淺談海綿城市理念下的透水混凝土道路研究

朱永祥 梁冠軍

摘要： 介紹了海綿城市的建設(shè)理念和透水道路的分類；詳細闡述了透水混凝土道路和透水磚道路的研究現(xiàn)狀；歸納總結(jié)了目前我國透水道路的研究方法，為進一步研究透水道路提供新思路；最后，提出了今后針對透水道路研究這一領(lǐng)域未來面臨的主要挑戰(zhàn)。

Abstract： The construction concept of sponge city and classification of pervious road are introduced. The research status of pervious concrete roads and pervious brick roads are elaborated in detail. The research methods of pervious roads in China are summed up， and new ideas for further study of pervious roads are provided. It proposes the major challenges that will be faced in the future in this area of research on the flooding road.

關(guān)鍵詞： 海綿城市；透水混凝土；透水磚；進展；挑戰(zhàn)

Key words： sponge city；permeable concrete；permeable brick；progress；challenge

中圖分類號：U416.216 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）12-0229-03

0 引言

任何時候人類都離不開水資源，所以無論何時水資源都備受人們關(guān)注，當(dāng)前水資源的可持續(xù)發(fā)展以及循環(huán)再利用是眾多學(xué)者和工程師研究的重要課題。近年來，城市道路大多是由不透水的水泥混凝土或瀝青混合料形成的路面，導(dǎo)致部分城市出現(xiàn)內(nèi)澇；另一方面，當(dāng)降雨量較小時，城市路面上面的雨水無法滲透到土壤里，經(jīng)過蒸發(fā)，導(dǎo)致城市出現(xiàn)“熱島效應(yīng)”。針對上述現(xiàn)象，海綿城市建設(shè)理念應(yīng)運而生。

1 海綿城市理念及透水道路分類

1.1 海綿城市理念

海綿城市也被稱為水彈性城市，是指城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對雨水帶來的自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，它是一種新的城市雨洪管理概念。國際通用術(shù)語為“低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建”。通俗來講，海綿城市可理解為城市像海綿一樣，可以在下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，在需要水時提取蓄存的水進行利用。

海綿城市概念第一次被提出來是在2012年4月的《2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》上，此后李克強總理在2017年3月再次提到了海綿城市，提出：統(tǒng)籌城市地上地下建設(shè)，再開工建設(shè)城市地下綜合管廊2000公里以上，啟動消除城區(qū)重點易澇區(qū)段三年行動，推進海綿城市建設(shè)，使城市既有“面子”，更有“里子”。強化了海綿城市建設(shè)的重要性。

1.2 透水道路分類

透水道路作為一種結(jié)構(gòu)形式，與海綿城市建設(shè)理念十分契合，其一，它不僅能夠擴大城市可透水、透氣面積，降低地表溫度，還能夠大大改善城市“熱島現(xiàn)象”；其二，應(yīng)用該結(jié)構(gòu)能夠解決多種水生態(tài)問題，比如水質(zhì)污染、水生物棲息地喪失等問題。根據(jù)透水材料及構(gòu)成形式不同，透水道路可分為透水混凝土道路和透水磚道路。

透水混凝土道路具有良好的滲水、抗壓、耐磨、防滑以及吸音減噪等特點，己被廣泛應(yīng)用于輕載道路、人行道、停車場、護坡等領(lǐng)域。

透水磚道路采用的透水磚，按照工藝的不同可將其分為兩類，一是養(yǎng)護型透水磚；二是燒結(jié)型透水磚。第一種透水磚是把透水磚的原料破碎、篩分后，確定合理的粒徑范圍，之后加入相應(yīng)的輔助原料混合攪拌，輔助原料包括水和粘結(jié)劑等，然后將其放入在模具中，待施加一定壓力后將其壓制成型，最后采取脫模措施后安排放置養(yǎng)護，如此便制成了路面鋪裝材料，不僅符合相關(guān)質(zhì)量標準，而且具有良好的透水性能；第二種透水磚是把制備透水磚的原料依照標準流程進行操作，包括破碎、篩分、配料、混料、成型、脫模、高溫?zé)频?，如此便制成了符合相關(guān)規(guī)范標準及具有良好透水性能的路面鋪裝材料。

2 透水混凝土研究進展

2.1 影響透水混凝土透水性能和抗壓強度的因素

2.1.1 骨料

骨料對透水混凝土透水性能和抗壓強度均有一定的影響，這是因為透水混凝土中的膠結(jié)層較薄，骨料的粒徑大小直接影響骨料之間的接觸點，一般情況下，在合理范圍內(nèi)適當(dāng)降低骨料粒徑，有利于透水混凝土抗壓強度的提高。不僅如此，骨料類型對透水混凝土的強度和孔隙也存在一定影響，因為不同的骨料其各項參數(shù)必定存在一定差別，比如顆粒形狀、材質(zhì)等，這些物理特征的種種差別勢必會影響到透水混凝土最終的效果。另外，為增加透水混凝土的抗壓強度，可在透水混凝土原材料中適當(dāng)提高砂率，但是摻砂量需要嚴格控制，使孔隙率保持在合理的范圍之內(nèi)。

2.1.2 膠結(jié)材料

膠結(jié)材料不僅為骨料提供充足的包裹層，還能夠?qū)⒐橇夏z結(jié)為整體。為進一步提升透水混凝土強度，膠結(jié)漿體中除了使用普通硅酸鹽水泥外，還可以采用粒徑細微的礦物摻合料，將一部分水泥替換掉，滲透系數(shù)滿足透水的要求。有學(xué)者指出，摻有硅灰和高效減水劑的膠結(jié)漿體密實度高，與骨料的包裹界面好，因此雙摻硅灰和高效減水劑能夠提高透水混凝土的抗壓強度。另外，摻入有機聚合物也能夠起到提高透水混凝土的抗壓強度的作用，但是由于聚合物成本較高，且加入聚合物后透水性可能會降低，一直未被廣泛應(yīng)用。

2.1.3 水灰比

水灰比直接影響到透水混凝土性能，只有適宜的水灰比才能確保其透水混凝土的性能優(yōu)良。過高的水灰比，會使得膠比過大，如此一來稀的膠結(jié)漿體很容易把透水孔隙部分或全部堵死，不僅透水性會降低，強度也會大打折扣；而過低的水灰比，會使得膠結(jié)漿體過于干稠，如此勢必會影響到其和易性，膠結(jié)漿體將無法充分包裹骨料表面，十分不利于混凝土的強度提升。除此之外，水灰比還和混合摻合料、外加劑的性能息息相關(guān)。基于此，為制備良好的透水混凝土，必須選擇適宜的水灰比。

2.2 透水性能和抗壓性能

2.2.1 透水性能

透水混凝土作為一種路面材料來說，透水性能是其最重要的特征之一，只有具備了透水性能，才能在降雨時由路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部吸收掉透水面層表面的雨水，然后通過內(nèi)部孔隙將雨水排走，如此一來路面表面的壓力將大大減輕，有效避免了有害水膜和徑流，有利于路面使用壽命延長。由此可知，良好的透水性能能保證車輛和路面之間的良好接觸，有效避免水漂問題出現(xiàn)，大大增加了行車安全性。

透水混凝土的透水性能直接由其孔隙結(jié)構(gòu)決定的，而孔隙率是表征孔隙結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)?？紫妒侵富炷量傮w積扣除固體骨架所占據(jù)的體積后的剩余部分，其組成部分包括封閉孔隙、半連通孔隙、連通孔隙，而連通孔隙率與滲透系數(shù)有緊密聯(lián)系。有關(guān)學(xué)者曾就透水混凝土透水性能做過研究，研究中選取孔隙率和滲透系數(shù)為指標，采取定水位試驗方法，結(jié)果表明：有效的孔隙率和全孔隙率、孔隙率之間均呈正比關(guān)系，但是，隨著孔隙率的增大，其抗壓強度逐漸降低。

2.2.2 抗壓性能

當(dāng)前我國的透水混凝土抗壓強度的測定普遍采取的依然是普通混凝土的測試方法，參考我國相關(guān)規(guī)范標準，利用下式可計算出透水混凝土的強度。

其中：A為試件承壓面積（mm2）；F是試件破壞荷載（N）；fcc為混凝土立方體試件抗壓強度（MPa）。

但與普通混凝土相比，透水混凝土試件的承壓面積有所不同，試件的外形尺寸是普通混凝土的承壓面積，然而由于透水混凝土孔隙部分并沒有承受壓力，兩者在此存在明顯區(qū)別。因此，有學(xué)者提出一個新指標“實材抗壓強度”來表征透水混凝土實體部分的強度。計算“實材抗壓強度”時，直接將去除了孔隙部分所占的面積作為其承壓面積，即用試件外形面積與平面密實度的乘積來表示。

與普通混凝土相比，由透水混凝土抗壓強度測定得到的應(yīng)力一應(yīng)變曲線具有如下兩個特點，兩者之間存在一定區(qū)別。①曲線中存在較多的不圓滑波折，尤其是孔隙率較大的試件部分；②較多曲線并未達到波峰，但突然中斷。

透水混凝土應(yīng)力一應(yīng)變曲線的上述兩項特點表明其在靜壓加載過程中很容易引發(fā)裂縫，導(dǎo)致試件出現(xiàn)不均勻變形或者突然性破壞，且這種負面影響會隨著孔隙率的增大而愈加明顯。

3 透水道路研究遇到的挑戰(zhàn)

3.1 力學(xué)性能

由于透水混凝土骨架孔隙結(jié)構(gòu)的特殊性，膠結(jié)漿體無法實現(xiàn)對骨料的全面包裹，且隨著骨料間接觸點的減少，必然會影響到混凝土內(nèi)部總的膠結(jié)力和機械咬合力。基于此，為有效改善透水混凝土的力學(xué)性能，有學(xué)者進行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)影響透水混凝土孔隙率、透水系數(shù)與抗壓強度的關(guān)鍵因素是骨料粒徑與級配、水灰比，通過適當(dāng)添加一定外加劑能夠有效改善透水混凝土的性能。骨料壓碎值會隨著小粒徑骨料比例的增加而增大，與此同時，透水混凝土的抗折、抗壓強度也會有一定提升，但主要注意的是小粒徑骨料過多會影響透水系統(tǒng)，進而影響其排水性能?？紤]到骨料粒徑與級配、水灰比、孔隙率、透水系數(shù)等因素；結(jié)合減水劑、硅灰及聚合物乳液等外加劑的改善效果，系統(tǒng)歸納出一套切實可行的理論模型是透水混凝土力學(xué)性能研究的一個挑戰(zhàn)。

3.2 透水性能

透水性能是透水混凝土作為路面材料的一個重要特性，降雨時落到透水面層表面的雨水可以滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并通過內(nèi)部連通的孔隙流走。然而，由于路面上粉塵和泥沙的堵塞，極易造成的透水路面透水性能下降的問題，在國外，為了解決透水混凝土路面阻塞問題，一般采用小型高壓清洗機清洗路面，或采用高壓清洗和真空吸附結(jié)合的方法恢復(fù)，但是這樣只能使透水功能恢復(fù)到初期的80%。

因此，透水混凝土路面在面對粉塵和泥沙的阻塞問題，開發(fā)出其自動恢復(fù)功能或更便捷的方法是國內(nèi)外學(xué)者共同面臨的一個難題。

3.3 其他方面

現(xiàn)場試驗透水混凝土的多項生態(tài)環(huán)保指標，包括透氣、透水、吸聲降噪、凈化水體等，努力拓展其在生態(tài)環(huán)保方面的應(yīng)用。此外，為便于在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用透水混凝土，應(yīng)制定相應(yīng)的國家級規(guī)范標準。

4 結(jié)論

關(guān)于透水混凝土使用性能的研究國外發(fā)達國家研究較早，發(fā)展較快，而我國由于相關(guān)研究起步較晚，很多透水混凝土相關(guān)理論和實踐工作都亟待完善，透水混凝土在力學(xué)性能、透水性能以及其他透氣、吸聲降噪方面的研究是未來面臨的主要挑戰(zhàn)。

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