透水混凝土的性能研究

王賢成，翟建國，黃學進

（中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著社會發展，城市化進程加快，城市路面大多硬化，遇到強降雨時，城市內澇問題嚴重，特別是在南方多雨城市，暴雨引發的洪澇災害頻頻發生，造成巨大的生命財產損失。透水混凝土作為新型環保材料，主要由粗骨料、少量或沒有細骨料、膠凝材料、水、摻合料和外加劑按照一定比例拌制并經過一定的工藝成型而成（見圖1），具有良好的透水性，能夠滲透路面積水，補給地下水，減緩城市熱島效應。目前，我國對于透水混凝土的應用仍不夠廣泛，究其根本是對其性質研究的不徹底，導致應用時出現問題。因此，文章就透水混凝土的各項性能進行總結分析，旨在為透水混凝土的應用推廣提供依據。

圖1 透水混凝土地面

1 國內外研究進展

1.1 國外研究進展

在國外的研究中，美國和日本對透水混凝土的研究起步較早，至今已有較成熟的研究成果。美國從20世紀開始將透水混凝土大量應用于停車場段。1995年，南伊利諾伊大學Ghmoori等［1］對透水混凝土的抗凍性進行了研究；2003年，華盛頓大學Benjamin等［2］通過對停車場透水混凝土的力學性、透水性、耐久性等進行綜合評價，結果顯示各項性能均良好。2016年，德克薩斯農機大學Maria等［3］將透水混凝土的應用引入路面，并確定了新的路面設計方法。在日本，早在20世紀60年代后期，為了解決常年降雨但地下水位卻下降的問題，大量學者提出雨水返還地下的戰略，并積極推動透水混凝土的研發。1987年，日本學者申請了透水混凝土路面材料的專利，提出將有機高分子樹脂作為混凝土的膠凝材料。到21世紀，日本對透水混凝土的研究已經相對成熟，并將透水混凝土廣泛應用于路面、公園、住宅等建設中。2016年日本山口大學的Yail等［4］將粉煤灰等摻合料加入透水混凝土中，發現摻合料對透水混凝土的強度和透水性有較好的改善效果。同時，日本政府提出構建生態混凝土研究機構，號召在日本全國范圍內使用透水混凝土。德國對透水混凝土的研究起步于20世紀80年代，提出2010年之前實現全國90%以上的不透水工程全部改造為透水工程，至此開始了對透水混凝土的研究。弗萊堡的城市路面在10年時間里全部改為透水混凝土路面，地下水補給充足，路邊植物生長茂盛，該城市也被譽為生態文明城市。

1.2 國內研究進展

我國對透水混凝土的研究起步較晚，20世紀80年代才開始逐步研究。1993年，隨著《透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究》問世，北京、南京、武漢等城市開始將透水混凝土應用于城市路面建設。隨后廣州、上海等城市也將透水混凝土應用于體育館、廣場的建設中。盡管如此，我國對透水混凝土的使用還遠不及國外城市，歸根結底是對透水混凝土的抗疲勞性能、耐久性、破壞機理等方面的研究較少，導致目前對透水混凝土的應用十分局限。清華大學的楊靜等［5］研究了在細骨料透水混凝土中摻入礦物細摻料和有機增強劑，結果發現，摻合料可以有效地提高透水混凝土的強度和透水性。鄭木蓮［6］對透水混凝土的排水性能進行了研究，并分析了不同溝渠和管道設置對排水能力的影響。也有學者提出骨料粒徑級配對透水混凝土的性能有顯著的影響，發現骨料粒徑較小時，透水混凝土強度較高，但透水性較差。如今，社會的發展對環保提出了越來越高的要求，透水混凝土作為一種環保材料也必將得到更加廣泛的應用。因此，對透水混凝土的研究也有很大的進步空間，仍需我國學者不懈努力。

2 透水混凝的力學性能研究

2.1 骨料

粗骨料是透水混凝土的骨架。骨料的種類、形狀、尺寸、級配都影響著透水混凝土的強度。常用的骨料是碎石和卵石。其中，碎石由于其不規則的形態和粗糙的表面，在制備過程中可以增加骨料之間的摩擦，增強透水混凝土的穩定性。骨料的粒徑也是強度的重要影響因素，粒徑小的骨料在堆積過程中具有較大的堆積密度，使制得的透水混凝土擁有較高的強度，但也由于其密實度較高，透水性相對較差；粒徑較大的骨料比表面積較小，骨料間縫隙較大，故而透水性較好，但強度較低。因此，在制備過程中選擇級配連續的骨料能夠有較高的咬合度。

2.2 水灰比和骨灰比

水灰比和骨灰比的選擇對透水混凝土的強度起著重要的作用。當水灰比較低時，骨料密實度不足，會降低透水混凝土的強度；當水灰比較高時，流動性增強，易發生泥漿灌孔，影響透水混凝土的透水性。蔣正武等［7］對水灰比不變的條件下不同骨灰比對透水混凝土強度的影響進行了研究，結果表明，水灰比不變的情況下，骨灰比越小，透水混凝土的強度越高。王培新等［8］的研究表明水灰比和骨灰比會影響透水混凝土的孔隙率，從而對強度產生影響。

2.3 成型方式

成型方式對透水混凝土的性能有著重要影響。吳冬等［9］在對比了手工插搗和機械振搗等不同成型方式對透水混凝土性能的影響后，發現成型方式會對透水混凝土的透水性產生影響。機械振動成型的透水混凝土具有較好的密實度和較高的強度，但由于漿體容易沉積在下層造成堵孔現象，故透水性較差。手工插搗成型的透水混凝土具有較好的透水性，但由于上下層均勻松散，不夠密實，故強度相對較低。徐崇仁等［10］對插搗成型法、振動成型法、壓力成型法、振壓成型法4種成型方法進行了對比研究，結果發現，插搗成型法制得的透水混凝土強度較低。振動成型法中，透水混凝土的強度隨振動時間呈先增大后減小的變化趨勢，說明振動時間會影響混凝土的強度。同時伴隨振動作用，水泥漿體會不斷向振動面流動，導致沉漿堵孔。在壓力成型法中，透水混凝土的強度對成型壓力呈先增大后減小的趨勢。振壓成型法制得的透水混凝土強度較高。也有學者提出了免振搗成型法，即摻加5%～15%的細骨料，可以有效提高流動性，從而增強透水混凝土的強度。

3 透水混凝土的抗疲勞性研究

透水混凝土被大量應用于道路工程，在車輛荷載和溫度的作用下極易發生應力集中現象，因此，有必要研究透水混凝土的抗疲勞性能。2004年長安大學的鄭木蓮等［11］通過室內小梁彎拉疲勞試驗系統研究了透水混凝土的抗疲勞性能，得出了透水混凝土疲勞的壽命及等效疲勞壽命均服從雙參數威布爾分布，并建立了不同失效概率下兩種形式的雙對數疲勞方程，同時利用方程建立了透水混凝土分別作為水泥混凝土路面下面層以及瀝青路面基層時的疲勞應力系數和彎拉強度結構系數，用于路面結構計算。通過對透水混凝土疲勞壽命變異性影響因素的研究，提出了幾種減小透水混凝土疲勞變異性的措施。2009年，解放軍理工大學的卓義金等［12］對比了不同疲勞方程，得出結論：摻入改性劑可改善混合料的和易性，加強混凝土的疲勞韌性，可以加強界面延性并形成聚合物網格結構，能夠提高材料在荷載作用下產生裂縫時的初始荷載強度，并且增強材料的抗變形性能。

4 透水混凝土的抗凍性研究

4.1 破壞機理

離析成層理論指出，混凝土的凍害破壞主要是由于孔隙水的分層結冰，冰晶逐漸增大導致形成的冷凍薄層將混凝土剝離破壞。

靜水壓力理論認為，混凝土的凍害是由于水結成冰時產生了體積膨脹，致使未結冰的水向外流動遷移，故而形成靜水壓力，將混凝土破壞。值得注意的是，該種凍害取決于孔中的含水率，當含水率較高時，破壞會有兩種可能，分別是未結冰的水向外遷移形成靜水壓力作用于水泥砂漿發生破壞，或是結成冰的水體積膨脹超過了水泥砂漿的變形能力，導致水泥砂漿脹裂。

根據滲透壓理論，透水混凝土的凍害主要考慮水泥漿體的凍害和集料的凍害兩個方面。水泥漿體的凍害認為，水泥砂漿體系由硬化水泥漿體和大的縫隙、稍小的毛細孔和更小的凝膠孔組成。混凝土孔溶液中含有鹽類離子，如K，Na等，在溫度較低的情況下，大孔中的部分溶液先結冰，導致未凍溶液的鹽濃度上升，與其他小孔溶液形成濃度差，致使小孔中的水分子向大孔遷移，大孔中的堿性離子向小孔遷移，形成滲透。由于水分子遷移速率大于堿性離子遷移速率，故而形成滲透壓。當孔中溶液呈完全中性，膠凝孔中部分水分子處于過冷狀態，會由于其飽和蒸汽壓比同溫度下冰的飽和蒸氣壓高，而向毛細孔的冰水界面滲透，毛細孔壓力產生導致毛細孔中的冰體積進一步膨脹。集料的凍害則認為當溫度降低時，部分水結冰導致體積膨脹，未結冰的水由于空間不足而向外排除，靜水壓力產生。集料所能承受的間距具有臨界性，當集料孔隙間距超過其臨界尺寸時，靜水壓力就會超過抗拉強度，從而導致集料被破壞。

4.2 影響透水混凝土抗凍性能的因素

（1）礦渣對透水混凝土抗凍性的影響。礦渣可以加強透水混凝土的抗凍性，主要是由于其具有以下幾方面的性能：首先，礦渣顆粒具有較大的比表面積，因此吸附性較強，在集料拌合過程中可以有效吸附金屬離子，抑制堿集料的反應，增強透水混凝土的耐久性。其次，礦渣可以與水泥顆粒發生作用，形成級配密實，從而降低透水混凝土的孔隙率，使其更加密實，水泥水化物分布更加均勻，透水混凝土強度得到提升，同時提高其抗凍性。最后，礦渣可以與水泥發生二次水化反應，降低透水混凝土內部Ca（OH）2的濃度，有效提高其耐久性。

（2）硅粉對透水混凝土抗凍性的影響。由于硅粉中的SiO2可與水泥水化物發生反應生成C-S-H凝膠，一方面使得水化產物粒徑更小，另一方面生成的C-SH凝膠可以與金屬離子吸引，降低透水混凝體的pH，使其難以發生酸堿反應，進而增強耐久性；同時，硅粉粒徑較小，可以填充水泥顆粒的孔隙，增強密實度，減少毛細水產生的脹縮裂縫，增強耐久性。

（3）乳膠粉對透水混凝土抗凍性能的影響。VAE乳膠聚合物可以增加透水混凝土的抗凍性，主要是由于其在干燥條件下，會在水泥表面形成一層膜，這層膜富有一定的彈性，可以有效地將透水混凝土的骨料包裹住，使得外界的水難以通過毛細孔進入透水混凝土內部與膠凝體發生反應，降低了內部的膨脹，從而增強透水混凝土的抗凍性。

（4）粉煤灰對透水混凝土抗凍性能的影響。摻入粉煤灰可以生成粉煤灰水泥水化物C-S-H凝膠，極其細小，可以有效地填充凝膠材料的空隙，增強密實度，提高抗凍性。

5 結語

透水混凝土以其透氣、透水和重量輕的特點獲得越來越多的應用，在美國和日本等國家已有較成熟的研究成果并被廣泛應用于建設工程中。我國的研究目前仍處于起步階段，特別是對于透水混凝土性質的研究仍然比較匱乏。對混凝土的抗疲勞性以及抗凍性的研究仍需深入，以保證其更廣泛地應用于除南方多雨城市之外的區域。對透水混凝土摻合料的研究也需要進一步提高，以使其具有較高強度的同時具有較好的透水性，進而推動透水混凝土的發展及應用。