的獨特結構，可以起到增大摩擦力的作用，提高車輛行駛的安全度，并且在如今喧囂噪音大的城市可吸收行車噪音，可謂是一舉兩得。

透水混凝土作為路面材料在國外應用較為廣泛，起初西方發達國家也只是將其用于停車場、公園地坪，后來隨著科研學家開始對透水混凝土排水性能、配合比、養護方面進行系統研究，充分利用到透水混凝土的抗滑、吸聲和防眩光功能，建造了上千公里的透水混凝土路面，對緩解城市“熱島效應”和調節生態環境起到了良好的效果。而在國內，1994年王武祥等人對透水混凝土的研制、性能進行了試驗研究并取得了一系列成果，但由于其較低的抗壓強度，國內一些大學、科研院繼續對透水混凝土配合比、水灰比、孔隙率、粗集料級配等參數分析試驗，包括成型方式諸如靜壓法、重型擊實法、插搗法、振動法等進行了對比。在提升了透水混凝土性能之后從2005年開始國內在城市建設中逐漸使用這種材料，小到公園廣場，大到奧運場館和上海世博會工程，皆有大量的應用。

2、透水混凝土在凍融作用下損傷機理研究

透水混凝土通常的破壞形態有開裂、沉降等，主要是強度問題，但矛盾的一點是透水混凝土的透水系數與強度成反比，往往要先滿足透水系數再考慮最大強度。透水混凝土另一種常見且棘手的破壞形式是凍融破壞，在較寒冷地區，孔隙水會因為結冰膨脹而對混凝土產生破壞，再加上循環作用會加劇內部應力的增大。筆者制備了有工程實際想相同性質的混凝土試件，通過快速凍融實驗方法，循環30次、60次、90次，借助于多通道微機控制電液伺服壓力試驗機對凍融透水混凝土進行單軸壓縮試驗，分析混凝土等級、彈性模量，得到了完整的應力應變曲線。并借助于掃描電鏡（SEM）和壓汞儀測定凍融后混凝土的表觀形貌、細管結構。利用所學的彈塑性理論、損傷理論以及試驗所得凍融混凝土的物理力學性質，分析透水混凝土在凍融耦合作用下的損傷機理，建立本構模型并進行數值計算與試驗結果對比。

在凍融實驗中，發現循環次數從30次到60次再繼續增多的時候試件表觀開始出現表層剝離、骨料脫落等破壞現象。試驗過程中，混凝土裂縫隨著凍融循環次數的增加不斷出現，總數量與混凝土強度等級呈正比，裂縫呈多方向擴展。混凝土試件的受壓峰值應力與凍融循環次數呈反比，峰值應變與凍融循環次數呈線性增加。根據損傷理論來看，透水混凝土先是在凍融作用下產生微裂縫，然后是因單軸壓力引起的損傷，考慮循環次數、應力應變關系和混凝土強度等級，以試驗為基礎建立透水混凝土在凍融循環作用下的損傷機理本構模型并總結其演變規律。

3、凍融環境透水混凝土的防治措施

混凝土凍融破壞的影響因素有很多，配合比、水灰比、混凝土強度等級以及骨料種類對混凝土的抗凍性都有很大影響。其中水灰比的變化與孔隙率息息相關，正常情況下，水灰比越大，孔隙率越大，也就是孔隙水越多，凍融而造成的破壞可能就越大[2]。凍融與其他因素耦合作用可能會造成更大的破壞，諸如與鹽溶液耦合會提高飽水度，增大滲透壓力和結冰壓力；與干濕循環耦合作用，實驗中混凝土在硫酸鹽溶液中會表現下降趨勢的抗壓強度和明顯的表層剝離；與荷載、環境和氣候等因素耦合作用也會加快透水混凝土結構的破壞。筆者結合施工實踐，對透水混凝土凍融破壞防治給出幾點建議。第一，做好準備工作，在制備時期根據施工環境選擇合適的水泥、骨料和外加劑，提高材料的耐久性；第二，根據環境條件控制配合比，確保孔隙率和水灰比在一定的范圍內，避免因水分過多造成凍脹破壞；第三，在制備透水混凝土的過程中摻入外加劑引氣劑，通過讓粗集料包覆的薄層水泥漿有一些均勻的小氣泡來增強抗凍性。

透水混凝土具有出色的滲水性，在各個工程建設中都能起到保護水資源、維持生態的作用。作為一種“環保地坪”，透水混凝土的優越性完全符合建設“海綿城市”對于材料的要求，如今它已漸漸走入大眾視野。但透水混凝土也易造成破壞，并且破壞形式繁多，對于透水混凝土的維護，主要是破壞區域和混凝土透水能力的維護。本文只對凍融破壞作了簡單介紹，筆者也通過制作試件試驗，測量混凝土的相關力學和物理參數，建立本構關系，從宏觀和微觀兩個角度去探討透水混凝土的凍融損傷。

參考文獻：

[1]韓建國.透水混凝土的性能和應用現狀綜述[J].科技導航，2014（10）.

[2]段桂珍.混凝土凍融破壞研究進展與新思考[J].混凝土，2013（05）.

作者簡介：

姜鵬鵬，徐州工程學院土木工程學院，江蘇徐州。