透水混凝土的性能和应用现状综述

46科技导航Science&Technology透水混凝土（PerviousConcrete或PorousAsphalt）也被称作多孔混凝土、间断级配混凝土、开放孔隙混凝土或过滤混凝土，是指在制备过程中，通过减少或避免使用细集料，形成具有内部连通孔隙微观结构的一种混凝土，是一种具有高渗水功能的工程材料。透水混凝土的排水功能如图1所示。依据混凝土中集料粘结用材料的不同，透水混凝土可分为透水沥青混凝土和透水水泥混凝土（如图2所示），前者以沥青（必要时可掺入改性剂）作为粘结材料，后者以水泥（必要时可掺入矿物掺和料）作为粘结材料。透水混凝土的性能和应用现状综述47科技导航Science&Technology当今，透水混凝土应用的主要目的是水资源、环境保护和防止城市降雨期间的洪涝灾害，其作用方式是将其表面的水分通过自身和基层原地渗透或就近渗透至土壤中，从而维护局部地区的地下水位、净化水质、减小城市排水系统的排水负荷和低洼地区的雨水聚集。当前，透水混凝土主要用于建造停车场、人行道和低交通负荷要求的行车路面（如公园、小区或停车库至主干道的道路），用于收集降雨期间降落在其表面的雨水，同时，还可收集附近普通混凝土制备的路面和停车场、草坪和屋面等排放的雨水。除了具有渗水功能外，透水混凝土还具有增大摩擦力和吸声性能的特点。透水混凝土的优点可总结如下：1）在城市地区的降雨期间，通过分散雨水的流向，减小城市排水管道的工作负荷并有效避免局部区域的积水，这对于人口众多、交通和地形状况复杂的大都市具有重要意义；2）雨水通过透水混凝土向基层和土壤中渗透，可补充所在地区的地下水位，具有环境保护和调节水资源可持续发展的作用；3）透水混凝土对雨水的就地渗透，一方面可在渗透的过程中对雨水产生净化效应，另一方面还可有效避免雨水与可污染物或被污染水体的接触，避免了雨水的二次污染；4）降雨过程中渗透至透水混凝土基层和土壤中的水分，在晴天的时候可以部分蒸发出来，会降低城市的热岛效应；5）透水混凝土路面可降低并吸收行车噪音、减小声污染，这对于交通流量较大、空间狭小的城市内街道周边的工作和居住环境具有重要意义[2]；6）相对于普通混凝土，透水混凝土与车辆轮胎之间的摩擦力增大且摩擦力衰减梯度减小，同时，通过及时排放道路表面的积水，可有效减少车辆在行驶过程中的侧滑现象；此外，对道路表面雨水的及时排放，还可避免车辆在行驶过程中的泼溅现象和夜晚灯光下产生的眩光现象，提高了行车安全[3]。透水混凝土并不是当代新科技，早在大约150年前，欧洲就开始使用多孔水泥混凝土来制备预制混凝土构件并进行房屋的建造。尤其在二战期间，因为经济的匮乏，多孔水泥混凝土由于高经济性而获得了广泛的应用。出于水资源和水质保护的目的，1972年，美国通过了清洁水资源法案（CleanWaterAct）[4]，法案中规定，各州和各大城市有义务保障被收集降雨的清洁程度。透水混凝土由于可对降雨进行就地渗透且在渗透的过程中产生过滤和净化的功能，获得了广泛的关注和应用。同时，认识到透水混凝土的抗滑、吸声和防眩光功能后，进一步加速了透水混凝土在路面建设中的应用。自1970年开始，美国的俄勒冈州、加利福尼亚州、内华达州、亚利桑那州和佛罗里达州建造了大量的透水沥青混凝土路面，例如：俄勒冈州建造了3000公里的透水混凝土路面。透水混凝土在美国得到应用后，欧洲各国也开始建造透水沥青混凝土路面，包括德国、英国、法国、意大利和西班牙等。到1992年，德国已经建造了40万平方米的透水混凝土路面，由于独特的降噪和吸声效果，德国称之为“耳语道路”。虽然透水沥青混凝土已成功应用于高速公路的建造，但透水水泥混凝土在高速或高荷载能力路面的应用较少。这是由于透水水泥混凝土为半脆性材料，含有较大尺寸的孔隙，在荷载的作用下，由于孔隙尖端的应力集中，易于产生裂纹的扩展和破坏，从而导致路面开裂。同时，在透水水泥混凝土中使用钢筋容易产生锈蚀问题，所以其通常以素混凝土的形式出现。因此，相对于使用传力杆或连续配筋的普通水泥混凝土路面，透水水泥混凝土路面的抗荷载能力较差，如果用于制备高速或高荷载能力的路面，会导致维护工作量大、服役寿命短、经济性差。不过，随着混凝土制备技术的发展，通过增强骨料颗粒之间的结合强度、完善钢筋的保护措施以及使用纤维增韧等手段，透水水泥混凝土必然会越来越多地应用于高速和高荷载能力路面的建造[5]。综上所述，透水混凝土的使用和技术的发展主要是满足当前对水资源和环境保护、降雨排放过程中的水质维护和防止降雨产生的城市内涝现象的需求，其次是行车安全和路面噪声的控制。透水混凝土的应用应综合考虑孔隙率-孔隙连通程度、强度、抗磨损能力、抗车辙能力、抗开裂能力之间的关系，合理的设计、制备、施工和维护是透水混凝土工作能力和服役寿命的保障。本文就透水混凝土的配合比设计、排水处理方式、维护方法和实际应用效果进行论述，旨在为透水混凝土的发展和应用提供借鉴和指导。48科技导航Science&Technology美国混凝土协会（ACI,AmericanConcreteInstitute）的522委员会制定了透水水泥混凝土标准ACI522R-10（ReportonPerviousConcrete），其中对透水水泥混凝土主要指标的规定见表1[6]。美国ASTM组织中编号为C09.49的委员会负责透水水泥混凝土性能测试相关标准的制定，现在已在执行的标准为ASTMC1688/C1688M、ASTMC1701/C1701M、ASTMC1747/C1747M和ASTMC1754/C1754M，分别用于测试新拌透水水泥混凝土密度和孔隙率、现场透水水泥混凝土的渗透率（InfiltrationRate）、使用冲击和磨损的方法评价混凝土的抗破坏能力（Resistancetodegradation），以及硬化混凝土密度和孔隙率，现在正在制定过程中的标准是关于透水水泥混凝土抗压强度的测试方法。在美国，透水混凝土的质量由美国绿色建筑委员会（USGBC,UnitedStatesGreenBuildingCouncil）进行认证，该委员会使用LEED（TheLeadershipinEnergyandEnvironmentalDesign）程序对混凝土建筑的绿色程度进行分级和评价。透水水泥混凝土的制备通常采用波特兰水泥、矿物掺和料、开级配的集料（通常只包含粗集料、少或无细集料）和水来进行，同时还可掺入化学外加剂来提高透水混凝土的强度、调节凝结历程、降低干燥收缩和提高混凝土的抗冻融能力等。透水水泥混凝土配合比设计的目的是在保障最小浆体用量的基础上，使得制备的混凝土具有良好的新拌工作性、孔隙结构和强度。透水混凝土的配合比设计首先从浆体的用量和孔隙率开始，然后依据水胶比计算得出用水量和胶凝材料用量；再根据粗集料的粒径、粗集料的体积分数和捣实密度来计算粗集料的用量。具体计算方法可参见ACI522R-10标准。需要注意的是，普通水泥混凝土的水胶比和强度关系通常不完全适用于透水水泥混凝土。这是由于虽然水胶比可以影响混凝土中净浆的强度和界面过渡区的品质，但在透水水泥混凝土中，水胶比还会产生另一种不可忽视的影响：净浆的流动性能对孔隙率的影响。在透水水泥混凝土中，如果净浆的流动性能过大，则会产生孔隙堵塞现象，同时使得孔隙堵塞处的强度增大；如果净浆的流动性不足，加上透水水泥混凝土在初始水化期间较高的蒸发速率（相对于普通水泥混凝土而言），会使得骨料颗粒之间胶结不充分而阻碍强度的发展。因此，对于透水水泥混凝土，要综合协调水胶比-流变性-强度-孔隙率之间的关系，这样才能使所制备的透水水泥混凝土一方面具有所需要的透水能力，另一方面具有良好的强度。美国沥青路面协会（NAPA,NationalAsphaltPavementAssociation）颁布了透水沥青混凝土的设计方法，设计、建造和维护开级配沥青混凝土道路[7]，其中对透水沥青混凝土的原材料选择和力学性能提出了具体的要求，见表2。透水沥青混凝土的原材料包括集料、沥青、沥青改性剂和纤维，其中后两者可依据实际情况选择使用。透水沥青混凝土的配合比设计包括四个步骤：（1）选择原材料；（2）确定集料的级配；（3）确定最优沥青用量；（4）考察透水沥青混凝土的抗冻融能力。具体的计算方法和步骤可参见NAPA颁布的透水沥青49科技导航Science&Technology混凝土设计方法。对于透水沥青混凝土，由于其中大量孔隙的存在，为提高其抗荷载变形能力，应使用高刚度的沥青，推荐使用的沥青标号要比当地用于制备普通沥青混凝土的沥青高两级。透水混凝土的使用应结合区域降雨特征和要接纳的排水面积来进行合理的布置。透水水泥混凝土的使用和设计方法可参见美国波特兰水泥协会（PCA,PortlandCementAssociation）颁布的基于水文学的透水水泥混凝土设计手册[8]；透水沥青混凝土的使用和设计方法可参见美国沥青路面协会NAPA颁布的透水沥青混凝土路面手册[9]。这里重点讨论透水混凝土路面的结构和基于不同排水量需求的排水形式。一般来说，透水混凝土路面由透水混凝土面层、基层（Subbase）和底基层（Subgrade）构成，基层通常由压实碎石构成，底基层通常由轻度压实的土壤构成，其典型结构如图3所示。基层和底基层的压实程度要依据路面荷载和排水能力要求来确定。如果底基层土壤的排水能力不能满足要求，则可通过在基层中埋设排水管50科技导航Science&Technology道或建立蓄水井等方式来解决，如图4和图5所示。透水混凝土的破坏形式通常包括：开裂、沉降和表面磨损。开裂通常是由于超重的车辆荷载、排水过程中底基层局部冲刷导致的基层和面层支撑不足、气温变化产生的面层涨缩等；沉降通常是由于排水过程中对底基层的冲刷或底基层周围的侧压力损失所致；表面磨损通常是由于局部摩擦力过大（如车辆急刹车）或面层的粗集料颗粒之间结合强度太低所致。透水混凝土的另一种破坏形式是冻融破坏，这是由于透水混凝土中含有大量的孔隙，在水饱和的状态下，在冻融过程中，液态水至固态水的相变过程中产生的体积膨胀可产生破坏作用。但对于透水混凝土面层而言，由于其本身和下方基层、底基层的高透水能力，透水混凝土路面很难处于水饱和状态，因此，通常不需要担心抗冻融问题。对于透水水泥混凝土，在制备过程中使用引气剂，在粗集料表面的水泥净浆覆盖层中引入均匀分布的一些小气泡，可有助于提高其抗冻融能力。透水混凝土的维护包括两个方面：（1）对透水混凝土破坏区域的维护。由于施工缺陷和车辆荷载等原因，会产生透水混凝土的面层开裂和剥离现象。对于该种形式的破坏，可采取局部修复或拆除重建的方法进行维护；（2）对透水混凝土透水能力的维护。在排水过程中，水流中所携带的细小颗粒会使透水混凝土的孔隙产生堵塞，导致其排水能力逐渐下降。通常，需要以一定的时间间隔，对透水混凝土孔隙的通透性进行维护，维护周期随透水混凝土应用环境的不同而有差异。维护透水混凝土透水能力的措施主要有两种：高压水冲洗和大功率真空吸尘。高压冲洗可将透水混凝土表面孔隙中的大颗粒冲洗出，但会驱使小颗粒进一步向内部迁移，同时过高的冲洗压力也可能损害透水混凝土本身；真空吸尘可将透水混凝土表面孔隙中的颗粒以负压的方式吸出。当前，理想的维护手段应该是两种方法的结合，一套设备既能实现冲洗又实现真空吸尘，如图6所示。其实，防止透水混凝土发生堵塞现象应在透水混凝土的设计阶段开始，通常采用提升透水混凝土面层的高度、在透水混凝土面层周边建造路沿、对透水混凝土面层周围的土壤进行植被维护等措施，可有效地防止外来水流所携带的细碎颗粒造成的孔隙堵塞现象。针对透水混凝土的应用效果，作者考察了爱荷华州立大学的透水混凝土停车场以及明尼苏达州试验路的透水混凝土路面。爱荷华州立大学建造有透水水泥混凝土停车场和透水沥青混凝土停车场，其中透水水泥混凝土停车场的一半是透水混凝土，一半是普通混凝土。作者分别在晴天和雨天对两个停车场进行了考察，如图7和图8所示。图7显示了使用透水水泥混凝土和普通水泥混凝土建造的停车场，其中图7（a）为晴天，7（b）为雨天。由图7（