提高透水混凝土強(qiáng)度的技術(shù)途徑探究★

何俊皓 蔣元海 陳 海 王 璠 衛(wèi)健泉

(嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，國家道路網(wǎng)逐漸形成、增多；同時(shí)地下水的使用量隨城市快速的發(fā)展越來越大，地表下沉也隨之增大。此外，由于普通混凝土的透水性差、孔隙率小等原因，地下水資源無法得到補(bǔ)充、雨天路面會(huì)發(fā)生水澇，生態(tài)平衡被打破。故水資源的重復(fù)利用性差，是現(xiàn)在我國面臨的一大嚴(yán)峻問題。其中海綿城市的建設(shè)便是我國現(xiàn)階段提出的一種解決方法，而透水混凝土是海綿城市建設(shè)中舉足輕重的一部分。

透水混凝土是一種新型、具有多孔結(jié)構(gòu)的功能性材料。它具有高孔隙率和高透水性等特點(diǎn)，能有效地緩解城市道路水澇災(zāi)害，同時(shí)透水混凝土還能吸收噪聲，緩和城市熱島效應(yīng)，是建設(shè)海綿城市的重要組成成分之一。與普通混凝土相比，透水混凝土能夠迅速使雨水滲入地下，達(dá)到蓄水與補(bǔ)充地下水資源的目的；透水混凝土的滲水與吸水作用，減少了雨天路滑給行人和車輛帶來的不便；透水混凝土在冬天能有效地利用地?zé)釋⒈诨B入地下水系統(tǒng)，緩解道路結(jié)冰的現(xiàn)象[1，2](見圖1，圖2)。

1 研究背景

150年前左右，西方有學(xué)者對(duì)透水混凝土進(jìn)行了探索性研究。時(shí)到今日，歐洲等地區(qū)已經(jīng)將透水混凝土廣泛應(yīng)用于土木工程。在法國，60%的網(wǎng)球場已使用透水混凝土路面，同時(shí)透水混凝土也廣泛應(yīng)用于護(hù)坡綠化帶，改善河道兩岸的生態(tài)環(huán)境。

1979年，美國佛羅里達(dá)州獲得一項(xiàng)粘結(jié)添加劑專利，并其應(yīng)用于透水混凝土道路的鋪裝試驗(yàn)中，結(jié)果表明透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均得到改善，與普通混凝土相差無幾。

1993年，日本建設(shè)局在和毆山地區(qū)進(jìn)行了透水路面的施工安裝。并在竣工通車后的3個(gè)月對(duì)路面的透水性及抗壓強(qiáng)度等物理性能進(jìn)行了研究與綜合評(píng)價(jià)。這種路面具有良好的透水性，無明顯的破壞現(xiàn)象[3]。

與國外相比，國內(nèi)對(duì)透水混凝土的研究時(shí)間短，應(yīng)用范圍小，技術(shù)水平低。近幾年，國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)透水混凝土有不少的研究，在翟紅俠等對(duì)路面透水混凝土性能研究中，研究了骨料，膠凝材料等對(duì)透水混凝土的影響，試驗(yàn)表明骨料級(jí)配和水泥用量是影響力學(xué)性能的主要因素[4]。通過查閱國內(nèi)許多學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)，他們制備的透水混凝土強(qiáng)度都低于我國城市透水磚的規(guī)范要求(30 MPa)，無法滿足工程的質(zhì)量需求，這在很大程度上阻礙了我國透水混凝土的應(yīng)用發(fā)展。如何提高透水混凝土的強(qiáng)度是我國一個(gè)刻不容緩的問題，本文將從以下幾方面簡要敘述提高透水混凝土強(qiáng)度的途徑。

2 原材料方面

透水混凝土是一種含少量或不含細(xì)骨料的骨架空隙結(jié)構(gòu)混凝土，是由膠凝材料、粗骨料、水和外加劑按一定配合比拌合而成的路面材料。

2.1 水泥

水泥作為透水混凝土的主要粘結(jié)材料，它能改善內(nèi)部界面結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)力作用，有效地提高抗壓強(qiáng)度。但水泥的用量過多會(huì)降低透水混凝土透水率，并容易造成開裂。同時(shí)水泥用量還受集料粒徑的影響，當(dāng)集料比表面積過大，水泥用量宜適量增加。為保證透水混凝土強(qiáng)度要求，同時(shí)綜合其他學(xué)者研究，使用P.O42.5普通水泥最為合適，基本性能見表1。

表1 水泥基本性能

2.2 粗骨料方面

粗骨料直接決定著透水混凝土骨料之間的咬合點(diǎn)數(shù)量與界面作用的大小。當(dāng)粗骨料粒徑大時(shí)，水泥的用量就會(huì)減少，咬合點(diǎn)少，作用面薄弱，抗壓強(qiáng)度低；粒徑小，水泥用量小，抗壓強(qiáng)度增加，但透水率達(dá)不到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

劉明樂研究粗、中、細(xì)三種骨料粒徑對(duì)透水混凝土強(qiáng)度影響，分別以粗、中、細(xì)骨料為結(jié)構(gòu)主體探究其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，得出在單一粒徑下，選用粒徑為4.75 mm～9.5 mm的骨料時(shí)，骨料的堆積效果最好；中骨料為主體時(shí)，摻入細(xì)骨料10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大[5]。

劉世濤研究了粗骨料的壓碎指標(biāo)與含泥量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，得到結(jié)果如下：

1)粗骨料的含泥量與透水混凝土的強(qiáng)度成反比。

2)粗骨料的壓碎值對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度影響很大，采用低壓碎值的粗骨料可以大幅度提高強(qiáng)度[6]。

東北林業(yè)大學(xué)的李秋實(shí)與何東坡通過利用再生集料代替不同比例天然集料的研究得出再生集料的摻入使透水混凝土的孔隙率增加，抗壓強(qiáng)度降低，但是在使用丙烯酸聚合物改性劑后，透水混凝土的強(qiáng)度得到明顯提高[7]。

2.3 摻合料方面

摻合料是一種在混凝土拌合時(shí)摻入天然的或人工的能改善混凝土性能的粉狀礦物質(zhì)。其中最常見的有粉煤灰、火山灰類物質(zhì)、硅灰等種類。通過添加摻合料，可以增加骨料之間的內(nèi)摩擦力，相對(duì)的，透水混凝土的孔隙率減小，影響透水性，因此在添加摻合料時(shí)，需控制好摻入量。現(xiàn)階段國內(nèi)對(duì)摻合料的研究已經(jīng)有一定成果，在王艷艷對(duì)不同摻合料的研究中可知，僅使用粉煤灰摻合料為15%的摻入量時(shí)，透水混凝土的強(qiáng)度達(dá)到最大，但相對(duì)的降低了透水率[8]。

程娟通過摻入不同比例的礦粉，研究其對(duì)透水混凝土透水性和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明摻入礦粉后的透水混凝土強(qiáng)度比不摻時(shí)低，礦粉的摻入比為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，摻入比為20%時(shí)，透水系數(shù)最大[9]。

同濟(jì)大學(xué)蔣正武博士研究了硅灰與聚合物乳液對(duì)透水混凝土強(qiáng)度影響的相關(guān)問題，表明了硅灰摻入后，透水混凝土的強(qiáng)度和透水率略有降低，但與減水劑一起使用時(shí)，既保證了透水率，也很大程度上提高了抗壓強(qiáng)度。聚合物乳液的摻量為2%時(shí)，可以最有效的提高透水混凝土的強(qiáng)度[10]。

李子成研究改變礦物質(zhì)超細(xì)粉摻量(2%,4%,6%,8%)和聚合物摻量(4%,8%,12%,16%)對(duì)透水混凝土界面的增強(qiáng)效應(yīng)影響，控制粉煤灰和硅灰摻量分別為16%和8%不變。結(jié)果表明，適量的摻入礦物質(zhì)超細(xì)粉和聚合物可以有效提高透水混凝土強(qiáng)度。為了保證透水率要求，聚合物的摻量適宜為8%～12%[11]。

2.4 外加劑方面

為了改善混凝土工作的性能，可根據(jù)實(shí)際需求添加外加劑。在透水混凝土的研究中，減水劑是使用最多的一種外加劑，使用少量的減水劑就可以有效提高透水混凝土的強(qiáng)度。通過減水劑，可以保證孔隙率不變的情況下，在成型過程中減小失水過快，從而提高混凝土的強(qiáng)度，增強(qiáng)骨料之間的界面作用，減少混凝土內(nèi)部對(duì)已有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞[4]。其中奈系減水劑是我國現(xiàn)階段使用最廣的一種高效減水劑，它適應(yīng)性好，經(jīng)濟(jì)性高，能降低透水混凝土的制作成本，提高混凝土壽命，有利于透水混凝土的施工。

2.5 纖維方面

纖維的使用是現(xiàn)在提高混凝土強(qiáng)度的一種有效的新型方式，在透水混凝土中加入纖維可以直接增加混凝土的韌性，提高混凝土的抗拉抗裂能力。但摻入纖維會(huì)一定程度降低透水混凝土孔隙率，從而使透水性下降。此外，纖維的種類許多，每種纖維的特點(diǎn)不同，制備透水混凝土?xí)r，需根據(jù)實(shí)際情況適量使用。王艷艷研究不同玄武巖纖維摻量對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，少量使用玄武巖纖維可以提高透水混凝土強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)透水率無明顯影響[8]。

王婷通過不同體積剛性聚合纖維摻量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的研究中發(fā)現(xiàn)，透水混凝土的強(qiáng)度、透水性與質(zhì)量都得到一定的改善；當(dāng)纖維摻入量超過1%后，摻入量與抗壓強(qiáng)度成反比[12]。

秦子鵬研究不同纖維素纖維摻量對(duì)透水混凝土性能的影響，通過兩組不同的纖維摻量(0%，1%)的數(shù)據(jù)對(duì)比，在不影響透水性的情況下，得出纖維素纖維對(duì)透水混凝土的抗拉、抗折強(qiáng)度有明顯的改善作用，但對(duì)透水混凝土的總體抗壓強(qiáng)度無明顯作用[13]。

3 水膠比方面

水膠比是透水混凝土配合比設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的參數(shù)，它的大小直接影響著透水混凝土的透水性與膠結(jié)性。在強(qiáng)度滿足要求的情況下，水膠比與透水性成反比；同時(shí)在保證透水性滿足要求時(shí)，水膠比越小，強(qiáng)度越高。但當(dāng)水膠比過小時(shí)，透水混凝土的流動(dòng)性降低，會(huì)對(duì)施工造成困難，此時(shí)如果摻入高效減水劑，可以有效提高透水混凝土的流動(dòng)性。蔣佑松通過不同水膠比對(duì)透水混凝土強(qiáng)度影響的研究發(fā)現(xiàn)，高效減水劑摻入量不變時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大先增后減；當(dāng)水膠比為0.3時(shí)，透水混凝土的透水性與強(qiáng)度都得到較好的均衡，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大[14]。

4 結(jié)語

在高速發(fā)展的時(shí)代步伐中，透水混凝土的出現(xiàn)為世界可持續(xù)發(fā)展提供了一個(gè)有效的途徑，改善了全球的生態(tài)環(huán)境。雖然在我國這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用還存在很大的缺陷，透水混凝土制備技術(shù)較低，但我們對(duì)透水混凝土的研究已經(jīng)逐漸開始發(fā)展。在透水混凝土的制備時(shí)我們應(yīng)盡量使用中、細(xì)級(jí)配的粗骨料或使用外加劑與摻合料的組合，例如文獻(xiàn)中同時(shí)使用減水劑與硅灰等。在今后的研究中我們可以探究不同摻合料的配合比或者不同類型的水泥對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響；同時(shí)探究粗骨料使用多樣化，復(fù)合外加劑與摻合料并用多樣化等。在這些方面，應(yīng)結(jié)合透水混凝土的物理性能進(jìn)一步開展相關(guān)的研究。在國家大力的推動(dòng)之下，透水混凝土未來前景十分可觀，透水混凝土在制備技術(shù)，應(yīng)用設(shè)計(jì)等實(shí)用性方面，都是我們未來需要不斷探索的方向。