透水混凝土制備與性能?chē)?guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

高小建, 陳鐵鋒, 蘇安雙

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090; 2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150050)

透水混凝土又稱(chēng)多孔混凝土，通常是由單粒級(jí)粗骨料、少量砂或無(wú)砂、膠凝材料、水，以及外加劑拌和并經(jīng)振動(dòng)或壓制成型的一種新型生態(tài)混凝土材料。透水混凝土在成型硬化后依然存在較多的連通孔，使其具有良好的透水、保水與透氣能力，一方面可以解決強(qiáng)降雨造成的城市內(nèi)澇問(wèn)題，另一方面通過(guò)雨水的快速滲入補(bǔ)充地下水資源，有利于植物的生長(zhǎng)和熱量、水分的流通，緩解城市的“熱島效應(yīng)”。

由于透水混凝土優(yōu)越的環(huán)境、生態(tài)效應(yīng)，自20世紀(jì)開(kāi)始便得到了廣泛的關(guān)注。1979年，美國(guó)首次使用透水混凝土建設(shè)了有透水功能的停車(chē)場(chǎng)，并獲得了透水混凝土的發(fā)明專(zhuān)利；20世紀(jì)80年代起，日本推行的“雨水滲透計(jì)劃”中大量應(yīng)用了透水混凝土；德國(guó)自20世紀(jì)80年代起不斷致力于路面的透水改造，計(jì)劃于2010年完成城市路面的透水化。在我國(guó)，對(duì)于透水混凝土的研究始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)十幾年的研究，透水混凝土的應(yīng)用愈加廣泛，比較典型應(yīng)用如2008年北京奧林匹克公園和2010年上海世博會(huì)園區(qū)的廣場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)、人行道等部位。

目前，對(duì)于透水混凝土的研究主要集中于透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)、成型方法、養(yǎng)護(hù)方式及各因素對(duì)力學(xué)性能、耐久性能和透水性的影響。由于透水混凝土中一般含少量或不含細(xì)骨料，粗骨料被漿體包裹，主要通過(guò)粗骨料之間的咬合摩擦以及骨料表面水泥漿體黏結(jié)成整體，其力學(xué)強(qiáng)度和耐久性均低于普通密實(shí)混凝土。因此需要通過(guò)制備工藝的優(yōu)化，提高透水混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。本文主要就透水混凝土的原材料選擇與配合比設(shè)計(jì)、制備工藝、力學(xué)強(qiáng)度和耐久性能等方面總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

1 原材料選擇與配合比設(shè)計(jì)

透水混凝土屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度主要來(lái)自于粗骨料之間的咬合力以及水泥漿體的黏結(jié)力。因此骨料、水膠比和礦物摻合料在配合比設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

1.1 骨 料

通常來(lái)說(shuō)，為了制備出透水性和強(qiáng)度較為理想的透水混凝土，應(yīng)嚴(yán)格控制骨料的性能指標(biāo)。顆粒形狀對(duì)粗骨料間咬合力影響較大，因此應(yīng)盡量選擇棱角更多的碎石。骨料的粒徑大小也會(huì)對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。骨料的粒徑越小，骨料間的接觸點(diǎn)越多，其強(qiáng)度也越高，但混凝土的透水性能也會(huì)下降。Cosic等[1]研究了白云石骨料和鋼渣骨料以及不同的粗細(xì)骨料比例對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水率的影響。結(jié)果表明：白云石骨料成型的透水混凝土孔隙率高于鋼渣骨料；由于水泥漿體會(huì)滲入鋼渣表面的孔隙，鋼渣骨料透水混凝土的內(nèi)部咬合力更強(qiáng)，其抗壓強(qiáng)度也更高。Lian等[2]對(duì)比研究了石英石、白云石及石灰石等三種類(lèi)型粗骨料對(duì)透水混凝土性能的影響，結(jié)果顯示白云石骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度更高，耐磨性更好；而石英石表面容易附著大量氧化鐵雜質(zhì)，導(dǎo)致與膠凝材料黏結(jié)較差，因此不適合作為透水混凝土骨料使用。Gaedicke等[3]研究了以再生骨料、人造沸石為骨料的透水混凝土的力學(xué)性能。結(jié)果表明：隨著再生骨料的混合比例增加，透水混凝土的抗壓和抗彎強(qiáng)度分別提高了50%和75%；當(dāng)孔隙率為20%、再生骨料替代率為50%時(shí)，透水混凝土的性能較好。楊婷惠[4]研究了粗骨料粒徑對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在水灰比0.28，設(shè)計(jì)孔隙率為20%的情況下，碎石的最佳粒徑為9.5～16.0 mm，卵石的最佳粒徑為4.75～9.50 mm。砂率同樣會(huì)影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度。Boniceuli等[5]研究了摻入砂對(duì)透水混凝土性能的影響。結(jié)果表明：砂的摻入能明顯改善透水混凝土的力學(xué)性能，其中抗拉強(qiáng)度最大可提升70%、剛度最大可提升35%；同時(shí)摻入砂的效果也受到水灰比的影響，當(dāng)水灰比較低時(shí)，砂的摻入對(duì)力學(xué)性能影響也較低。張國(guó)強(qiáng)等[6]研究了砂率、水膠比、設(shè)計(jì)孔隙率對(duì)力學(xué)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：砂率對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大；當(dāng)砂率在2%～4%、設(shè)計(jì)孔隙率在20%、增強(qiáng)劑摻量在5%時(shí)，透水混凝土強(qiáng)度及透水系數(shù)均達(dá)到了較好的狀態(tài)。付培江等[7]研究表明：透水混凝土的最佳砂率約為12%；當(dāng)砂率大于最佳砂率時(shí)，粗、細(xì)骨料總表面積的增大會(huì)導(dǎo)致膠凝材料不足以在粗細(xì)骨料之間形成有效的膠結(jié)，導(dǎo)致透水混凝土強(qiáng)度下降。

1.2 水膠比及骨膠比

水膠比與骨膠比是影響透水混凝土性能的重要因素。水膠比一般介于0.25～0.40之間，當(dāng)水膠比過(guò)小時(shí)，漿體過(guò)稠，混凝土拌和物和易性、工作性較差；當(dāng)水膠比過(guò)大時(shí)，過(guò)稀的膠結(jié)漿體會(huì)封住透水孔隙，造成“封底”現(xiàn)象。Nguyen等[8]研究了水膠比與水灰比對(duì)透水混凝土力學(xué)強(qiáng)度、透水性能的影響，并通過(guò)對(duì)粗骨料表面包裹的水泥漿體厚度的預(yù)測(cè)，建立了針對(duì)某一特定強(qiáng)度和孔隙率的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。劉東等[9]研究顯示透水混凝土抗壓強(qiáng)度不會(huì)隨著水膠比的減小而一直增大，而是存在一個(gè)極值點(diǎn)。王培新等[10]的研究顯示，當(dāng)水膠比在0.3左右、骨料用量為1550 kg/m3時(shí)，隨著水泥用量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均升高，但水泥用量超過(guò)400 kg/m3后強(qiáng)度的增長(zhǎng)開(kāi)始明顯放緩。張賢超[11]針對(duì)透水混凝土設(shè)計(jì)中骨料級(jí)配、水膠比、骨膠比等參數(shù)，建立了各參數(shù)與透水混凝土性能之間的回歸方程，認(rèn)為透水混凝土的水膠比適宜范圍為0.29～0.33，骨膠比適宜范圍為4∶1～5∶1，砂率適宜范圍為6%～10%。

1.3 礦物摻和料

礦物摻和料能使透水混凝土中膠結(jié)材料的和易性、力學(xué)性能和耐久性能得到改善，有效提高其各項(xiàng)性能。Li等[12]在透水混凝土中摻入了硅灰及粉煤灰，采用活性粉末混凝土漿體作為粗骨料間的膠結(jié)材料，得到了抗壓強(qiáng)度61.37 MPa、透水系數(shù)13.02的高性能透水混凝土；Yang等[13]研究了硅灰和高分子聚合物對(duì)透水混凝土性能的影響，結(jié)果顯示硅灰和減水劑能有效提高透水混凝土的強(qiáng)度，其中抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到50 MPa，且只要將容重控制在1900～2100 kg/m3的范圍內(nèi)，就能夠保證較好的透水性能；高分子聚合物能有效提高透水混凝土抗壓強(qiáng)度，但對(duì)透水性能影響較小，且由于摻量較大，導(dǎo)致成本偏高。

西南交通大學(xué)孫宏友[14]研究了透水混凝土性能指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)果顯示硅灰與粉煤灰摻量均對(duì)透水混凝土強(qiáng)度有明顯影響，而對(duì)透水性能影響不大；為了保證強(qiáng)度和透水性，硅灰的最佳摻量為2.5%～5%，粉煤灰的最佳摻量為10%～15%。山東大學(xué)樓俊杰[15]研究了礦物摻和料對(duì)透水混凝土耐久性的影響。凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰可降低凍融循環(huán)下透水混凝土質(zhì)量損失；硅灰對(duì)透水混凝土抗凍性能的提升效果較粉煤灰更加顯著；石英砂對(duì)透水混凝土抗凍能力影響不大；礦粉對(duì)抗凍能力的提升較明顯，但對(duì)動(dòng)彈性模量影響不大。李子成等[16]研究了粉煤灰和礦渣單摻和雙摻部分取代水泥作為膠結(jié)料對(duì)透水混凝土的影響。結(jié)果顯示：?jiǎn)螕降V渣使透水混凝土早期強(qiáng)度降低，后期強(qiáng)度先升高后降低。粉煤灰和礦渣的雙摻對(duì)膠結(jié)料各組分的水化具有協(xié)同促進(jìn)作用，顯著提高透水混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)粉煤灰摻量為15%～20%，鋼渣摻量為10%～15%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度較高。王培新[10]的研究結(jié)果顯示，與摻粉煤灰相比，摻礦渣的透水混凝土早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展更快，且28 d強(qiáng)度更高。這主要是由于礦渣顆粒的粒徑比粉煤灰小，早期活性更大。

2 透水混凝土的制備方法

2.1 攪拌方法

透水混凝土的攪拌方法主要分為兩種：一次投料法和二次投料法。其中，二次投料法又分為水泥裹石法和預(yù)拌砂漿法。一次投料法是將骨料、膠凝材料、水和外加劑一起加入攪拌器內(nèi)，攪拌3～5 min；水泥裹石法是根據(jù)透水混凝土特點(diǎn)設(shè)計(jì)的攪拌方法，先將全部的骨料和一部分膠凝材料和水進(jìn)行預(yù)先攪拌，隨后加入剩余的水和膠凝材料；預(yù)拌砂漿法是先將配置好的膠凝材料和細(xì)骨料均勻拌和，之后投入粗集料進(jìn)一步攪拌均勻。二次加料法由于改變了加料順序，水泥漿體在預(yù)先攪拌中可以比較均勻地包裹于骨料表面，在骨料之間起到潤(rùn)滑作用，有利于攪拌均勻。預(yù)攪拌過(guò)程中骨料表面得到了有效的潤(rùn)濕和清洗，避免了骨料表面的雜質(zhì)形成強(qiáng)度較低的黏結(jié)過(guò)渡帶，能有效提高透水混凝土的強(qiáng)度。

張朝輝等[17]對(duì)比了采用不同攪拌方法透水混凝土的透水系數(shù)及抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)相比于一次投料法，采用水泥裹石法可以使透水系數(shù)由20.1 mm/s提高到22.3 mm/s；7 d抗壓強(qiáng)度提高了26.9%，28 d抗壓強(qiáng)度提高了27.2%。孫宏友[14]的研究結(jié)果則顯示，相比于一次投料法，水泥裹石法則能使抗壓強(qiáng)度提高15%左右；一次投料法與水泥裹石法的透水系數(shù)相近，而預(yù)拌水泥漿法則會(huì)使透水系數(shù)略有降低。董建忠[18]的研究顯示，采用水泥裹石法的透水混凝土透水系數(shù)相比于一次投料法下降了2.2%，而抗壓強(qiáng)度提高了3 MPa左右。

2.2 成型工藝

成型工藝對(duì)透水混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)均有著顯著的影響。目前國(guó)內(nèi)透水混凝土路面的成型工藝主要包括攤平后用輕型碾壓機(jī)壓實(shí)和攤鋪掛平后振動(dòng)輥壓整平兩種方法[19]。實(shí)驗(yàn)室中制備透水混凝土?xí)r，主要可以采用手工插搗成型、機(jī)械振動(dòng)成型、壓制成型等方法。

吳冬等[20]比較了手工插搗成型和機(jī)械振搗成型對(duì)透水混凝土的影響，發(fā)現(xiàn)手工插搗成型的試塊上下層較均勻，但堆積相對(duì)松散；機(jī)械振搗成型的試塊堆積緊密，但漿體容易在下部沉積。徐仁崇等[21]綜合研究了振動(dòng)成型、壓力成型和插搗成型對(duì)透水混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用振動(dòng)成型方法時(shí)，隨著振動(dòng)時(shí)間的增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，透水系數(shù)逐漸降低，震動(dòng)時(shí)間宜控制為8～12 s；采用壓力成型方法時(shí)，隨著成型壓力的增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，透水系數(shù)降低，成型壓力宜控制為60～80 kN；插搗成型可以獲得較高的透水系數(shù)，但混凝土的抗壓強(qiáng)度較低。張勇等[22]研究了沖壓成型對(duì)透水混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，沖壓成型透水混凝土各齡期強(qiáng)度和透水系數(shù)均高于振動(dòng)成型透水混凝土；沖壓成型可以緩解漿體下沉現(xiàn)象，成型試塊漿體分布更加均勻。陳愛(ài)玖等[23]的研究結(jié)果顯示壓制成型中，當(dāng)成型壓力為1.0 MPa時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，之后隨著成型壓力的增大而減??；透水混凝土孔隙率隨著成型壓力的增大而減小。

2.3 養(yǎng)護(hù)方式

由于透水混凝土結(jié)構(gòu)空隙較多、孔隙率較大，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，骨料顆粒表面包裹的漿體與空氣接觸面積明顯大于普通混凝土，水分蒸發(fā)速度更快，可能導(dǎo)致失水過(guò)多，膠凝材料水化不完全，嚴(yán)重影響透水混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)。因此，相比于普通混凝土，透水混凝土對(duì)養(yǎng)護(hù)條件的要求更高。

張朝輝等[17]研究了自然養(yǎng)護(hù)和覆蓋薄膜保濕養(yǎng)護(hù)對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示：自然養(yǎng)護(hù)對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度發(fā)展非常不利，7 d和28 d強(qiáng)度均較低，水泥石表面出現(xiàn)起灰現(xiàn)象，導(dǎo)致黏結(jié)面積降低；覆蓋薄膜養(yǎng)護(hù)效果較好，相比于自然養(yǎng)護(hù)7 d和28 d強(qiáng)度分別提高了23.5%和25.4%。Kevern等[24]采用爐渣、塊狀黏土等吸水材料作為輕骨料透水混凝土的骨料，在制備前對(duì)其進(jìn)行飽水處理，吸收的水分在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的緩慢釋放會(huì)提高透水混凝土孔隙內(nèi)部濕度，達(dá)到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的效果。結(jié)果顯示：內(nèi)養(yǎng)護(hù)方法能使透水混凝土內(nèi)部水泥漿體的水化程度提高10%左右，抗壓強(qiáng)度得到明顯提高，同時(shí)減小了干縮變形。

3 透水混凝土的基本性能

3.1 工作性能

新拌混凝土的工作性一般通過(guò)流動(dòng)性、搗實(shí)性和黏聚性進(jìn)行表征。普通混凝土的工作性能可以通過(guò)塌落度法和維勃稠度法進(jìn)行測(cè)定。然而，由于透水混凝土的塌落度較小，普通方法測(cè)定的塌落度為0，屬于干硬性混凝土，因此普通測(cè)試方法不適用于透水混凝土。

浙江大學(xué)程娟[25]通過(guò)跳桌法測(cè)試混凝土漿體的流動(dòng)度，以此表示透水混凝土的流動(dòng)性。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于工作性指標(biāo)化，方法簡(jiǎn)便易行。而缺點(diǎn)在于單純以水泥凈漿的流動(dòng)度來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的流動(dòng)性，忽略了骨料之間的摩擦阻力。東南大學(xué)張賢超[11]、中南大學(xué)陳瑜等[26]借鑒了日本水泥協(xié)會(huì)的混凝土稠度評(píng)價(jià)方法，將混凝土拌和物裝入圓柱筒中，均勻地抽出圓柱筒后觀察拌和物的狀態(tài)，其分級(jí)見(jiàn)表1，其中等級(jí)A、B表示漿體稠度過(guò)大，等級(jí)D、E表示稠度過(guò)小，等級(jí)C為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

表1 新拌透水混凝土工作性評(píng)價(jià)

長(zhǎng)安大學(xué)盛燕萍等[27]通過(guò)富余漿量法對(duì)透水混凝土的工作性進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法將一定質(zhì)量的拌和物裝入2.36 mm的方篩，將方篩振動(dòng)一定時(shí)間，稱(chēng)量透過(guò)方篩的水泥漿量，得到的富余漿量與混合料質(zhì)量的比值即為富余漿量比。該方法充分考慮骨料間摩擦阻力和水泥漿的黏聚力，避免了傳統(tǒng)的依靠主觀的視覺(jué)判斷混凝土拌和物狀態(tài)，將工作性評(píng)價(jià)方法量化。

3.2 透水性能

作為透水混凝土的重要特點(diǎn)，透水性能是評(píng)價(jià)其優(yōu)劣的重要指標(biāo)。Pieralisi等[28]對(duì)透水混凝土的堆積方式進(jìn)行了數(shù)值建模，通過(guò)透水混凝土骨料粒徑、骨膠比等參數(shù)較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)其透水系數(shù)。Martin等[29]建立了透水混凝土中垂直孔分布與透水系數(shù)的關(guān)系，并得到了通過(guò)孔隙率計(jì)算透水系數(shù)的方法。徐偉等[30]研究認(rèn)為當(dāng)透水混凝土設(shè)計(jì)孔隙率小于10%時(shí)，混凝土不具備連續(xù)的孔隙，透水系數(shù)很低；當(dāng)設(shè)計(jì)孔隙率大于15%時(shí)，混凝土具有連續(xù)的孔隙和較大的透水系數(shù)。佟鈺等[31]研究了再生骨料透水混凝土的透水性能，認(rèn)為采用二次攪拌和插搗工藝能顯著提高透水性能；隨著再生骨料粒徑的增大，透水混凝土的透水能力提高，但力學(xué)性能下降，這是由于混凝土孔隙率提高，且粗骨料裂紋缺陷濃度提高造成的。

3.3 耐久性

透水混凝土中，骨料通過(guò)一層薄漿體相互連接，形成透水混凝土典型的多孔結(jié)構(gòu)基質(zhì)，這些孔相互連接形成聯(lián)通通道。因?yàn)楣橇祥g連接面積小，黏結(jié)強(qiáng)度也相應(yīng)減少，使透水混凝土在破壞性應(yīng)力下容易開(kāi)裂[32-33]。盡管透水混凝土中孔隙率較高，但在特定的使用條件、不飽和或部分飽和的狀態(tài)下，透水混凝土在寒冷氣候下仍然會(huì)發(fā)生凍融破壞。

劉星雨[34]研究了影響透水混凝土抗凍融能力的因素，發(fā)現(xiàn)配合比設(shè)計(jì)中骨料粒徑、水灰比、骨漿比、砂率等參數(shù)對(duì)透水混凝土抗凍性的影響較大，其影響程度依次降低。透水混凝土的抗凍性隨著骨料粒徑減小而提高、隨水灰比的增大而降低、隨漿體骨料質(zhì)量比的增加而提高，得出了1～2 cm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。朱峰[35]的研究結(jié)果顯示，透水混凝土的凍融破壞主要是因?yàn)槊?xì)孔內(nèi)部水的凍脹拉應(yīng)力無(wú)法釋放，導(dǎo)致了內(nèi)部微裂縫的開(kāi)展；摻入適量的聚丙烯腈纖維和塑鋼纖維能有效提高透水混凝土的力學(xué)性能和抗凍性能，其中強(qiáng)度提高了近30%，抗凍性能提高了55%。Wu等[36]指出透水混凝土的抗凍性與其強(qiáng)度有著很強(qiáng)的聯(lián)系；摻入多聚物纖維和乳膠能夠有效提高透水混凝土的抗凍性。

4 結(jié) 語(yǔ)

透水混凝土作為一種新型的生態(tài)、環(huán)保型材料，愈加受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。由于其多組分、高孔隙率的特點(diǎn)，其各項(xiàng)性能的變化規(guī)律和影響因素較為復(fù)雜。目前對(duì)于透水混凝土的研究主要集中在宏觀方面，今后應(yīng)深入研究透水混凝土微觀組成、孔隙結(jié)構(gòu)和界面微裂縫發(fā)展對(duì)其性能的影響，逐步改善其工程上的實(shí)用性，以便未來(lái)將透水混凝土更大規(guī)模的應(yīng)用于我國(guó)“海綿城市”和水利護(hù)坡等工程項(xiàng)目建設(shè)。