第１１期（总第１６３期） 巍楚建蜥 透水混凝土研究综述 张雪丽。郑莲琼。周继忠，林奇 （福建工程学院土木工程学院，福建福州３５０１０８） 综合论述■ 摘要本文回顾了透水混凝土在国内外的发展历程，总结了透水混凝土的研究及应用现状，重点介绍了透水 混凝土的研究现状，包括性能研究、配合比设计、试验方法和施工工艺，并在此基础上对透水混凝土需要开展的进一 步研究工作进行探讨。 关键词透水混凝土；性能研究；配合比；试验方法；施工工艺 ０引言 透水混凝土是由胶凝材料、粗骨料、微量或无细骨料、 水、￣＇ｌ，ＪＪｕ剂和掺合料按照一定比例拌制而成的一种多孔混凝 土。当胶凝材料为水泥时称为水泥透水混凝土，通常简称为 透水混凝土。这种混凝土由于无细骨料或细骨料较少，在硬 混凝土（Ｎｏ—ｆｉｎｅｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ：ＮＦＣ），即透水混凝土。透水混凝土 在美国从上世纪七八十年代开始研究和应用，美国环境保护 署大力向北美地区推广使用这一技术，特别是暴雨频发的地 方，普及率大于６０％。德国从上世纪８Ｏ年代起就致力于不透 水路面的改造，其目标是到２０１０年，把全国城市９０％的路面 改造为透水路面。在法国透水性混凝土大量用于网球场，法 国６０％的网球场是用透水性混凝土修建的。日本是岛国，特 别重视水资源和生态环境问题。在２０世纪８０年代初就在全 化后的混凝土体中存在较大的孔隙率，具有良好的渗透性 能，能缓解城市的“热岛效应”、吸声降噪、改善城市热环境， 能有效解决普通混凝土所带来的一系列生态问题。 目前，透水混凝土已应用于一些工程实践【１－５］，同时，国内 外也对其工作性能、力学性能等开展了一系列的研究工作 ５１。 本文将对透水混凝土的应用和研究现状进行总结，在此基础 上对这种新型生态混凝土需要开展的进一步研究工作进行探 讨。 国推行了“雨水渗透计划”，从理论到实践，日本都广泛采用 透水工程材料。从２００１年至今，凡是新的市政建设项目和改 造翻修各种车用道路（包括高速公路）、步行道、建筑物广场、 体育场地、公园和公共绿地等项目，全都采用透水工程材料。 甚至规定居民庭院排水必须先经过自家院内透水地坪处理 方可允许向室外排放。 １透水混凝土的应用概述 透水混凝土从上世纪７０年代开始大规模的研究至今， 已经有几十年的发展与应用历史，国内外学者对于透水混凝 土的物理力学性能和生态功能有了一定的了解，在配合比设 计、拌制工艺、成型工艺和施工工艺等方面已经取得了一系 列的试验与理论研究成果，并逐步开始进入实用化阶段，为 透水混凝土的研究和应用奠定了一定的试验、理论和实践基 础。 透水混凝土在我国的研究和应用起步较晚，９０年代初建 科院开始对透水混凝土与透水性混凝土路面砖进行研究，随 后，透水混凝土与透水混凝土路面砖的研究在我国相继开 展。随着研究工作的深入及取得的一系列成果，于２００８年、 ２００９年分别颁布了《透水砖路面（地面）设计与施工技术规 程》（ＤＢＪ １３１０４—２００８）和《透水水泥混凝土路面技术规程》 （ＣＪＪＴ １３５—２００９），这意味着我国在此方面的研究进入了一 个崭新的阶段。随着实验研究的深入，透水混凝土也开始在 实际工程中应用。２００５年，为了能够增加渗入地表的雨水，缓 透水混凝土的主要功能有护坡、植生、降温、降噪、改变光 环境及出行环境、保护水资源、水质净化及美化环境等。由于 透水混凝土强度相对较低，主要应用于强度要求不太高，而透 水效果要求较高的场合，例如人行道、步行街、轻量级道路、公 园内道路、大型广场、停车场、地下建筑工程以及各种新型体 解城市地下水位急剧下降等一些城市环境问题，北京市南北 长街道路工程使用了无砂透水混凝土【ｌ】。配合比为单方水泥 用量、碎石用量分别为３００ｋｇ和１４００ｋｇ，石子粒径１０～ 育场地。同时，透水混凝土有利于植物生长，也可用于构筑堤 坝、护岸及高速公路的路肩和隔板等起到护坡作用（１６－￣。 透水混凝土的应用始于１８５２年，英国在建造二栋房子 的时候，在很难取得细骨料的情况下，开发了不含细骨料的 ２０ｍｍ，添加一定比例的粉体粘结剂和防冻剂，由混凝土搅拌 站集中搅拌。经检验２８ｄ强度达到１５．３ＭＰａ，透水系数为 １．９ｃｍ／ｓ。２００８年，透水混凝土在奥林匹克森林公园得到了较 大面积的成功应用，经检测，达到了Ｃ２５混凝土设计强度等 ・１３・ ■综合论述 翘 ２０１４生 级的较高强度，透水系数达到３．９ｍｍ／ｓ，孔隙率达到２４％，抗 冻融大于５０Ｅ２Ｊ。２００９年，透水混凝土在上海世博会园区应用 于透水人行道试验段，其配合比为石灰岩：水泥：减水剂： 水＝５：１：０．７５：０．２５，２８ｄ抗压强度大于２２ＭＰａ，有效空隙 率大于１８％［３１。 ２透水混凝土的研究现状 ２．１透水混凝土性能的研究 透水混凝土的性能指标主要有空隙率、渗透系数和抗压 强度。空隙率分为封闭空隙率、半封闭空隙率和贯通空隙率， 其中贯通空隙率决定透水混凝土渗透系数的大小。半封闭空 隙和贯通空隙率合起来称为有效空隙率，这是因为半封闭空 隙率在使用过程中虽然不能透水，但能起到蓄水的功能。渗 透系数与空隙率存在相关性，一般设计时根据预定的渗透系 数，确定相应的空隙率。有研究表明１９］，透水混凝土的渗透系 数随着空隙率的增大而增大，利用二次函数进行拟合，得到 透水系数与空隙率的相关公式为： ２８ｄ＝０．１３８Ｐｍ￣４，Ｒ＝０．９２１９。 （１） 上式中ｋ捌代表２８ｄ渗透系数；Ｐ代表有效空隙率。该文 献还指出透水混凝土７ｄ与２８ｄ的透水系数十分接近，２８ｄ 透水系数稍低于７ｄ透水系数。长安大学郑木莲等人【２１１的研究 结果表明，渗透系数与空隙率之间存在幂指数关系，渗透系 数随空隙率的增大而增大，相关公式为： Ｋ＝Ｉ．０×１０－７／１｝ｅ５＂ ，Ｒ＝０．９５４６ （２） 该文献同时指出，透水混凝土７ｄ抗压强度与空隙率之间 存在线性相关性，随着空隙率的增大抗压强度逐渐降低，且抗 压强度与总空隙率的相关性优于有效空隙率。相关公式为： ＝Ｏ．３８０６ｎｃ＋１７．０５８，Ｒ＝０．８６３１ （３） ．７＝０．７５４５ｎｏ＋３０．８７３，Ｒ＝０．８９２８ （４） 在以上三式中：卜渗透系数；ｎ－有效空隙率； ｎ 一总空隙率；Ｒ——相关系数；７：广透水混凝土７ｄ 抗压强度。 几乎与此同时，相关研究表明ｐ ２１：影响透水混凝土的空 隙率、透水系数与抗压强度等性能的因素主要有骨料粒径与 级配、骨灰比、水灰比、水泥强度等级、外加剂及搅拌工艺等。 同济大学蒋正武等人的研究结果ｍ表明：影响透水混凝土空 隙率、透水系数与抗压强度的关键因素是骨料粒径与级配、 骨灰比。在相同水灰比的情况下，随着骨灰比的减少、水泥用 量的增大，试件的抗压强度有一定幅度的增大，而其透水系 数有较大幅度的降低；水灰比对透水混凝土的性能影响较 小，减水剂、硅灰及聚合物乳液等外加剂可改善多孔透水混 凝土的性能。陕西理工学院薛丽皎等人对骨料对透水混凝土 性能的影响进行了进一步研究 ，骨料粒径采用２．３６～９．５ｍｍ、 ４．７５—９．５ｍｍ、９．５—１６ｍｍ、１３～２４ｍｍ４种，结果表明：在骨料粒 径相同的情况下，由碎石骨料配置的透水混凝土强度变化幅 度比使用卵石配置的混凝土强度的变化幅度明显，且其空隙 ・１４・ 率和透水系数明显大于由卵石骨料配置的透水混凝土；两种 骨料配置的透水混凝土的孔隙率、透水系数随着骨料粒径的 增大均有所增大，在同一配合比情况下，透水混凝土的强度 随着骨料粒径的增大呈非线性变化，且存在最佳粒径尺寸。 西北农林科技大学杜应吉教授㈦采用正交试验方法【Ｌ。（３ ）】， 以２８ ｄ抗压强度和透水系数为性能指标，分析研究了水灰 比、骨灰比、骨料粒径及其３个不同的水平对透水混凝土性 能的影响，并通过回归分析和极差方差分析得出骨料粒径和 骨灰比对透水混凝土性能的影响较为显著，水灰比影响较小 的结论。 在透水混凝土配合比设计时掺入适量的砂子，可以在满 足透水系数的要求下获得较高的强度。为了取得较高的抗压 强度，同时满足渗透系数的要求，相关文献［１３２２－２３］研究了砂率 对透水混凝土抗压强度和渗透系数的影响，结果一致表明： 在满足渗透系数的情况下，透水混凝土配合比中加入适量砂 可以提高其抗压强度，且存在最佳掺量。 除了上述影响因素外，透水混凝土的性能还受搅拌工 艺、成型方式、养护方法等的影响。由于透水混凝土胶结材料 用量较少，拌制成型后坍落度几乎为零，属于干硬性混凝土， 故一般采用强制式搅拌机进行搅拌。另外为了避免水泥浆聚 集到底部，堵塞混凝土底部空隙，影响透水能力，成型方式也 成为影响透水混凝土渗透系数的关键因素。在日本，有研究 者采用从上面振动成型的方法得出冲击能量与混凝土密实 度和抗压强度的关系，具有较大的参考价值 。９０年代以来， 国内学者对不同的成型方式进行了较为系统的研究。张巨松 等人 噪用分层夯击成型的密实方式研究了锤击次数对混凝 土强度及体密度的影响规律，结果表明：透水混凝土的强度 及体密度随着锤击次数的增加逐渐增大，但当锤击次数到达 一定程度后，强度及体密度基本趋于稳定。吴冬等人１２２］通过研 究手工插捣和机械振捣成型的试块后指出：手工插捣成型的 试块较机械振捣成型的试块均匀性好，但密实度相对较差； 机械振捣成型的试块堆积紧密，但浆体容易在下部沉积。用 手工插捣和机械振捣相结合的方式能使渗透系数和抗压强 度均达到理想的效果。徐仁崇等人【 嗵过对比插捣、静压、振 动、振压成型方式对透水混凝土抗压强度和渗透系数的影 响，指出压力成型和振压成型是试验室试块成型的理想方 法，为了使透水混凝土达到较高的强度和较好的透水性，静 压成型的试件，静压压力宜控制在６０ ８０ｋＮ；振动成型的试 件，振动时间宜控制在８～１２ｓ。 ２．２配合比设计 目前，透水混凝土配合比设计大都采用填充理论及体积 法计算。《透水水泥混凝土路面技术规程》规定，单位体积粗 集料用量用公式Ｗｃ，＝ｏｔｐ 计算，其中ｗ。、ｐ。分别为单位体积 粗集料的用量（质量）和紧密堆积密度， 为用量修正系数，取 ０．９８。胶结浆体体积用下式计算： 第１１期（总第１６３期） 勰楚建 综合论述■ ＝１一￣（１－ｙｃ）－１Ｒ （５） 单方水泥用量（质量）为： 、ｃ＝¨ｎ ｐｃ （６） Ｍ十ｌ 式中， Ｒｗ／ｃ￣ｃ分别为粗集料紧密堆积空隙率、 设计空隙率、水灰比和水泥密度。其理论的实质就是认为单 方透水混凝土的外观体积是由石子的紧密堆积密度和紧密 堆积空隙组成，而水泥浆体所起的作用是填充石子紧密堆积 后的空隙，最后剩余的空隙就是设计空隙。由石子紧密堆积 密度和设计孔隙率算出浆体体积后利用水灰比和水泥密度 计算水泥用量，最后再计算用水量和掺合料、外加剂用量。此 设计方法的参数是设计孔隙率和水灰比，没有考虑石子粒径 和级配，以及水泥用量的影响。另外由于上述配合比设计时 没有掺加细骨料，故配置出的透水混凝土强度普遍较低，只 能适用于轻量级的道路。在保证渗透性能的同时如何在配合 比中掺入适量的细骨料以提高透水混凝土强度成为亟待解 决的问题。徐仁崇等人［１引引入体积砂率这一参数，在配合比设 计时把砂的体积考虑进去，其理论是按ｃＪＪＴ １ ３５的规定初 步计算出水泥用量和用水量之后，根据粗集料的级配选择合 适的砂率，砂的体积部分替换掉水泥的体积。但文献中只给 出了两种不同粒径石子对透水混凝土渗透系数和强度的影 响，具体砂率如何选择，由于实验数据较少尚不明确。如何确 定合理砂率，使透水混凝土在保证渗透系数的同时提高其强 度，这方面的研究有待于进一步开展。 ２．３试验方法 目前透水混凝土渗透系数的测试方法主要有变水头法 和固定水头法。固定水头法既保持固定的水压不变，通过一 定时间内透过试件的水量来计算出渗透系数；变水头法水头 随着时间的变化而减小。其理论基础都是基于Ｄａｒｃｙ定律。即 ｑ＝ＫＡ 。一ｈｚ）／Ｌ，其中Ｋ为渗透系数， ＝ 。一ｈ２）／Ｌ为水力坡度。 在定水头测渗透系数时ｉ不变，而在变水头测试时ｉ随时间 逐渐减小。变水头法主要适用于渗透系数较小材料的渗透性 测试，对于透水混凝土来讲，由于渗透系数较大，定水头法测 试较为合适。而对实际路面透水性的检测由于方便起见常采 用变水头法。 日本混凝土工学协会测定透水性路面大孔混凝土的渗 透性是参考日本ＪＩＳ Ａ １２１８Ｔ规定的土样透水性试验方法， 采用固定水头法。美国采用ＡＳＴＭ常水头渗透仪。国内ＤＢＪ １３１０４透水砖的标准中要求测量透水砖的透水系数时采用定 水头法，在透水混凝土路面技术规程ＣＪＪＴ １３５中，透水系数 的测定也采用定水头法，其试验装置如图１所示： ２．４施工工艺研究 现有的透水混凝土在施工工艺方面多采用振动碾压法， 即透水性混凝土拌和物运输到铺设现场人工摊铺后，用平板 振动器轻振铺平后的透水性混凝土混合料，振捣以后，进一 １一供水系统；２一圆筒溢流ｔ３；３～水圆筒；４－溢流水槽； ５一水槽的溢流口；６一支架；７一试样；８一量筒；９一水位差 图１ ＣｄＪＴ １ ３５透水系数试验装置示意图 步采用实心钢管或轻型压路机压实压平。采用上述人工摊铺 和小型压路机碾压的施工工艺，表面平整度等参数指标往往 不易达到。笔者ｉ２５１在工程实践基础上提出一种适合于水泥透 水混凝土成型的施工方法，此方法适用于轻量级道路、大型 广场、停车场以及各种新型体育场地等大面积开放空间上。 其基本原理是：利用沥青混凝土摊铺机将搅拌好的透水混凝 土以一定的宽度和厚度按工程规定的要求均匀地摊铺在已 修好的场地上，在摊铺透水混凝土的过程中，开启沥青混凝 土摊铺机熨平板的夯锤机构和振动机构，在熨平板的夯锤夯 压、熨平板自重及振动机构的击振力作用下完成摊铺成型， 这种施工现场施工工艺能达到透水混凝土场地所需要的强 度、空隙率和渗透系数，但采用沥青混凝土摊铺机摊铺透水 混凝土对基层强度、摊铺机熨平板的工作面要求较高。 ３透水混凝土研究前景展望 虽然目前对透水｝昆凝土已经开展了上述研究工作并取 得了相关成果，但应用范围仍然较窄，产品较单一，有待进一 步开发新的透水混凝土产品。笔者认为以下几个方面的研究 工作可以进一步开展： ｆ１）高强、耐久性能研究。由于水混凝土强度较低，到Ｅｌ前 为止仍然主要应用在强度要求不太高，而具有较高的透水效 果要求的场合，且其渗透性和抗压强度存在着此起彼落的矛 盾，如何在配合比中掺入一定量的细骨料和外加剂，使透水 混凝土在保证渗透性能的同时取得较高的强度等级有待于 进一步研究。同时如何改善透水混凝土的收缩性能以减少收 缩裂缝的产生，提高其抗冻融能力等方面的研究文献仍然较 少。英国于１９７０年曾用２８ｄ强度为１３．８ＭＰａ的无砂透水混 凝土浇注成由５ｃｍ厚的面层与２５ｃｍ厚的基层构成的长 １８３ｍ路面，该路面早期使用效果很好，但１０年后却由于冻 融作用而遭到破坏。 （２）除路面外的应用研究（非承重结构上，如保温墙）。非承 重结构墙主要起到隔离空间的作用，同时具有隔声、保温、隔 热等功能。如果能把多空隙率的透水混凝土用于非承重墙等 ・１５・ 一综合论述 积娥建．前 ２０１４生 结构上，既能起到上述作用，又能降低材料成本。 （３）骨料优化。虽然目前国内外已有文献研究骨料粒径和 级配对透水混凝土性能的研影响，但仍不够系统，找出骨料 颗粒级配和压碎指标等对透水混凝土性能的影响，提高强 度，扩大应用范围有待于进一步研究。 ｆ４）施工工艺。目前的透水混凝土在施工工艺方面多采用 振动碾压法，但此方法表面平整度不宜控制。虽然笔者提出 的用沥青混凝土摊铺机摊铺并压实透水混凝土能满足工程 要求，但此工艺对摊铺机的工作性能要求较高，且对沥青摊 铺机的磨损较严重，故更加适合透水混凝土的施工工艺有待 于进一步研究。 （５１产业化。透水混凝土的生产如果能结合较为成熟的生 产工艺进行工业化大生产，不仅能节省制作成本，也必将为 其应用范围的扩展起到推动作用。 ４结语 透水性混凝土作为一种生态环保材料，已日益受到人们 的关注。２０世纪９Ｏ年代以来，国内对透水混凝土路面材料开 始进行了研究，但目前为止还没有大面积应用。如果能够采用 优化骨料、调整配合比、掺入矿物细掺料、增强剂等方法提高 透水混凝土的强度及耐久性，并形成设计、施工及验收标准， 那么这种环保型地面材料必将得到进一步的推广应用。 参考文献 【１】刘娟红，王胜永，王波，王俊杰．无砂透水混凝土在北京市南 北长街道路工程中的应用研究Ⅱ１．混凝土，２００６￣）：８１—８３． ［２］刘霞，王加荣，昊冬，罗华明．透水混凝土在奥林匹克森林公 园的工程应用Ⅱ】．混凝土，２００８（１０）：１２０一ｔ２２． ｆ３１黄志巍，上海世博会园区透水人行道试验段的施工与思考 Ｕ】．市政技术，２００９￣）：２３０—２３２． 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