基于“海綿城市”理論的透水混凝土研究現狀綜述

崔 璨，宋昕銳，劉志峰,周衍濤

(金陵科技學院，江蘇 南京 211169)

1 “海綿城市”理論的提出背景及內涵

2020年8月17日，由中國社會科學院農村發展研究所、中國社會科學出版社聯合發布的《中國農村發展報告2020》中指出，2025年中國城鎮化率有望達65.5%，城市規模拓展，城鎮化發展迅速，水生態危機卻日益顯露，如何提高城市水資源的利用效率已成為一大新難題。2020年水利部最新的調查數據顯示，在全國范圍內僅洪水災害造成的直接經濟損失就可達800億元人民幣以上。同時，水質污染、水資源短缺、地下水位下降等一系列水危機問題也都對國家經濟、日常生活以及生態環境造成不同程度的影響。

我國在季風氣候影響下，氣候變化具有一定無常性，這不僅加劇了水資源分配的不平衡性，也使得洪澇、干旱災害以高頻率爆發。城市高速發展下水資源的空前開發引發了水質的污染問題以及一系列衍生問題，同時水資源的過度開發使得相當部分的北方河流出現下流斷流現象，土地的調蓄能力較過去幾年大幅下降。在快速城鎮化的過程中，由于工程人員在初始階段為求效率僅簡單地將水資源獨立出來，造成水和物的分離，只專注于單一目標的工程，造成水系統受損，進而引發一系列的環境問題。

水危機問題是一個綜合且復雜的問題，需要一個全面的解決方案，在這種趨勢下，“海綿城市”理論應運而生[1]，并不斷得到海內外國家學者的重視，從2015年至今，中國海綿城市試點城市共計30余個。“海綿城市”概念最早由澳大利亞學者提出，用以比喻城市對周圍鄉村人員的吸附功能。在2003年，俞孔堅教授提出“海綿城市”指的是自然濕地以及河流等對城市旱澇災害的調蓄能力。在《海綿城市建設指南》一文中，將海綿城市定義為:海綿城市是指城市如同海綿一樣，城市在適應環境變化以及自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并且加以應用。

放眼全球，海外國家在“海綿城市”道路的探索上積累了豐富的經驗，通過對歐美、澳大利亞、日本等國家和地區成果的學習，加速了我國對于“海綿城市”的建設。具體實例有：LID技術、水敏感城市設計(WSUD)、雨水采集系統、雨水收集和儲存技術、雨水凈化技術、數字技術(GIS)等[2]。

2 建設“海綿城市”的主要思路

2.1 保護修復自然生態

保護修護水生態系統，通過植樹造林、退耕還湖等一系列操作涵養水土資源，修護已破壞的水生態系統，保護湖泊、河流、濕地等生態體系，維系自然水文特征。在了解不同的生態系統空間類型(森林、草原、海洋、濕地、城市)的自然風貌后分別實行相應的保護計劃，并建設相應的生態廊道將不同的生態系統空間類型相連接，將自然與生物相連接，降低“孤島”效應發生的可能性。同時，將整個規劃區的藍線和綠線合理劃定，保護河流、湖泊、濕地、公共綠地、公園等重點涵養水源區域，使人和自然和諧相處。對于已經遭受污染的水資源，將對原有水載體進行凈化修復，通過水生物的培育等方式凈化水源。濕地是自然之腎，人工濕地的建設對于修護保護自然環境有著重要意義，為保護原有自然濕地，應適當建設人工濕地。

2.2 研究新型材料

在建設海綿城市的探索中，“透水鋪裝系統”理念被提出，這是一種新型雨洪管理方法，經實踐驗證，透水鋪裝系統對城市內澇的緩解有很大程度的幫助，能有效減輕城市徑流負荷，同時凈化雨水徑流。

在21世紀初我國頒布的《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建(試行)》中指出，“海綿城市”目的在于降低經濟開發造成的副作用，修護自然水文特征，實現可持續發展的目的。透水鋪裝系統是建設海綿城市的具體措施之一，旨在緩解因地面硬化地表徑流加大的問題，形成自然降水的收集存儲再利用的良性水循環過程。目前，透水鋪裝系統已被廣泛應用于停車場、公園、人行道、輕載道路等場景。

經國內外學者研究以及實際應用顯示，透水鋪裝系統在降雨時可以有效減少地表徑流量，減少地表水蒸發，同時達到凈化雨水徑流的目的。Bean和Collins在分別監測北卡羅來納州不同地區的透水路面時，發現透水鋪裝系統的滲透率可達到75%以上，與瀝青硬化道路相比，提升了5倍左右[3]。透水鋪裝系統不僅發揮著下滲作用時，同時兼具較好的吸附過濾作用，有效減少了徑流中的污染物，大大減少地下水源的污染。

透水鋪裝系統有四層結構層，分別是：面層、基層、底基層、墊層。透水鋪裝系統以透水混凝土、透水磚、透水瀝青等材料作為面層材料；以砂、石灰巖、礫石等材料作為基層材料。其中，透水混凝土的研究，可使透水鋪裝系統及其他建設海綿城市的方案更好的實施，發揮更大的環境效益，建設智慧海綿城市。

3 透水混凝土研究

3.1 透水混凝土的概念

透水混凝土(Pervious Concrete或Porous Asphah)是一種透水地面鋪裝，是環保材料的一種，屬于“海綿城市”理念下衍生出的一種重要的控制技術，由水泥、骨料和水拌制而成，具有連續孔徑，又被稱作多空混凝土或過濾混凝土(圖1)。其最突出的特點是水可以從空隙中通過，從而達到減少積水的效果，是一種滲水性能卓越的工程材料。

圖1 透水混凝土表面

透水混凝土主要有如下優點[4]：

(1)在雨天可以顯著提高路面的透水性能，減少積水；

(2)水從透水混凝土的空隙中貫通從而滲入地下，一定程度維持了地下水資源的生態平衡；

(3)反射更少的太陽熱輻射，緩解“熱島效應”；

(4)增大車輛輪胎與路面的摩擦力，進而避免車輛行駛過程中的滑移；

(5)作為一種多孔材料，透水混凝土能吸收環境噪聲，減少噪音污染。

透水混凝土的劣勢主要體現在：

(1)透水混凝土作為一種半脆性材料，容易在荷載作用下產生裂紋，使路面開裂；

(2)由于在透水混凝土中的鋼筋會更易銹蝕的原因，所以透水混凝土多為素混凝土，抗荷載能力會很差[5]。

3.2 透水混凝土在國內外的研究歷程

3.2.1 國外研究

透水混凝土并非新型材料，歐州的發達國家早在一百多年前就開始開發透水地面鋪裝，在廣場、公園等場所已經得以應用，由于其顯著的高經濟性，在受戰爭影響的年代，透水混凝土備受青睞，自20世紀70年代始，美、英、法、意等國家都開始廣泛應用。70年代末，美國研制出一種無砂透水，采用Ⅰ型波特蘭水泥,28 d抗壓強度為26.2 MPa，在90年代，弗洛里達州還成立了“透水性波特蘭水泥混凝土混會”[6]。

法國的研究應用相較于美國更為先進，在透水混凝土試驗大范圍展開的情況下，這種材料的應用已經十分廣泛了。為增加混凝土的抗凍性能，法國實驗室還摻入引氣劑。法國的des. Poutest Chaussees 中心實驗室承擔了透水混凝土的多數研究。此時法國于半數的網球場都已經采用了透水混凝土為主要材料。

1976～1979年，日本提出了“雨水的地下還原政策”用以解決日本由于地理特殊性帶來的地基沉降問題，該政策著重于地下水的補充。日本學者在研究透水混凝土的耐久性時申請了透水混凝土路面材料的專利，該專利創新性地加入了高分子樹脂等摻和材料。

綜上，多個國家均已對透水混凝土進行了深入研究，并廣泛應用，但目前對透水混凝土的研究應用依然有相當的上升空間[7]。

3.2.2 國內研究

國內對于透水混凝土的研究主要始于1970年，大量試驗表明透水混凝土的強度和耐久性都不如傳統混凝土。在到1980年中的10年內，北京市園林局為改善古樹的生存環境，開始著手于對透水混凝土砌塊的研制[8]。但是總的來說，透水混凝土在我國的進展相較于國外仍有較大差距，相關技術企業也不多，有廣闊的市場空間。我國的研發差距主要表現在，我國目前仍為現場制備，而國外已經基本實現工業化生產和大型機械規模化施工，此外，我國目前尚缺乏權威的技術指標，標準化方面明顯滯后。但隨著節能減排政策的大力施行，節約型社會的建設已經刻不容緩。透水混凝土作為一項環保材料和技術，必將得到長足發展。

3.3 透水混凝土的制備

3.3.1 制備原理

混凝土一般情況下由骨料、漿體和氣體三相中成分構成，而混凝土的透水性差異往往在混凝土的混合階段得以顯現，這個階段的凝聚狀態可大致分為懸擺狀態、連鎖狀態、毛細狀態和漿體狀態，而透水混凝土就處于連鎖狀態，當膠結材料的體積小于骨料堆積狀態總孔隙的體積時，混凝土就留在這個狀態，同時留下一部分空隙作為透水通道[9]。膠結材料過多或過少分別會導致混凝土狀態落在懸擺狀態和毛細狀態或漿體狀態，這會分別導致透水混凝土的透水性和強度出現下降。

3.3.2 原材料

透水混凝土的主要原材料為水泥、骨料、摻合料以及添加劑，透水混凝土的制備對原材料要求嚴格，且對原材料指標要求高[10]。

透水混凝土中的骨料多采用粗骨料，且粗骨料的最大粒徑正常不超過25 mm，同時保證了貫通空率和合適的孔徑尺寸。粗骨料可以分為連續級配、間斷級配、單位級三類[11]，連續級配的力學性能要優于單位級和間斷級配，但后者更為常用，主要由于對骨料空隙率的要求。經過特殊工藝配比后，連續級配可能滿足工程要求，這樣制成的透水混凝土的穩定性較高。

對于膠結材料，普通硅酸鹽水泥(即波特蘭水泥)符合《通用硅酸鹽水泥》GB175—2007[12]，根據強度要求選用32.5以下或42.5以下符合標準的水泥即可。摻合料以硅灰效果最佳，也可加入樹脂配合無機材料使用，以提高混凝土的黏聚性和強度[13]。

3.3.3 制備工藝

制備流程如圖2所示，采用如圖的工藝制備可保證工作性，尤其當粗骨料為卵石時更顯其優越性[14]。

圖2 透水混凝土制備流程

4 結論與展望

本文通過調研相關文獻，結合目前國內外研究現狀，對“海綿城市”理論以及透水鋪裝中透水混凝土的應用進行了分析和研究[15～20]。可以看出，多孔混凝土相較于傳統混凝土，在犧牲部分強度的情況下，透水性和生態功能得到大幅提升，是透水鋪裝系統的理想材料，可以廣泛應用于對承載性能要求不高的場景中。相關成果可為未來海綿城市的相關研究提供參考和支撐。