透水混凝土的研究進(jìn)展綜述

張國(guó)強(qiáng)　　賴?。◤V州大學(xué)土木工程學(xué)院）

透水混凝土的研究進(jìn)展綜述

張國(guó)強(qiáng)賴俊
（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

本文總結(jié)了透水混凝土的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了透水混凝土成型方式和砂率對(duì)28d抗壓強(qiáng)度和透水性的影響。研究了其抗凍性，吸聲降噪性和抗疲勞性等性能，指出了透水混凝土目前存在的問(wèn)題，并結(jié)合堵塞機(jī)理提出了相關(guān)解決思路。

透水混凝土；強(qiáng)度；透水性；抗凍性；吸聲降噪性；抗疲勞性

1　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量人口涌入城市，造成水資源短缺，地下水位下降，同時(shí)大量高樓的建造也使路面排水設(shè)施無(wú)處修建。目前城市的路面都是水泥或?yàn)r青混凝土路面，這些路面都是不透水的，當(dāng)城市有暴雨出現(xiàn)時(shí)，路面會(huì)積累大量的雨水造成城市內(nèi)澇，尤其像我國(guó)廣州、深圳、長(zhǎng)沙、武漢等降雨量大的城市，每年因?yàn)閮?nèi)澇造成大量人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失的案例屢見不鮮。另外，不透水道路的舒適度以及安全性能也會(huì)因?yàn)槁访娣e水而顯著減低。

與普通路面相比，透水混凝土路面具有以下優(yōu)點(diǎn)：①有效解決路面積水問(wèn)題；②緩解地下水位的下降；③吸收行車產(chǎn)生的噪音。顯然，它能解決普通路面的上述弊端，更加環(huán)保，將會(huì)是我國(guó)構(gòu)建“海綿城市”的重要材料。

2　透水混凝土在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀

透水混凝土并不是現(xiàn)代新式材料。早在20世紀(jì)初期，國(guó)外就己經(jīng)開始進(jìn)行對(duì)多孔水泥混凝土的制備，制造出許多預(yù)制混凝土構(gòu)件，并將它用于對(duì)房屋的建設(shè)。

1972年，出于對(duì)水資源以及水質(zhì)的保護(hù)，美國(guó)通過(guò)了清潔水資源法案（Clean Water Act）法案中規(guī)定了各州和各大城市需要確保被收集的降雨的清潔度。之后，進(jìn)行了大量透水性混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究。1995年，南伊利諾伊大學(xué)的Nader Ghafoorim［1］敘述了透水混凝土的概要，研究了其物理力學(xué)性質(zhì)及狀態(tài)，以及其磨耗性及抗凍性。2003年華盛頓大學(xué)Benjamin O. Brottebo同Derek B.Booth［2］對(duì)在1996年鋪設(shè)4個(gè)停車場(chǎng)所使用的透水混凝土的耐久性、透水性和力學(xué)性能進(jìn)行了的研究和綜合評(píng)價(jià)，4個(gè)停車場(chǎng)透水混凝土均沒有發(fā)生顯著的破壞，雨水的滲透性良好。2016年德克薩斯農(nóng)機(jī)大學(xué) Maria A.Hernandez-Saenz、Silvia Caro［3］等人總結(jié)了美國(guó)現(xiàn)有的透水混凝土的相關(guān)性能，確定出了新的路面設(shè)計(jì)方法。

在英國(guó)二十世紀(jì)七十年代，很多學(xué)者就開始研究制造透水混凝土，并用透水混凝土建造了長(zhǎng)達(dá)183m，5cm厚的面層和25cm厚的基層的路面，該路面在第28天的強(qiáng)度達(dá)到13.8MPa。有跟蹤研究顯示，這條道路的使用性能一直很好，在使用十年以后，這條道路由于凍融而被破壞。

在日本，由于其特殊的地理位置，常年降雨較多，然而地下水位卻越發(fā)下降，在70年代末，為了解決因?yàn)榈叵滤幌陆刀鴮?dǎo)致的地基下沉問(wèn)題，大量學(xué)者提出了使雨水還原于地下的政策，緩解地下水位的下降，學(xué)者們研究了透水混凝土的透水系數(shù)、孔隙率、強(qiáng)度之間的關(guān)系，并且在1987年申請(qǐng)了有關(guān)透水混凝土的專利。專利中選擇了單一級(jí)配的粗集料、少量細(xì)集料、有機(jī)髙分子樹脂等膠凝材料。此后，日本學(xué)者玉井元治同本享久［4］等研究者又以水泥為膠凝材料做了透水混凝土的試驗(yàn)研究，此種透水混凝土的厚度一般在70～200mm之間，水灰比大約為0.35，釆用5～13mm或2.5～7mm粒級(jí)的碎石制成。2016年日本山口大學(xué)的Yail J.Kima、Adel Gaddafi［5］等人在透水混凝土中加入粉煤灰和輪胎碎片夾雜物等，改善了混凝土的滲透速度，提高了其抗折強(qiáng)度，但輪胎的切屑容易堵塞孔隙主要依賴于他們的幾何配置。

2.2 國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展

與國(guó)外大量開展的透水混凝土鋪裝材料的研究情況相比，國(guó)內(nèi)對(duì)透水混凝土材料的研究時(shí)間短，應(yīng)用比較較少，技術(shù)水平也偏低。近些年，許多材料科研機(jī)構(gòu)開始了大量的透水混凝土研究。其中1993年中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院進(jìn)行了透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究，并得到了廣泛應(yīng)用。

2000年清華大學(xué)的楊靜、蔣國(guó)梁［6］等專家采用細(xì)骨料，礦物細(xì)摻料和有機(jī)增強(qiáng)劑等方法，使得透水混凝土道路材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到35.5MPa，抗折強(qiáng)度6.8MPa，透水系數(shù)2.9mm/s，具備了較高的強(qiáng)度和良好的透水性。

2004年長(zhǎng)安大學(xué)的鄭木蓮［7］開展了大量的有關(guān)透水混凝土的排水研究，并分析了全寬式、設(shè)盲溝以及設(shè)集水溝和管的排水系統(tǒng)的排水能力。

綜上所述，許多國(guó)家都對(duì)透水混凝土深入的進(jìn)行了研究分析，主要集中在強(qiáng)度以及其抗凍性、吸聲降噪、抗疲勞性能等方面。在當(dāng)今社會(huì)，人們?cè)絹?lái)越注重環(huán)保，而透水性混凝土作為一種新的環(huán)保材料，正是當(dāng)今社會(huì)所需要的，是創(chuàng)建“海綿城市”的最佳材料。然而，由于各種條件的限制，目前對(duì)透水性混凝土的研究和推廣還有很大的進(jìn)步空間，諸多國(guó)家的有關(guān)學(xué)者也都仍然在研究分析中。

3　成型方式、砂率對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和透水系數(shù)的研究

3.1 成型方式

成型方式作為影響透水混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)高低的關(guān)鍵因素之一，振動(dòng)時(shí)間太短導(dǎo)致強(qiáng)度低，透水性好，而時(shí)間太長(zhǎng)則會(huì)出現(xiàn)水泥漿體堵塞孔隙，出現(xiàn)不透水的情況，因此必須合理的選擇成型方式。

⑴手工插搗成型：手工插搗制作的試塊均勻性較好，但密實(shí)度差，強(qiáng)度偏低。

⑵機(jī)械振搗成型：機(jī)械振搗時(shí)間越長(zhǎng)，孔隙率越小，堆積越緊密，強(qiáng)度越高，但孔隙率越小，透水系數(shù)越小，振動(dòng)時(shí)間取8s將能夠獲得較高的強(qiáng)度。相對(duì)與只進(jìn)行機(jī)械振搗，采用手工插搗和機(jī)械振搗二者相結(jié)合的方式可以保證不降低強(qiáng)度的情況下提高其透水系數(shù)［8］。

⑶靜壓成型：用靜壓成型方式時(shí)，透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度將隨成型壓力的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律，透水系數(shù)則一直減小，當(dāng)成型壓力由15kN增加為25kN時(shí)，部分石子被壓壞，而透水混凝土抗壓強(qiáng)度則提高38.5%，透水系數(shù)下降了14.3%。為了避免骨料在過(guò)壓狀態(tài)下破碎，造成透水系數(shù)降低。最佳的成型壓力應(yīng)控制在1.5MPa［9］。

⑷機(jī)械振動(dòng)和靜壓成型：當(dāng)采用機(jī)械振動(dòng)與靜壓成型相結(jié)合的方式，可以利用機(jī)械振動(dòng)成型強(qiáng)度高，靜壓成型透水性好的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械振動(dòng)控制在5s，成型壓力控制在15kN，加載速度控制在0.3MPa/s，其28d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到38.8kN，透水系數(shù)達(dá)到3.5。

3.2 砂率

研究表明隨著砂率的增加，透水混凝土的強(qiáng)度逐漸增加，透水系數(shù)逐漸降低。這是因?yàn)橐话阃杆炷翞榱吮ＷC良好的透水性而不加任何的細(xì)骨料，導(dǎo)致水泥凝膠體與粗骨料之間的過(guò)渡區(qū)太大，而水泥硬化體本身內(nèi)部又含有較多的毛細(xì)孔和微裂縫，因此降低了強(qiáng)度。參照高性能混凝土中摻入礦物細(xì)摻料，提高混凝土密實(shí)度、減小過(guò)渡區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，在水泥漿中摻入少量的細(xì)砂（1～2mm粒徑），同時(shí)使用適量高效減水劑使其分散，填充于水泥凝膠體的毛細(xì)孔和微裂縫中，達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。但加入過(guò)多的砂，將會(huì)嚴(yán)重堵塞粗骨料之間的孔隙，造成透水系數(shù)降低。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)骨料占粗骨料的10%左右時(shí)，將會(huì)獲得良好的效果。

4　透水混凝土的抗凍性、抗疲勞性能的研究

4.1 抗凍性

由于我國(guó)面積廣闊，南北緯度差別較大，因此氣溫也差別較大，故必須對(duì)透水混凝土的抗凍性進(jìn)行研究。

2006年江蘇大學(xué)的萬(wàn)偉［10］通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在透水混凝土中加入無(wú)機(jī)質(zhì)添加劑SR-3，可以有效地改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，提高透水混凝土內(nèi)部骨料和漿體的粘結(jié)力和凍融循環(huán)次數(shù)。以動(dòng)彈性模量損失為參考指標(biāo)，當(dāng)最低溫度為-20℃，透水混凝土在氣凍水融循環(huán)過(guò)程中，當(dāng)開始破壞時(shí)，可以經(jīng)受凍融循環(huán)次數(shù)為55次左右。透水混凝土在水凍水融循環(huán)中，當(dāng)開始破壞時(shí)，可以經(jīng)受循環(huán)次數(shù)為35次左右。并得出了質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量以及相對(duì)耐久性的計(jì)算公式。

2011年湖南科技大學(xué)的李偉［11］通過(guò)研究得出了抗凍性與目標(biāo)孔隙率以及水灰比的關(guān)系。同樣水灰比情況下，孔隙率越大，抗凍性能越差。第一主要表現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度方面，凍融次數(shù)越多，抗壓強(qiáng)度損失率越多。第二主要表現(xiàn)為質(zhì)量損失方面，凍融次數(shù)越多，質(zhì)量損失越大。

2012年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉星雨［12］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)透水混凝土的抗凍性隨骨料粒徑減小而提高、隨水灰比的增大而明顯降低、隨漿體骨料質(zhì)量比的增加而提高，在保證良好的透水性能和力學(xué)性能的前提下，得到1～2cm級(jí)骨料粒徑、0.25的水灰比、0.245的漿體骨料質(zhì)量比為最佳設(shè)計(jì)參數(shù)的結(jié)論。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種抗凍性、耐久性優(yōu)良，透水性能、抗壓強(qiáng)度滿足要求的透水混凝土。

2013年大連理工大學(xué)的胡立國(guó)［13］通過(guò)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，慘加硅灰、粉煤灰的透水混凝在50次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失大多控制在10%以內(nèi)，100次凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度損失也未超過(guò)20%，150次凍融后抗壓強(qiáng)度損失在25%以內(nèi)，因此，加入硅灰、粉煤灰對(duì)增強(qiáng)透水混凝土的抗凍性產(chǎn)生明顯作用。

目前透水混凝土相比普通混凝土的抗凍性仍然比較差，還需要開展大量的研究。

4.2 吸聲降噪性

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家車快速的增長(zhǎng)，給城市中的人群帶來(lái)了很大的噪音影響，而目前沒有一套合理的措施來(lái)解決城市的噪音污染，由于透水混凝土具有較大的孔隙，因此對(duì)于噪音的緩解具有重要作用，透水混凝土吸聲主要通過(guò)穿過(guò)孔隙中的聲波與孔隙中的空氣黏滯和摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，如此反復(fù)，達(dá)到吸聲降噪。

2004年?yáng)|南大學(xué)霍亮等［14］研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合式透水性混凝土吸聲系數(shù)的峰值范圍在500Hz左右，平均吸聲系數(shù)為0.351，單層式的在700Hz左右，平均吸聲系數(shù)0.3，而密實(shí)混凝土吸聲系數(shù)起伏不大?；酒街保骄曄禂?shù)0.136。

2012年濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院李睿、郇家明等［15］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)透水混凝土路面降噪效果受混合料空隙率、骨料級(jí)配及路面鋪筑厚度的直接影響，一定厚度的情況下，空隙率越大，降噪效果越顯著。隨著透水混凝土路面鋪筑厚度的增加，吸聲系數(shù)向低頻段轉(zhuǎn)移，為了獲得更加穩(wěn)定的降噪特性和頻響特性，透水混凝土路面的厚度宜為40～50mm或最大公稱粒徑的2～2.5倍左右為合適。

2014年浙江工業(yè)大學(xué)的倪彤元、邰惠鑫等人［16］研究發(fā)現(xiàn)不同孔隙率的透水混凝土試件的低頻段聲波吸收能力相差不大。隨著孔隙率的增加，吸聲系數(shù)也增大。在孔隙率相同的情況下，隨著透水混凝土鋪裝層厚度的增加，中低頻段的吸聲系數(shù)有增大的趨勢(shì)，而在高頻段的吸聲系數(shù)則有減小的趨勢(shì)。透水混凝土鋪裝層的配比設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮滲透性、強(qiáng)度、吸聲性能等因素，從吸聲性能考慮，得出最佳透水混凝土鋪裝層的孔隙率為17%～22%。

4.3 抗疲勞性能

由于透水性混凝土為了保證良好的透水性因此其內(nèi)部孔隙多連通，界面復(fù)雜且強(qiáng)度較低等特征，在車輛的反復(fù)荷載作用下極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損傷不斷積累并且擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致疲勞破壞［17］。

2004年長(zhǎng)安大學(xué)鄭木蓮等［18］通過(guò)室內(nèi)小梁彎拉疲勞試驗(yàn)，得出透水混凝土疲勞壽命及等效疲勞壽命均服從雙參致威布爾分布.并通過(guò)此數(shù)學(xué)模型建立了不同失效概率下兩種形式的雙對(duì)數(shù)方程。

2008年L.T.Mo等［19］采用有限元模型，以應(yīng)力水平和疲勞壽命為指標(biāo)對(duì)透水混凝土抗疲勞性能進(jìn)行數(shù)值分析，指出透水混凝土特定區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象是導(dǎo)致其早期脫落的重要原因。

2009年解放軍理工大學(xué)的卓義金、李志剛等［20］通過(guò)對(duì)疲勞方程的對(duì)比得出：摻加改性劑可以改善混合料的和易性，并且在水泥表面形成較厚的立體包層，使水泥達(dá)到較好的分散效果，同時(shí)也改善了水泥膠結(jié)料與骨料間的界面狀態(tài)，使得混凝土具有較好的疲勞韌性。加強(qiáng)了界面延性，提高了材料在荷載作用下界面產(chǎn)生裂隙的初始荷載水平。同時(shí)，改性劑在漿體內(nèi)形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以起到增加強(qiáng)度和改善抗變形性能的效果。

5　關(guān)鍵問(wèn)題和解決思路

與普通混凝土不同，透水混凝土是一種骨架-空隙結(jié)構(gòu)，它是以單粒級(jí)粗集料作為骨架，導(dǎo)致出現(xiàn)強(qiáng)度低、容易堵塞、抗凍性和抗疲勞性差的問(wèn)題。如何提高其抗壓、抗折強(qiáng)度和減小堵塞是目前研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)采用以下三種方法可以有效提高透水混凝土強(qiáng)度：①減小骨料粒徑；②摻入適量的硅粉和高效減水劑；③加入有機(jī)增強(qiáng)劑。其次，由于其孔隙較大，因此會(huì)導(dǎo)致很多塵土通過(guò)風(fēng)的吹送而堵塞孔隙，造成其無(wú)法透水，尤其我國(guó)北方氣候干燥，塵土較多，更容易造成透水不暢，隨著時(shí)間的積累最終導(dǎo)致無(wú)法透水。在孔隙堵塞方面目前國(guó)內(nèi)的研究成果相對(duì)較少，早期的研究發(fā)現(xiàn)透水混凝土路面使用5年后，其滲透性降低了90%［21-22］。透水性降低的原因是由于部分雨水?dāng)y帶的大量泥土、細(xì)砂、碎片等雜質(zhì)隨水流不斷進(jìn)入透水混凝土的孔隙而造成堵塞。除此之外，清理路面產(chǎn)生的灰塵以及植被的落葉、揚(yáng)沙都可能造成孔隙堵塞。減少混凝土的堵塞，主要有以下三種方式：①清掃后吸塵；②高壓水沖洗；③浸潤(rùn)后清掃。另外對(duì)透水混凝土在透氣、透水、吸聲降噪、凈化水體等方面進(jìn)行更加深入的研究，以拓展其在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用。

6　結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于歐美、日本等國(guó)，我國(guó)的透水混凝土應(yīng)用是非常少的，主要是因?yàn)槠淇箟簭?qiáng)度比較低，容易出現(xiàn)大量堵塞，另外其抗凍性也相對(duì)較差，導(dǎo)致在我國(guó)北方的應(yīng)用非常少。通過(guò)研究得出，在透水混凝土中加入適量的硅粉和改性劑并將孔隙率控制在17%～22%，能夠提高混凝土強(qiáng)度并改善其抗凍性、抗疲勞性和吸聲降噪性。相信通過(guò)深入研究并憑借其優(yōu)良的環(huán)保性能，透水混凝土在未來(lái)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

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