透水混凝土性能及其在市政基礎設施應用評述

李 磊 李金守 王亞軍

（1.張掖市住房與城鄉建設局，甘肅 張掖 734000；2.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

透水混凝土（Pervious Concrete）是指在制作過程中去除細骨料，主要由大顆粒骨料、水泥、外加劑以及水混合制作而成的一種多孔混凝土，故而也被稱之為過濾混凝土。隨著我國海綿城市建設腳步的不斷加快，透水混凝土在基礎建設中的應用越來越受到廣大群眾的歡迎，主要集中在四個方面的用途：（1）透水混凝土道路及裝飾 以透水混凝土作為材料修建道路時，因其可配比的色彩優化，設計師可以根據自己的想法依據不同的環境和氣候條件創造出極具特色的裝飾風格，這將有助于增加城市的市貌特征。此外，當遇到暴雨的時候這種路面可以將雨水迅速滲透到地表以下，不僅降低了發生城市內澇、阻斷行人的風險而且滲透的水可以作為地下水的補水，有助于地下微生物的生存，同時可以吸收地面熱量，消除城市熱島效應。（2）保證水、土和生物之間的物質循壞和能量流動 以透水混凝土代替原有的普通混凝土作為城市道路的中央隔離帶、河道護坡、濕地公園等地的時候，可有效連接起水生態系統和陸地生態系統，從而保證了各種生態系統和水陸交錯帶植物的生存條件，而且透水混凝土因其孔隙率有利于植物的生長，在工程中的使用可以增加城市道路和河道兩側的綠色空間，以達到改善自然生態環境、與自然和諧共生的目的。（3）減少噪音效果 透水混凝土具有其特有的連續、多孔的內部結構以及較大的比表面積，因而透水混凝土可以將一部分聲波反射或通過連續的孔隙吸收，而大部分聲波在接觸到混凝土內部后向外傳播，在此期間，與入射的聲波形成干涉而相互抵消，從而達到減少噪聲的效果。（4）水質凈化 透水混凝土因其獨特的孔隙結構，能夠有效截留水中的懸浮雜質和微生物，降低水流濁度、提高水質，同時孔隙部分可以作為水生生物產卵、棲息的場所，從而有利于增加水域中的生物多樣性，而這些經過繁殖產生的水生生物，尤其是浮游動物又可以吞噬、濾食SS 和藻類，進一步去除有機污染物和藻類，凈化水質，防止水藻的爆發，提高了自我凈化及自我恢復能力、減輕了水體污染現狀。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

透水混凝土在國外的研究及應用起步較早，據文獻記載[1]，早在100 多年以前，英國就已經開始使用，在十九世紀中期的某項工程中由于缺少細骨料，人們就已經開始探究不加細骨料的混凝土配合比設計，從而研發出不含細骨料的新型混凝土，即透水混凝土的初級形態。工程完工后在后期的使用中發現該種形態的混凝土有利于排除地面雨水及其他眾多優點，因此這種材料在歐美等國家迅速引起了研究熱潮。經過長期的研究及應用，20世紀70年代英國率先研究出了新型的多孔透水混凝土，其表現出了優良的使用效果，經歷十年使用后因受到凍融作用而被破壞[2]。在美國，上世紀中葉時期為了改善公路及機場跑道的透水能力和安全性，人們開始將透水混凝土應用于實際工程，20世紀70年代末，在美國佛羅里達州的薩拉索塔教堂附近首次使用不含細骨料的透水混凝土作為材料建成了停車場，20世紀80年代美國初次設立了透水混凝土攪拌站，此后透水混凝土在美國實現了商業化。并于1991年成立了“透水性波特蘭水泥混凝土協會”，為透水混凝土的發展和研究提供了建議及技術指導，推動了其在美國的發展[3]。在日本，透水混凝土起步于20世紀70年代后期，至1987年開始已有日本研究者申請多孔混凝土方面的專利，1990年開始日本研究者就將多孔混凝土作為基本骨架，在其表面嘗試種植植物，應用到道路邊坡、河道護坡等工程中。21世紀初，日本發布了植生型多孔混凝土河川護岸工法，并通過以此工法來推進植生型多孔混凝土的應用進程[3]。相比于其他歐美國家，德國對于透水混凝土的研究起步較晚，但其發展速度最快，在上世紀80年代就將修建透水路面和改造不透水路面作為國家政策在全國范圍內推廣，目前已走在世界前列。

1.2 國內研究現狀

以初始研究而言，國內對于透水混凝土的研究與應用起步較晚，但是發展速度較快，1993年，中國建筑材料科學研究院對透水混凝土與透水性混凝土路面磚開展了研究，并于20世紀九十年代中期將研究成果應用到實際工程中。從2005年開始在城市基礎建設中極力推廣透水混凝土材料的使用，但由于有關透水混凝土方面的實際研究成果較少，所以在工程中并未得到廣泛應用。

綜合以上所述，透水混凝土的研究在國內還屬于新領域，而且研究的配合比因素變量單一、水平變量因素也較少，透水混凝土的性能受到多方面因素的影響，因此研究透水混凝土的性能需要綜合考慮多種因素，從而得到適用于不同條件下的透水混凝土配合比設計方法。

2 透水混凝土的制備

2.1 配合比的設計

目前，透水混凝土配合比設計的科學研究比較多，其中應用較多的方法主要有三種，分別為：體積法、質量法和表面積法。

以上所述中應用較多的是體積法，主要以混凝土孔隙率為控制指標，首先通過目標孔隙率計算出所需膠結漿體體積，然后按照水膠比與膠凝材料的密度計算出各膠凝材料的所需量；集料用量則可通過測定其表觀密度計算獲得。體積法將1 立方米透水混凝土的重量以骨料、水泥量和用水量總和估計，其值在規定的范圍內即可，該計算方法因操作簡單、內容直觀而被廣泛使用，但實測孔隙率與設定孔隙率有一定差距[4]。

2.2 透水混凝土成型方法

2.2.1 平板振動法

該方法是將已有模板平鋪在攪拌好的混凝土拌合物上，利用平板振動器對模板進行振動壓實，這種成型方法做出來的混凝土表面平整，孔隙分布均勻。缺點是由于采用模板拼接，施工縫較多，模板重復利用次數少，經濟成本高，因而此種方法適合小面積施工和透水混凝土的修補，使用過程中為防止混凝土因為過于密實而造成孔隙率的減少和水泥漿沉積在底部影響透水效果，應避免使用高頻振搗器。

2.2.2 機械法

該方法是為了提高施工機械化和施工速度從而使用機器進行制作的一種方法，常用帶有振動的小型壓路機等機器進行振動加壓成型，這種方法最突出的優點是可以有效提高施工進度和節省人力，但是拼接處難以處理且平整度較差；另一種方法是將壓路機與橡膠板聯合使用，但這種方法對機械要求較高且平整度相對較差，所以該方法適合于大規模的施工或勞動力缺乏且對平整度要求相對較低的工程施工。

2.2.3 低頻振動壓實法

該方法主要是利用低頻振動輥壓機進行透水混凝土的制作，主要通過輥壓機的滾筒旋轉，達到刮平混凝土目的的同時進行碾壓，實現其低頻振動壓實效果。其特點是組裝簡單、操作靈活，滾筒可按不同使用條件調節長度和輸入功率，如果利用專用的壓實機制作，在其過程中需要人工修補和找平操作，這種技術相對簡單，主要適合于大面積透水混凝土的施工。

2.2.4 插搗成型法

該方法是利用模具進行透水混凝土試塊的制作，其過程為將混凝土拌合物分批次裝入混凝土模具中，然后利用插搗工具將混凝土拌合物在模具中均勻插搗，最后將成型面制作至平整并用抹刀將成型面抹平。這種方法制作的試塊具有規則的形狀結構，但在制作透水混凝土之前需要定制相應的模具，繼而引起的成本較高，所以該方法適用于小型設計中或實驗室研究中。

3 透水混凝土的性能特征

3.1 透水機理

透水混凝土內部的孔隙結構是展現其特有性能的決定性因素，其孔隙按照透水性能可分為三種：連通孔隙、半連通孔隙（“布袋型”孔隙）和封閉孔隙[5]。連通孔隙是指混凝土內部的孔隙間相互連通且兩端與外界相連。其整體貫穿的結構可使水流順利通過，不會造成蓄水、堵塞等現象，因而從透水混凝土的透水性能和排水效果來看，連通孔隙對其透水功能起到至關重要的作用；半連通孔隙是指孔隙一端封閉，另一端與連通孔隙相連或與外界相通，故而也被稱為“布袋型”孔隙，這種孔隙功能與蓄水池相似，當地面水流量較大時它可以把地面的水暫時存入其中，等到路面干燥后又會被排出，有效降低了遭遇暴雨時發生內澇的風險，對透水混凝土的透水功能也起到了一定的作用；封閉孔隙是指存在于試件內部且不與外界連通，其不僅對透水混凝土的透水能力沒有幫助，還會減少透水混凝土的強度。

綜合以上所述，透水混凝土的有效孔隙為連通孔隙和半連通孔隙，為保證透水混凝土的工程實用效果，在制作透水混凝土時應盡量形成多的連通孔隙和半連通孔隙，而減少和避免形成封閉孔隙。

3.2 抗拉及抗壓性能

透水混凝土因其組成材料，具有特有的孔隙結構，所以相比于密實混凝土其抗拉和抗壓強度皆有所下降，但作為路面層其抗壓強度也需要達到一定的強度，其中能夠保證透水混凝土強度的因素主要有三種，分別為骨料本身的強度、膠凝材料的強度及膠結層界面的強度。以上三種因素中骨料本身的強度起決定性的作用，而膠結層將骨料粘結在一起也可保證其一定的強度，但由于透水混凝土內部有較多的孔隙存在，所以強度會有所降低。

3.3 抗凍融性能

混凝土的凍融破壞現象是一直以來阻礙其在寒冷地區發展的關鍵因素，而透水混凝土因其獨特的內部結構，在寒冷地區的使用更是少見，其凍融破壞現象中孔隙的變化有兩種：一是原有孔隙變大，擴展成為較大的孔隙；另一種是在透水混凝土表面出現新的孔隙或裂紋，進而發展成為第一種形式[6]。透水混凝土凍脹破壞的主要因素為在氣溫較低時，孔隙內部的水凝固后體積發生膨脹所導致。在雨雪天氣時其內部會集聚較多水分，表層孔隙水首先凍結使得體積膨脹，發生凍脹時較普通密實混凝土更易、更嚴重受到破壞；其余孔隙水受到擠壓，在粘滯力作用下沿混凝土表層法向形成一定的水力梯度，凍結走勢向混凝土內部移動，在混凝土內部形成一個封閉的空間，導致封閉空間內部的氣體無法正常排出，從而產生一定的氣壓，使得透水混凝土內部結構承受不住壓力而開裂。結合以上分析，為保證透水混凝土的工程實用性和透水性能，在嚴寒地區的使用要確保其抗凍性。

透水混凝土的抗凍融性能測試方法較多，傳統的一般采用凍融循環后的抗壓強度下降檢測，但這種方法所需要的混凝土試件較多，而且經過凍融后的試塊可能會存在表面脫落現象，在進行抗壓檢測時需要重新將試件表面抹平修復，不僅增加了成本和人力而且測得的誤差較大，因此以相對彈性模量和質量的變化作為評定標準越來越受到更多人的關注，該方法不僅有效減少了所需的試件數量而且保證了數據的可靠性。

4 影響因素

4.1 骨料粒徑的影響

由于透水混凝土獨特的結構，骨料的粒徑、種類及形狀都對其性能有一定的影響，隨著骨料粒徑的增大，堆積孔隙率增大，因而在水灰比相同的條件下所制作的透水混凝土孔隙率也越大，進而導致透水混凝土用以形成強度的水泥漿體膠結點減少，引起抗壓強度減小；透水混凝土的透水系數跟骨料粒徑大小呈正相關變化，在一定條件下就透水系數而言連續級配的多孔混凝土表現出的透水系數比單一顆粒集料的明顯要低，即選擇單一顆粒集料制作的多孔混凝土能表現出極佳透水性效果。結合以上分析，骨料粒徑是保證其透水性和強度的重要條件，所以在實際的應用中為達到目標要求，選用骨料時必須要考慮到各種因素之間的平衡關系。

4.2 孔隙率的影響

孔隙率是保證透水混凝土透水性能的關鍵因素，隨著孔隙率的增大會使骨料間的接觸點面積變小，即連通孔隙相應增加，從而導致透水系數變大，但會使透水混凝土中的膠凝材料有所減少，這將會對其力學性能產生嚴重損壞，就其整體而言即便擁有較高的透水性能仍無法運用到實際工程中，然而，若是減少其孔隙率一方面減弱或失去了透水混凝土的功能，另一方面由于增加了水泥漿體，過多的水泥漿體必然會相互粘結堵塞孔隙，進而出現前者所述的弊端。因此，在實際的應用中需要依據不同的條件整體分析其性能，確保孔隙率與力學性能間的相互平衡。

4.3 水膠比的影響

水膠比對于透水混凝土的透水性能具有重要意義，若水膠比設計的過小，制作過程中所產生的漿體易凝固，難以均勻攪拌，導致無法順利包裹住粗骨料，骨料間的孔隙較多，減弱了其力學性能而且無法與水結合的膠凝材料會相互膠結，堵塞孔隙，失去其本來的意義；若水膠比設計的過高，水泥漿體的流動性將會增加，導致在制作試塊時漿體容易從骨料間的孔隙流到底部沉積，難以形成優質試塊且影響其抗壓強度，不利于透水混凝土的整體性能。

5 透水混凝土的應用案例

本課題組設計一種改善河道傳統護坡的鑲嵌式生態護坡并申請專利，護坡自下而上主要由不透水混凝土層、透水混凝土層以及土壤層三部分組成，不透水混凝土層與傳統護坡相似，在的透水混凝土層中有大小不一的孔隙結構，在的土壤層周圍仍由透水層混凝土制成，土壤內種植植物，植物通過生根發芽，根系穿過土壤層延伸進透水混凝土層并與之成為一體。與現有技術相比，本技術不僅具有一定的結構強度，耐水力沖刷強，而且有利于植物生長，水生動物的繁殖，以及能有效防止點源污染和地面污染水源通過河道周圍護坡滲入到水體中，固土保水能力強，對水質有一定的天然凈化作用。詳見圖1所示。

圖1 為鑲嵌式生態護坡適用示意圖

6 總結

綜上所述，透水混凝土因其獨有的性能特征在工程中使用越來越廣泛，但由于結構復雜，影響因素較多，所以在使用過程中應根據當地具體的地理和氣象條件，在確保施工質量和透水混凝土孔隙率的同時提高其透水功能和力學性能。