透水混凝土在海綿城市建設中的應用

陳立博

蘭州祁連山漢邦混凝土工程有限公司 甘肅蘭州 730101

隨著混凝土、瀝青等不透氣、不透水材料的廣泛使用，在道路變整潔、便利的同時,由于大面積的不透水地面取代了原有的綠地生態(tài)地表，導致地表很難與環(huán)境進行熱量、水分交換，引致地下水無補充，內(nèi)澇嚴重，地表沉陷頻發(fā)，城市熱島效應加劇[1]。透水混凝土因具有大量連續(xù)孔隙,在雨天能將部分雨水及時滲透至地表深層儲存。使用透水混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土澆筑路面能有效消除城市熱島效應,減少內(nèi)澇，補充城市地下水，減少地表沉降，綠化環(huán)境，最大限度保護原有河湖水系生態(tài)體系。透水混凝土在海綿城市建設中可發(fā)揮不可替代的作用。

1 透水混凝土結(jié)構(gòu)

透水混凝土又稱多孔混凝土，也可稱排水混凝土。在結(jié)構(gòu)上不含細骨料，用水泥、水、粗骨料與一系列添加物拌制而成，其中對粗骨料進行處理使其表面附著一層空穴均勻呈蜂窩狀的水泥漿，使得混凝土具有較高的孔隙率，能夠透水、透氣且質(zhì)地較輕，與普通混凝土相比具有高孔隙率和透水性[2]。

2 透水混凝土材料研究

環(huán)氧樹脂是一種環(huán)保的，耐久性好的材料，我國在1958年就開始進行大規(guī)模的生產(chǎn)，在后續(xù)的幾十年里不斷進行研究，新品種也不斷的被研發(fā)，由于環(huán)氧樹脂具有許多良好的優(yōu)點，目前已廣泛的運用于工業(yè)，航天，化工及土木等行業(yè)，在橋面鋪裝，裂縫修補得以廣泛運用。根據(jù)不完全統(tǒng)計，2010年，中國生產(chǎn)了120萬t的環(huán)氧樹脂，超過了世界生產(chǎn)總量的三分之一。在交通行業(yè)，橋面鋪裝，裂縫修補，彩色路面，特殊路面中都有環(huán)氧樹脂的身影，環(huán)氧樹脂具有高溫穩(wěn)定性好，無毒及黏結(jié)強度高的特點，在路面鋪裝行業(yè)需求越來越大，具有廣闊的運用前景[3]。透水混凝土在我國的起步相對于發(fā)達國家來說起步較晚，但在主科研下也取得了一些成果，主要是改變傳統(tǒng)路面不透水及其他路用性能方面的研究；我國早在上世紀九十年代就引入了透水混凝土，由于其強度低，施工麻煩及穩(wěn)定性較差等原因沒有得到廣泛的推廣。有學者著手研究聚合物空隙骨架混凝土透水路面的鋪裝，以4.75mm～9.50mm的單粒徑為骨料，并通過聚合物乳液對水泥漿體改性，目的在于增加路面鋪裝材料的強度以及增加其抗裂性和變形；通過實驗數(shù)據(jù)分析總結(jié)和公式擬合發(fā)現(xiàn)，透水混凝土在被研究者摻外加劑改性之后滲透系數(shù)k=0.4，孔隙率為0.20，標準養(yǎng)護條件下抗壓強度達到了21Mpa，抗折強度超過了5MPa，通過在學校內(nèi)部首次對部分路面進行鋪裝使用，但使用一段時間后就出現(xiàn)了脫空，膨脹等現(xiàn)象，證明其耐久性和穩(wěn)定性有待進一步提高。

3 透水混凝土路面的特點及應用

與傳統(tǒng)硬化鋪裝的路面相比，透水鋪裝的優(yōu)點及其應用價值主要有以下幾個方面。①保護地下水資源當遭遇強降雨天氣時，透水混凝土路面能使得雨水能夠快速流入地表而不停留在道路表面并形成地下水，能夠補充水資源的循環(huán)使用。②改善城市交通噪音環(huán)境透水混凝土由于其結(jié)構(gòu)的多孔隙結(jié)構(gòu)，能大量吸收城市車輛行駛時產(chǎn)生的噪音，對于改善城市交通噪音問題有顯著成效。

4 實驗研究

4.1 原材料

（1）水泥：甘肅-永登祁連山水泥有限公司生產(chǎn)的P.Ⅱ52.5水泥和甘肅-蘭州祁連山水泥商砼有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥。2種水泥物理力學性能如表1所示，符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的技術要求。

表1 水泥的物理力學性能

（2）粗骨料：5～16mm連續(xù)級配碎石，主要技術性能如表2所示，符合SL677-2014《水工混凝土施工規(guī)范》的要求。

表2 粗骨料的主要技術性能

（3）米石：采用某工程現(xiàn)場用米石，粒徑2.36～5mm，顆粒形貌如圖1所示。

圖1 2.36-5mm米石的外觀形貌

4.2 試件制備

本研究采用水泥裹石攪拌法和插搗成型法制作了90個100×100×100mm3立方體試件和18個100×100×400mm3棱柱體試件。試件成型后，采用塑料膜覆蓋表面，防止水分蒸發(fā)。靜置24小時后脫模，在標準條件下（溫度20±2℃，相對濕度95%）養(yǎng)護28天，養(yǎng)護結(jié)束后立即進行孔隙率、透水系數(shù)和力學性能試驗。凍融循環(huán)試件在標準養(yǎng)護24天后浸水養(yǎng)護4天，再進行凍融循環(huán)試驗[4]。

4.3 試驗方法

為了提高試驗的效率，對制作的試件利用快凍法進行凍融試驗。具體過程：將制作并養(yǎng)護完畢的試件在清水中浸泡2d，然后將試件去除并擦拭干凈表面的水分，靜置24h后測量試件的原始數(shù)據(jù)。利用凍融機對試件進行7組，每組10次，共70次凍融試驗，為了提高試驗精度，將每組6個試件試驗結(jié)果的均值作為該組試驗的最終結(jié)果。

4.4 試驗結(jié)果與分析

（1）透水混凝土配合比研究現(xiàn)狀。大粒徑或粒徑相差不大的骨料多用于透水混凝土之中，研究透水混凝土的配合比與常規(guī)的混凝土配合比的主要區(qū)別在于控制空隙率。透水混凝土的路面主要材料與普通水泥混凝土的材料相差不大，但透水混凝土因其空隙率大，其承載能力不如普通混凝土，但不同路況對于水泥混凝土的要求也不一樣，因此，可以從配合比著手，參考過去已有學者對水泥混凝土的透水性進行的研究成果[5]。通過對混凝土材料碎石的粒徑，配合比中的水泥用量，水灰比，添加劑進行考慮，通過反復試驗，最后依據(jù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析表明碎石粒徑，水灰比可以影響透水混凝土的透水性，并且是主研因素，通過抗壓試驗表明其正常養(yǎng)護條件下抗壓強度高達25MPa，透水系數(shù)超過0.5mm/s。也有學者通過采用正交試驗的方法對透水混凝土的配合比進行了設計，考慮礫石類型，灰水比，外加劑材料，并通過多組對比試驗分析，得到了影響透水混凝土的主控因素，并采用數(shù)學中的回歸分析方法，最后針對透水混凝土得到了最佳配合比。

（2）質(zhì)量損失。根據(jù)試件的原始質(zhì)量以及每組凍融試驗完成之后試件的質(zhì)量，計算獲取凍融條件下試件的質(zhì)量損失。根據(jù)計算結(jié)果，T1和T8兩組試件在試驗過程中的質(zhì)量損失最小，均不超過0.100kg，質(zhì)量損失最大的為T9組試件，70次凍融循環(huán)之后的質(zhì)量損失達到了0.232kg，剩余幾組試驗的結(jié)果比較接近，重量損失在0.100～0.200kg之間。凍融循環(huán)次數(shù)越多，混凝土的質(zhì)量損失越嚴重。可知，質(zhì)量損失率會隨著水膠比、漿集比和骨料級配的增大而增大。但是，質(zhì)量損失率隨著水膠比和漿集比的增加先緩慢增加然后急劇增加；而隨著骨料級配的增大而急劇增大，然后緩慢下降。結(jié)合上述試驗結(jié)果，T1組的質(zhì)量損失和質(zhì)量損失率最低，為最優(yōu)組合。

（3）漿料的粘度控制。漿料出鍋粘度偏大易導致包裹層干硬,影響骨料間的粘結(jié),降低成型后試件強度，而粘度偏小易導致包裹漿料流變下墜,導致堵孔甚至封堵，進而減小透水系數(shù)。實際生產(chǎn)時，除通過塌落度進行精確控制外，也可輔以目視對出鍋漿料的粘度進行初步判定。適宜的粘度是能保證漿料粘而不流、粘而不墜、足而不封、勻而不堵，既能保證骨料顆粒間的適度接觸粘結(jié)，又能保證骨料顆粒間適宜孔隙，筑就良好的透水通道，成型后的基體從而能獲得強度與透水功能的良好統(tǒng)一[6]。

（4）凍融耐久性。凍融循環(huán)對暴露在自然環(huán)境中的透水混凝土的使用壽命有負面影響，在本節(jié)中以抗壓強和抗壓強度損失率作為評價指標，表征SPC的凍融耐久性。25、50、75、100個凍融周期后SPC的抗壓強度及其損失。凍融循環(huán)對SPC抗壓強度的影響。SPC在凍融循環(huán)下的抗壓強度損失。在凍融循環(huán)次數(shù)相同時，SPC的抗壓強度隨著砂取代率的增加先增加而后降低。經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，砂取代率8%的SPC的抗壓強度為22.02MPa，與未添加砂的透水混凝土相比提高了53.23%。此外，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，添加砂的SPC的抗壓強度均高于未添加砂的透水混凝土，這表明，加砂有助于提高透水混凝土的凍融耐久性[7]。

5 結(jié)語

在傳統(tǒng)透水混凝土的基礎上，對高性能自密實透水混凝土的抗凍性進行了試驗研究，主要可以如下結(jié)論：①高性能自密實透水混凝土的透水系數(shù)隨孔隙率的增加而增大，呈線性增長關系，且能夠?qū)崿F(xiàn)低孔隙率高透水性能的要求。其中3mm孔徑的混凝土透水性能較差，4mm和5mm孔徑的混凝土透水性能優(yōu)異。②高性能自密實透水混凝土的強度特征與材料特性有很大關系，而混凝土預留孔洞的尺寸大小對高性能自密實透水混凝土強度的影響不大，孔分布對于強度有一定的影響，其中4×4陣列的混凝土試樣抗壓強度明顯偏低，采用同一配合比制成的無孔混凝土與透水混凝土抗壓強度相差不大。③高性能自密實透水混凝土的抗凍性能較好，凍融循環(huán)50次的情況下，表面剝落程度較小，凍融前后混凝土質(zhì)量穩(wěn)定在4.324%，其透水系數(shù)平均變化率4.785%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SPC的抗壓強度損失率逐漸增大，在凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，抗壓強度損失率隨著砂取代率的增加先增加而后降低。