高強透水混凝土研究綜述

陳嘉民，朱琪宇，陳政宇，高翼天，周斯航，劉數華

（武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072）

技術版

高強透水混凝土研究綜述

陳嘉民，朱琪宇，陳政宇，高翼天，周斯航，劉數華

（武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072）

本文綜合國內外文獻概述了透水混凝土的發展過程及基本特點，介紹了透水混凝土的力學性能和透水機理，并結合2017年兩會的“海綿城市”概念，指出了目前透水混凝土研究和應用方面的不足，總結了未來的發展趨勢。

透水混凝土；高強度；孔隙率；海綿城市

0 引言

透水混凝土（Pervious Concrete 或 Porous Asphalt）也被稱作多孔混凝土、間斷級配混凝土、開放孔隙混凝土或過濾混凝土，是指在制備過程中，通過減少或避免使用細集料，形成具有內部連通孔隙微觀結構的一種混凝土，是一種具有高滲水功能的工程材料。

今年兩會期間，政府報告提出，推進海綿城市建設，使城市既有“面子”，又有“里子”。2012年4月，在“2012低碳城市與區域發展科技論壇”中，“海綿城市”概念首次提出；2013年12月12日，習近平總書記在《中央城鎮化工作會議》的講話中強調：“提升城市排水系統時要優先考慮把有限的雨水留下來，優先考慮更多利用自然力量排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。而《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》以及仇保興發表的《海綿城市（LID）的內涵、途徑與展望》則對“海綿城市”的概念給出了明確的定義，即城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。提升城市生態系統功能和減少城市洪澇災害的發生[1]。

本文論述了透水混凝土技術，包括其國內外研究背景、工作原理和性能等，提升強度方法，透水混凝土應用現狀和展望。

1 國內外研究背景

透水混凝土并不是當代新科技，早在大約150年前，歐洲就開始使用多孔水泥混凝土來制備預制混凝土構件并進行房屋的建造。尤其在二戰期間，因為經濟的匱乏，多孔水泥混凝土由于高經濟性而獲得了廣泛的應用。

1972年，美國通過了清潔水資源法案（Clean Water Act）[2]，法案中規定，各州和各大城市有義務保障被收集降雨的清潔程度。1995年，南伊利諾伊大學的Nader Ghafoorim[3]敘述了透水混凝土的概要，研究了其物理力學性質及狀態，以及其磨耗性及抗凍性。2003年華盛頓大學 Benjamin O.Brottebo 同 Derek B. Booth 對在1996年鋪設4個停車場所使用的透水混凝土的耐久性、透水性和力學性能進行了研究和綜合評價，4個停車場透水混凝土均沒有發生顯著的破壞，雨水的滲透性良好。

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下降[4]，在70年代末，為了解決因為地下水位下降而導致的地基下沉問題，大量學者提出了使用雨水還原于地下的政策，緩解地下水位的下降，學者們研究了透水混凝土的透水系數、孔隙率與強度之間的關系，并且在1987年申請了有關透水混凝土的專利。日本學者玉井元治[5]、同本享久等研究者又以水泥為膠凝材料做了透水混凝土的試驗研究，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，采用5～13mm 或2.5～7mm 粒級的碎石制成。2016年日本山口大學的 Yail J. Kima、Adel Gaddaf i[6]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，提高了其抗折強度。

與國外大量開展的透水混凝土鋪裝材料的研究情況相比，國內對透水混凝土材料的研究時間短，應用比較少，技術水平也偏低。近些年，許多材料科研機構開始了大量的透水混凝土研究。其中1993年中國建筑材料科學研究院進行了透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究，并得到了廣泛應用[7]。2004年，長安大學的鄭木蓮[8]開展了大量有關透水混凝土的排水研究，并分析了全寬式、設盲溝以及設集水溝和管的排水系統的排水能力。

2 透水混凝土的構成

透水混凝土是一種不含細骨料或含有少量細骨料的混凝土，它由膠凝材料、粗骨料、水和外加劑按照一定的比例拌合而成[9]。

2.1 水泥

為保證透水混凝土的強度，采用較高強度的 P·O42.5水泥。為了在保證強度的前提下保證混凝土的透水系數，不能再按普通混凝土的方法摻加粉煤灰和礦粉等摻合料。水泥用量可在保證最佳用水量的前提下適當增加，這樣能夠增加骨料周圍水泥漿膜層的稠度和厚度，或者用一定數量的超細硅灰代替水泥，起到填充水泥顆粒間孔隙，改善界面結構和粘結力的作用，二者均可有效地提高透水混凝土的強度。

2.2 石料

人工碎石和單一粒徑的孔隙率大，有利于透水，但就強度而言，人工碎石和單一粒徑的骨料皆不利于相互粘結。所以，采用卵石骨料還是碎石骨料要根據設計要求或者施工要求而定，盡量達到強度和透水的統一性。使用10～20mm 和5～10mm 的碎石，級配良好。

2.3 外加劑

可根據環境溫度、運輸距離以及現場狀況添加外加劑。在透水混凝土中，外加劑主要為減水劑，用于減少水的用量，從而可以在相同孔隙率的情況下提高透水混凝土的強度。減水劑的用量超過水泥質量的2% 后，其減水效果就不再明顯。

2.4 水

試驗時一般采用蒸餾水，若條件不便或在現場施工，普通自來水也可使用，但渾濁以及不潔的水是不允許加以利用的。

3 透水混凝土力學性能和透水機理

3.1 力學性能

透水混凝土屬于骨架空隙結構。這種結構混合料采用開級配，粗集料較多，靠彼此之間較大的內摩阻力和水泥膠漿的粘結力形成強度。細集料較少或沒有，不足以填充空隙，從而形成較大的空隙率。

組成材料對混凝土強度的影響有以下幾個方面：水泥的性質、集料的性質、水泥漿與集料之間的界面結合能力等。長期以來研究混凝土細觀力學強度理論的基本觀點，都是把水泥石性能作為主要影響因素，并建立一系列說明水泥石孔隙率或密實度與混凝土強度關系的計算公式。透水混凝土的材料組成是其強度形成的內因，這主要指組成材料的質量及其在混凝土中的數量，即多孔混凝土的強度取決于其內部起膠結作用的水泥性質、集料特性及漿集比等。

透水混凝土的強度主要取決于水泥漿的性質，而水泥漿的性質則取決于水泥性質、水泥用量和毛細空隙率。水泥用量越大，集料表面包裹的水泥漿越多，水泥漿硬化后形成的厚度越大，對應的多孔混凝土強度越大。當然，這是對水與水泥的質量比，即水灰比（W/ C）適宜的情況而言的。水灰比在一定范圍內增大會使水泥水化充分，從而提高其強度，但水灰比過大時，水泥石中的毛細空隙率會增大，水泥石的強度則會相應下降。因此，在實踐中總結抗壓強度與孔隙率的經驗關系，通過控制水灰比來得到所要求強度的透水混凝土。

長安大學的鄭木蓮、王崇濤[10]等人研究通過變化多種級配的水泥用量和水灰比，用振動法成型的透水混凝土試件，得出了抗壓強度與有效孔隙率的相關關系：

其中：fc,7——7d 抗壓強度，MPa；

ne——有效孔隙率，%；

依據《中醫耳鼻咽喉口腔科病癥診斷和療效標準》擬定療效標準，觀察1次治療后的即時療效。療效評定標準：治愈：咽痛消失，吞咽時無疼痛；好轉：咽痛減輕，吞咽時疼痛減輕；無效：咽痛同治療前，吞咽困難。結果見表2、表3。

R——相關系數。

由上述公式可知，透水混凝土的抗壓強度與孔隙率存在著良好的線性關系。這對透水混凝土的配合比設計優化和理論計算都具有重要的指導意義。

3.2 透水機理

透水功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構內部，并通過內部連通的孔隙流走，而不會在路面表面形成有害水膜和徑流，降低了動水壓力。因此，它能夠使車輛輪胎與路面保持良好的接觸，從而避免車輛在雨中高速行駛時產生水漂的現象，提高行車安全性，還能在大暴雨期間迅速地將積水匯集于地下排水系統和湖泊中，減少洪澇災害的風險。

透水性能的機理主要依靠孔隙，還有小部分通過滲流作用流走?？紫妒侵富炷量傮w積扣除固體骨架所占體積后的剩余部分，它由三部分組成，即開口孔隙、半開口孔隙以及閉口孔隙，三者之和為全孔隙。其中，開口孔隙與外界連通；閉口空隙是和其他空隙不連通的、孤立的那部分空隙；半開口孔隙，也稱為死端孔隙，它有一端與其他孔隙連通，另一端封閉。從排水角度分，孔隙又分為有效孔隙和無效孔隙。有效孔隙是指能通過水、排出水的孔隙。從水流運動的角度講，只有相互連通、不為結合水所占據的孔隙才是有效的。半開口孔隙中的水是相對停滯的，從水運動的角度來說是無效的，但其中的水在疏干時能排出，對于排水來說是有效的。因此，有效孔隙應由開口孔隙和半開口孔隙兩部分組成，閉口孔隙是無效孔隙。

現階段國內已經有關于骨料粒徑、不同種類硅酸鹽水泥、外加劑、成型方法對孔隙率和滲透系數的影響的研究，但對透水混凝土路面鋪設一段時間后孔隙堵塞的問題卻還未提出行之有效的方法，這是延長透水混凝土壽命的一個關鍵問題。

4 透水混凝土配合比設計

4.1 透水混凝土配合比參數及確定方法

和普通混凝土配合比計算方法不同，透水混凝土配比時不添加細骨料（砂），而且減水劑、硅灰是必不可少的摻用成分。于是將水灰比、單位用水量、硅灰與水泥之比、減水劑與水泥之比定為透水混凝土配合比的四個參數。

在其他條件不變的情況下，水灰比的大小直接影響透水混凝土的強度及透水系數。就滿足強度要求的水灰比，可參照普通混凝土水灰比關系曲線或經驗公式求得；就滿足透水性要求的水灰比，透水系數隨著水灰比的減小而增大，可通過強度與孔隙率之比確定，而后再進行試驗進行校核。水灰比越小，透水混凝土強度越高，粗骨料不能被完全包裹，透水系數變高，但流動性會變差，會給施工帶來困難。

4.1.2 單位用水量

單位用水量是控制混凝土拌合物流動性的主要因素。確定混凝土單位用水量的原則以滿足混凝土拌合物的流動性要求為準。影響混凝土單位用水量的因素很多，如骨料的品質及級配、骨料最大粒徑、水泥需水性及使用外加劑情況等。確定方法是根據總結實際資料得出單位用水量經驗值。

4.1.3 硅灰與水泥之比

硅灰的活性很高，當與高效減水劑配合摻入混凝土時，可顯著提高混凝土強度。硅灰的需水量為130%～150%，一般摻量為水泥質量的5%～15%，具體摻量依實際情況而定。

4.1.4 減水劑與水泥之比

高效減水劑減水率很高，可提高混凝土28d 抗壓強度30%～60%。摻量高于3% 時，減水效果就不明顯了。確定方法根據強度要求確定。

4.2 透水混凝土配合比設計步驟

（1）初步配合比的計算。

1）初步確定水灰比。根據高效減水劑，硅灰和強度經驗公式，初步確定水灰比。

2）初步估計單位用水量，根據流動性要求，同時考慮減水劑的減水用量。

3）根據經濟效益和經驗確定硅灰與水泥之比。

4）初步估計減水劑的使用量。

5）根據孔隙率用絕對體積法，或假定表觀密度法確定1m3混凝土骨料用量。

（2）試拌調整得出基準配合比。

按初步配合比拌制的混凝土不一定滿足透水性要求，這是因為配合比的各項參數是借助于經驗公式、圖表等選定的，不一定符合實際。因此需要進行試拌，對單位用水量和減水劑用量進行調整。

（3）檢驗強度、耐久性及透水系數，確定混凝土實驗室配合比。

5 小結與展望

近年來隨著我國經濟的快速發展，城市生態問題日益突出，不透水路面帶來的負面影響諸如雨水不能滲入地下導致地表植物缺水難以存活，“熱島效應”，暴雨后城市內澇等。雖然透水混凝土還沒能在全國大面積推廣使用，但目前國內透水混凝土應用正一步步邁入正軌，在奧林匹克森林公園，“鳥巢”體育館的湖邊西路等都已經有了大面積的透水混凝土的成功應用[11]，隨著兩會“海綿城市”概念的提出，國家相關政策和法規也會在未來陸續頒布，我們有理由相信，再進一步優化骨料，調整配比，這種生態環保型地面材料將會在“海綿城市”中大有可為。

[1] 吳丹杰，詹圣澤，李友華，等．中國特色海綿城市的新興趨勢與實踐研究[J]．中國軟科學，2016,1,28：82-83．

[2] U.S. EPA, Summary of the Clean Water Act [S].1972.

[3] Ghafoori.Nader,Dutta.Shivaji.Development of no-f i nes concrete pavement applications[J].Journal of Transportation Engineering,1995,121(3)：283-288.

[4] 張賢超，尹健，池漪．透水混凝土性能研究綜述[J].混凝土，2010,12(27)：47-48．

[5] 玉井元治．コニクリ蔟トの高性能[J]．高械能化（透水性コニクリ蔟ト）コニクリ蔟卜工學，32(7)：133-138．

[6] Yail J. Kim,AdelGaddaf i,Permeable concrete mixed with various admixtures,Materials and Design [J].2016(100)：110-119.

[7] 王武祥．透水性混凝土路面磚的種類和性能[J]．建筑砌塊與砌塊建筑，2003(1)：17-19．

[8] 鄭木蓮，陳拴發，王崇濤．多孔混凝土的強度特性[J]．長安大學學報，2006(4)：20-25．

[9] 方坤河，何真．建筑材料[M]．武漢：中國水利水電出版社，2015．

[10] 鄭木蓮，王崇濤，王秉綱．路用多孔混凝土排水性能[J]．長安大學學報，2007：9-10．

[11] 董徐奮．透水混凝土在道路工程中的應用研究[J]．四川建材，2009,12：15-16．

［通訊地址］湖北省武漢市武昌區東湖南路8號 武漢大學水利水電學院（430072）

Review on high strength previous concrete

Chen Jiamin, Zhu Qiyu, Chen Zhengyu, Gao Yitian, Zhou Sihang, Liu Shuhua
(School of Water Resources and Hydropower, Wuhan University, Wuhan 430072)

This paper synthesizes domestic and foreign literatures. It summarizes the development and the basic characteristics of porous concrete. This paper introduces mechanical properties and water permeation mechanism. Combining the concept of the "sponge city" during the two sessions in2017, the paper points out the def i ciencies of the current researches and the applications of the permeable concrete and also summarizes the trend of the concrete development in the future.

pervious concrete; high strength; porosity; sponge city

陳嘉民（1997—），男，武漢大學水利水電學院，本科生，水利工程專業。

劉數華（1978—），男，教授，從事建筑材料的教學和科研工作。