透水性混凝土及其在城市排水防涝中的应用前景

摘要：透水性混凝土是一种新型的环保建筑材料，由于其具有较好的透水性能，可在暴雨时减少城市地表径流，提高城市排水防涝能力，并使得城区地下水得以适当补充。本文阐述了透水性混凝土的研究背景与意义,并对其概念和国内外研究现状进行介绍，然后就其结构、原料、配合比设计和透水性能进行了探讨，最后提出了透水性混凝土目前存在的问题和建议。

关键词：透水性混凝土 排水防涝 透水性 透水系数

0 前言

2007年7月中下旬，重庆、济南和武汉等城市先后遭受特大暴雨袭击，主城区出现大面积积水，导致交通严重受阻、市民出行艰难，并给人民生命财产带来巨大损失。究其原因，除了降雨强度巨大、城市地下排水管网排涝标准设计较低和城市排水系统年久失修、排洪泄洪能力不足等外，城市化速度加快而城市透水能力不断减弱也可以认为是一个重要的因素。

随着我国经济的快速发展和城市建设步伐的加快，城市地表已逐步被建筑物和各种混凝土等阻水性材料所覆盖，不透水区域比例大幅度增高，部分地区甚至超过了80％，使得城市的透水功能不断弱化，雨水不能直接从地表渗入地下，增加了地表径流，而其唯一出处就是城市排水系统，一旦受堵就会导致大量积水，而“干渴”的地下又得不到雨水的滋润，城市地下水位越来越低。另一方面，生态绿地建设的发展相对滞后，又导致城市蓄水功能的下降，以致形成了生态学意义上的“人造沙漠”[1]。虽然目前我国一些大中型城市以及经济较发达地区也非常重视绿地的建设，但在很多地方这属于园林建设的管辖范畴，更多考虑的是绿化城市环境，改善景观和提高城市空气质量等，而忽略了绿地可有效缓解城市积水的重要功能，如一些地方在透水砖下面铺设透水性很差的水泥材料，使得透水砖成了“花瓶”。如何将城市园林建设、绿化工作和城市防灾、水资源利用和保护结合起来，是今后应予以重视的问题。

在城市建设中多铺透水地面，使雨水能够直接渗透入地而成为地下水是达到上述目标的一种措施，我国古代城市和传统庭院的地面铺设中就曾普遍使用这种做法。遗憾的是，现代人在建设现代化城市时却忽略这一点。在强度要求不是太高和交通负荷不是太大的区域可以铺设透水地面，如人行道、步行街、自行车道、轻量机动车道路、郊区道路、郊游步行路和公园内道路；露天停车场、房舍周边、庭院和街巷的地面；特殊车道和车房出车道；公共广场等。在德国，人们正在将以前在以上区域铺设的硬化地面改为透水性地面[2]。

铺设透水地面，除采用透水地面砖外，还可采用透水性混凝土，后者在施工性能、经济性和舒适性等方面要优于前者。由表1可见，透水性混凝土不同于一般混凝土。目前比较好的制备方法是通过一种特殊的粗骨料“预包裹”工艺技术，将具有特定组成的水泥胶结材包裹粗集料形成粒径较均匀的球体，通过这些球体的物理堆聚及其表层浆体的胶结作用，形成固相搭接良好且具有气相连通的连续孔隙混凝土结构，根据混凝土强度的高低和孔隙情况，可分为“强度型”和“植生型”两种。这种透水性混凝土路面由于自身良好的透水性能，使得地表径流曲线平缓，且峰值处于较低水平，可望能有效地缓解城市排水系统的泄洪压力[3]。因此，采用透水性混凝土地面不失为城市主城区排水防涝的积极措施，具有广阔的应用前景

1 透水性混凝土在国内外的研究现状

透水性混凝土也称多孔混凝土(porous concrete)。欧美、日本等一些发达国家较早开始研究开发混凝土型透水性路面材料，并将其应用于广场、步行街、道路两侧和中央隔离带、公园内道路以及停车场等，增加了城市的透水、透气空间，起到了良好的效果。比如英国的Abertay Dundee大学的Wolfram Schluter和Chris Jefferies对混凝土的透水性能和排水性能进行研究，他们在苏格兰中心广场的皇家银行铺筑了透水性混凝土，结果表明，透水性混凝土在雨天具有很好的排水效果[4]。在美国，透水性混凝土一般不含细骨料，称为无细集料混凝土。美国的佛罗里达，新墨西哥和犹它州已将无细集料混凝土作路面面层材料用于停车区路段，已有很多州规定并且试验在路面面层下铺设水泥混凝土透水基层以便迅速排水。法国还将透水性混凝土大量用于网球场的建设，其60%的网球场是用透水性混凝土修建的。除此之外，透水性混凝土还用在护坡绿化地带，在河道两岸创造出良好的生态环境[5]。日本的玉井元治、岡本享久等对以水泥为胶凝材料的透水性混凝土进行了较系统的研究，并将其用于公园内的道路、广场等实际工程，厚度一般为70～200mm，水灰比约为0.35，采用5～13mm或2.5～7mm粒级的碎石，为行人的游玩和散步提供了舒适、趣味的道路环境[6]。

我国对于透水性混凝土的研究起步较晚，目前仍处于研究开发的初始阶段。1995年，中国建筑材料科学研究院率先在国内进行透水性混凝土研制，取得了一定的成果。采用与普通混凝土相同的原材料，成型方法多采用压制成型，所配制的透水性混凝土其抗压强度一般可达到20MPa左右。2000年清华大学土木工程系的杨静和蒋国梁采用掺入硅灰的方法，使透水性混凝土的抗压强度提高到35.5MPa，透水系数为2.9mm/s，取得了突破性进展。但是，总体上讲，我国目前生产透水性混凝土的技术还不太成熟，关于其透水性、植生性的认识尚不一致，也无标准可循，要使该混凝土得到普遍认可和推广应用还需要做大量工作。

2 透水性混凝土及其路面构造

透水性混凝土是一类非封闭型的多孔生态混凝土，它由特殊级配的集料，水泥，外加剂，矿物掺合料和水按一定比例和特定工艺配制而成的，由于集料级配特殊，形成了蜂窝状结构，有助于提高混凝土的透水性能，但同时亦对混凝土的强度产生不良影响，其结构模型如图1 所示，由其可见，它是以水泥胶结浆体薄层包裹在粗骨料颗粒的表面，作为骨料颗粒之间的胶结层，形成骨架-孔隙结构。

按实际使用情况，透水性混凝土可分为两大类：一类是直接摊铺在路基上的透水性混合料，经压实、养护等工艺构筑而成的透水性混凝土路面；另一类是由透水性混凝土经特定工艺和模具成型的混凝土制品，然后再将它们铺装在透水性路基上，称作透水性铺装。透水性混凝土路面的铺筑必须有与之相配套的路基，以保证透过路面的雨水能够顺利补充地下水资源或能回收利用。与传统的封闭性路基结构相比，透水性混凝土路基是开放式的，典型的透水性路面结构示意图如图2所示。

3 透水性混凝土的原材料及其配合比设计

水泥：一般选用42.5级以上硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，也可用矿渣水泥或快硬水泥，为了提高其强度，可掺入少量高活性混合材料，如硅灰等。

骨料：骨料的级配是决定其强度和透水性的重要指标,为了保证强度及良好的透水性能，粗骨料需通常采用粒径较小的单一粒级，如10～20mm。此外，对骨料自身强度、颗粒形状(针、片状含量)及含泥量等也有相应要求。

外加剂:包括高效减水剂和增强剂，两者的作用是在保持一定稠度或干湿度的前提下，提高颗粒间的粘结强度，进而提高透水性混凝土的整体力学性能和耐磨性能。

拌和水：采用一般洁净的饮用水即可，单方用水量可控制在80～120kg/m3。

透水性混凝土的配合比设计，到目前为止还没有成熟的计算方法，根据透水性混凝土所要求的孔隙率和结构特征，可以认为单位体积多孔混凝土的表观体积由骨料紧密堆积而成。因此配合比设计的原则是将骨料颗粒表面用胶结材料包裹，并将骨料颗粒互相粘结起来，形成一个整体而产生一定的强度，但又不能将骨料之间的孔隙填充密实。由于单位体积多孔混凝土的质量为其骨料、胶结材料质量及用水量之和，可以由此初步确定多孔混凝土的配比设计方法。即首先根据设计要求确定选用的材料，并测试选用材料的基本性能，再确定单位体积混凝土中骨料的用量，然后根据骨料的表观密度和设计要求的孔隙率确定胶结材料用量，再根据成型工艺的要求确定用水量[6]。具体过程如下：

选择胶结材料和集料的级配及粒径范围；

测定所选粒径集料的表观密度和紧密堆积密度；

计算单位体积集料用量；

计算单位体积胶凝材料用量；

确定水灰比，求出拌和水用量；

进行试配和混凝土成型；

测试性能，并根据测试结果进行配合比调整；

确定最终配合比及透水性混凝土物理性能。

4 透水性混凝土透水效果的检测和评价

透水性混凝土由表面包裹了一薄层胶结层的粗骨料相互粘结而形成孔穴均匀连续分布的蜂窝状结构，外观上看如同食用的“沙琪玛”，内部含有大量的连通孔隙，且多为直径大于1mm的大孔，在下雨或路面积水时，水能沿着这些贯通的孔隙通道顺利地渗入地下或存于路基中。因此，透水性混凝土最显著特点就是透水能力强，如何检测其透水效果受到广泛重视。

透水性混凝土的透水性是通过透水系数K来表征的，K一般由定水位试验方法测定。采用的水头差不同时，透水系数也有所差异。另一方面，透水系数也与孔隙率和粗骨料的粒径有关。孔隙率越大，透水系数越大；孔隙率相同时，骨料粒径越大，透水系数也越大。图3所示的是日本“减轻环境负担型混凝土研究委员会”提出的透水系数的测定装置。它采用高度为H、断面积A(mm2)的圆柱形试件，上部密封连接透明的圆柱形套筒，并在套筒的上部设一溢水管。将其放入一个水槽中，水槽的上部设出水口。水槽出水口至套筒出水口之间的距离为水位差h。试验前将试件充分饱水，将水槽中充满水，直至水从出水口流出；从套筒上部不断给水，使试件上部水位高度保持不变，测定从水槽出水口流出的水量Q和出水时间t(s)△，参照日本JIS A 1218规定的土壤透水性试验方法，按下式求出透水系数K：

K=(H/h)×(Q/A×t) (mm/s)

中国建筑材料科学研究院的研究表明[7]，透水性混凝土内部孔隙率(贯通的孔)在5～30％，特别是当处于15～25％范围时，透水系数为1～15mm/s，这可以作为现阶段透水性混凝土透水性能的一个参考标准。

5 透水性混凝土研发、应用中存在的问题及建议

目前，透水性混凝土的研制与应用已经进入一个新阶段，在城市的排水防涝中已经初见效果。广州市市政园林局为了解决“水浸街”难题，首次在旧城区进行“透水性路面材料”的应用研究。市政部门选择了中山七路陈家祠北侧、康王北路西侧的龙源社区内一段约260米长的道路作为实验路段。经过测算，该路面每平米一分钟就能吸收270升左右的水，而广州雨量也不过100毫升/分钟，铺装后，路面积水会一部分直接渗透入地下，一部分从排水系统收集，可以协助城市排水系统有效排涝。因此，透水性混凝土路面的铺设能大大缓解排水管道网的压力，从而减少水浸街。借鉴国内外经验，针对目前透水性混凝土研发、应用所存在问题，提出以下建议：

透水性混凝土虽然具有良好的透水性，但力学性能与普通混凝土相比有所下降。如何在保证其良好透水性能的基础上增加其强度是下一步的研究重点。特别是对于用于道路工程的透水混凝土，无论在选材、施工、养护等方面都应注意其合理性，并且要考虑其耐久性。

随着使用时间的延长，透水性混凝土的透水、排水性能会逐渐下降，其原因有二，一是透水性混凝土表面受到磨损后，粉尘化的水泥组分与雨水混合在一起，附着在混凝土内部的孔隙中，阻塞了孔隙的连通；二是各种外来物质的污染、堵塞作用。为使透水性混凝土路面在使用多年后仍具有良好的透水性能，应研发清理透水性铺装通孔堵塞的相关设备。

透水性混凝土的抗冻融性能比普通混凝土要差，这在北方地区更应引起重视。为提高透水性混凝土的抗冻融性能，配制混凝土时应掺加适当的减水剂和引气剂，同时采用一些坚硬、致密和耐磨性的集料，抵抗其冻融性磨损带来的危害。

现阶段透水性混凝土造价略高于普通混凝土，这应归结为其原料选择和制造工艺的特殊性。如何在其材料、制造工艺等方面降低成本也是其推广应用中应予以注意的问题。

我国目前还没有制定透水性混凝土的设计规范、标准和施工技术规程，这也为透水性混凝土的制造和施工监督带来不利影响。因此，加强透水性混凝土的研究，制定相关规范、标准和施工章程等也成为当务之急。

参考文献

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3 Legret M,Colandini V,Le Marc C. Effects of a porous pavement with reservoir structure on the quality of runoff water and soil[J].The science and the total environment[J],1996,(189-190):335- 340

4 Wolfram Schluter. Modelling the outflow from a porous pavement[J]. Urban Water, 2002, 4(1):245-253

5 Anon .Porous concrete slabs and pavement drain water.Concrete construction[J].1983,9(28):685-688

6 冯乃谦.新实用混凝土大全[M].北京:科学出版社,2005: 838-846

7 王武详,谢尧生,夏桂清.透水性混凝土的性能与应用[J].中国建材科技,1994,4(3):1-5