透水性混凝土及其在城市排水防澇中的應(yīng)用前景

摘要：透水性混凝土是一種新型的環(huán)保建筑材料，由于其具有較好的透水性能，可在暴雨時減少城市地表徑流，提高城市排水防澇能力，并使得城區(qū)地下水得以適當補充。本文闡述了透水性混凝土的研究背景與意義,并對其概念和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行介紹，然后就其結(jié)構(gòu)、原料、配合比設(shè)計和透水性能進行了探討，最后提出了透水性混凝土目前存在的問題和建議。

關(guān)鍵詞：透水性混凝土 排水防澇 透水性 透水系數(shù)

 

前言

　　2007年7月中下旬，重慶、濟南和武漢等城市先后遭受特大暴雨襲擊，主城區(qū)出現(xiàn)大面積積水，導(dǎo)致交通嚴重受阻、市民出行艱難，并給人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失。究其原因，除了降雨強度巨大、城市地下排水管網(wǎng)排澇標準設(shè)計較低和城市排水系統(tǒng)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斷減弱也可以認為是一個重要的因素。

　　隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快，城市地表已逐步被建筑物和各種混凝土等阻水性材料所覆蓋，不透水區(qū)域比例大幅度增高，部分地區(qū)甚至超過了80％，使得城市的透水功能不斷弱化，雨水不能直接從地表滲入地下，增加了地表徑流，而其唯一出處就是城市排水系統(tǒng)，一旦受堵就會導(dǎo)致大量積水，而“干渴”的地下又得不到雨水的滋潤，城市地下水位越來越低。另一方面，生態(tài)綠地建設(shè)的發(fā)展相對滯后，又導(dǎo)致城市蓄水功能的下降，以致形成了生態(tài)學(xué)意義上的“人造沙漠”[1]。雖然目前我國一些大中型城市以及經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)也非常重視綠地的建設(shè)，但在很多地方這屬于園林建設(shè)的管轄范疇，更多考慮的是綠化城市環(huán)境，改善景觀和提高城市空氣質(zhì)量等，而忽略了綠地可有效緩解城市積水的重要功能，如一些地方在透水磚下面鋪設(shè)透水性很差的水泥材料，使得透水磚成了“花瓶”。如何將城市園林建設(shè)、綠化工作和城市防災(zāi)、水資源利用和保護結(jié)合起來，是今后應(yīng)予以重視的問題。

　　在城市建設(shè)中多鋪透水地面，使雨水能夠直接滲透入地而成為地下水是達到上述目標的一種措施，我國古代城市和傳統(tǒng)庭院的地面鋪設(shè)中就曾普遍使用這種做法。遺憾的是，現(xiàn)代人在建設(shè)現(xiàn)代化城市時卻忽略這一點。在強度要求不是太高和交通負荷不是太大的區(qū)域可以鋪設(shè)透水地面，如人行道、步行街、自行車道、輕量機動車道路、郊區(qū)道路、郊游步行路和公園內(nèi)道路；露天停車場、房舍周邊、庭院和街巷的地面；特殊車道和車房出車道；公共廣場等。在德國，人們正在將以前在以上區(qū)域鋪設(shè)的硬化地面改為透水性地面[2]。

　　鋪設(shè)透水地面，除采用透水地面磚外，還可采用透水性混凝土，后者在施工性能、經(jīng)濟性和舒適性等方面要優(yōu)于前者。由表1可見，透水性混凝土不同于一般混凝土。目前比較好的制備方法是通過一種特殊的粗骨料“預(yù)包裹”工藝技術(shù)，將具有特定組成的水泥膠結(jié)材包裹粗集料形成粒徑較均勻的球體，通過這些球體的物理堆聚及其表層漿體的膠結(jié)作用，形成固相搭接良好且具有氣相連通的連續(xù)孔隙混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)混凝土強度的高低和孔隙情況，可分為“強度型”和“植生型”兩種。這種透水性混凝土路面由于自身良好的透水性能，使得地表徑流曲線平緩，且峰值處于較低水平，可望能有效地緩解城市排水系統(tǒng)的泄洪壓力[3]。因此，采用透水性混凝土地面不失為城市主城區(qū)排水防澇的積極措施，具有廣闊的應(yīng)用前景。
 

 

1  透水性混凝土在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

　　透水性混凝土（pervious concrete）也稱多孔混凝土(porous concrete)。歐美、日本等一些發(fā)達國家較早開始研究開發(fā)混凝土型透水性路面材料，并將其應(yīng)用于廣場、步行街、道路兩側(cè)和中央隔離帶、公園內(nèi)道路以及停車場等，增加了城市的透水、透氣空間，起到了良好的效果。比如英國的Abertay Dundee大學(xué)的Wolfram Schluter和Chris Jefferies對混凝土的透水性能和排水性能進行研究，他們在蘇格蘭中心廣場的皇家銀行鋪筑了透水性混凝土，結(jié)果表明，透水性混凝土在雨天具有很好的排水效果[4]。在美國，透水性混凝土一般不含細骨料，稱為無細集料混凝土。美國的佛羅里達，新墨西哥和猶它州已將無細集料混凝土作路面面層材料用于停車區(qū)路段，已有很多州規(guī)定并且試驗在路面面層下鋪設(shè)水泥混凝土透水基層以便迅速排水。法國還將透水性混凝土大量用于網(wǎng)球場的建設(shè)，其60%的網(wǎng)球場是用透水性混凝土修建的。除此之外，透水性混凝土還用在護坡綠化地帶，在河道兩岸創(chuàng)造出良好的生態(tài)環(huán)境[5]。日本的玉井元治、岡本享久等對以水泥為膠凝材料的透水性混凝土進行了較系統(tǒng)的研究，并將其用于公園內(nèi)的道路、廣場等實際工程，厚度一般為70～200mm，水灰比約為0.35，采用5～13mm或2.5～7mm粒級的碎石，為行人的游玩和散步提供了舒適、趣味的道路環(huán)境[6]。

　　我國對于透水性混凝土的研究起步較晚，目前仍處于研究開發(fā)的初始階段。1995年，中國建筑材料科學(xué)研究院率先在國內(nèi)進行透水性混凝土研制，取得了一定的成果。采用與普通混凝土相同的原材料，成型方法多采用壓制成型，所配制的透水性混凝土其抗壓強度一般可達到20MPa左右。2000年清華大學(xué)土木工程系的楊靜和蔣國梁采用摻入硅灰的方法，使透水性混凝土的抗壓強度提高到35.5MPa，透水系數(shù)為2.9mm/s，取得了突破性進展。但是，總體上講，我國目前生產(chǎn)透水性混凝土的技術(shù)還不太成熟，關(guān)于其透水性、植生性的認識尚不一致，也無標準可循，要使該混凝土得到普遍認可和推廣應(yīng)用還需要做大量工作。

　　透水性混凝土是一類非封閉型的多孔生態(tài)混凝土，它由特殊級配的集料，水泥，外加劑，礦物摻合料和水按一定比例和特定工藝配制而成的，由于集料級配特殊，形成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，有助于提高混凝土的透水性能，但同時亦對混凝土的強度產(chǎn)生不良影響，其結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，由其可見，它是以水泥膠結(jié)漿體薄層包裹在粗骨料顆粒的表面，作為骨料顆粒之間的膠結(jié)層，形成骨架-孔隙結(jié)構(gòu)。

按實際使用情況，透水性混凝土可分為兩大類：一類是直接攤鋪在路基上的透水性混合料，經(jīng)壓實、養(yǎng)護等工藝構(gòu)筑而成的透水性混凝土路面；另一類是由透水性混凝土經(jīng)特定工藝和模具成型的混凝土制品，然后再將它們鋪裝在透水性路基上，稱作透水性鋪裝。透水性混凝土路面的鋪筑必須有與之相配套的路基，以保證透過路面的雨水能夠順利補充地下水資源或能回收利用。與傳統(tǒng)的封閉性路基結(jié)構(gòu)相比，透水性混凝土路基是開放式的，典型的透水性路面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

 

 

 

3  透水性混凝土的原材料及其配合比設(shè)計

　　水泥：一般選用42.5級以上硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，也可用礦渣水泥或快硬水泥，為了提高其強度，可摻入少量高活性混合材料，如硅灰等。

　　骨料：骨料的級配是決定其強度和透水性的重要指標,為了保證強度及良好的透水性能，粗骨料需通常采用粒徑較小的單一粒級，如10～20mm。此外，對骨料自身強度、顆粒形狀(針、片狀含量)及含泥量等也有相應(yīng)要求。

　　外加劑:包括高效減水劑和增強劑，兩者的作用是在保持一定稠度或干濕度的前提下，提高顆粒間的粘結(jié)強度，進而提高透水性混凝土的整體力學(xué)性能和耐磨性能。

　　拌和水：采用一般潔凈的飲用水即可，單方用水量可控制在80～120kg/m³。

　　透水性混凝土的配合比設(shè)計，到目前為止還沒有成熟的計算方法，根據(jù)透水性混凝土所要求的孔隙率和結(jié)構(gòu)特征，可以認為單位體積多孔混凝土的表觀體積由骨料緊密堆積而成。因此配合比設(shè)計的原則是將骨料顆粒表面用膠結(jié)材料包裹，并將骨料顆?；ハ嗾辰Y(jié)起來，形成一個整體而產(chǎn)生一定的強度，但又不能將骨料之間的孔隙填充密實。由于單位體積多孔混凝土的質(zhì)量為其骨料、膠結(jié)材料質(zhì)量及用水量之和，可以由此初步確定多孔混凝土的配比設(shè)計方法。即首先根據(jù)設(shè)計要求確定選用的材料，并測試選用材料的基本性能，再確定單位體積混凝土中骨料的用量，然后根據(jù)骨料的表觀密度和設(shè)計要求的孔隙率確定膠結(jié)材料用量，再根據(jù)成型工藝的要求確定用水量[6]。具體過程如下：

（1）選擇膠結(jié)材料和集料的級配及粒徑范圍；

（2）測定所選粒徑集料的表觀密度和緊密堆積密度；

（3）計算單位體積集料用量；

（4）計算單位體積膠凝材料用量；

（5）確定水灰比，求出拌和水用量；

（6）進行試配和混凝土成型；

（7）測試性能，并根據(jù)測試結(jié)果進行配合比調(diào)整；

（8）確定最終配合比及透水性混凝土物理性能。

　　透水性混凝土由表面包裹了一薄層膠結(jié)層的粗骨料相互粘結(jié)而形成孔穴均勻連續(xù)分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，外觀上看如同食用的“沙琪瑪”，內(nèi)部含有大量的連通孔隙，且多為直徑大于1mm的大孔，在下雨或路面積水時，水能沿著這些貫通的孔隙通道順利地滲入地下或存于路基中。因此，透水性混凝土最顯著特點就是透水能力強，如何檢測其透水效果受到廣泛重視。

　　透水性混凝土的透水性是通過透水系數(shù)K來表征的，K一般由定水位試驗方法測定。采用的水頭差不同時，透水系數(shù)也有所差異。另一方面，透水系數(shù)也與孔隙率和粗骨料的粒徑有關(guān)?？紫堵试酱?，透水系數(shù)越大；孔隙率相同時，骨料粒徑越大，透水系數(shù)也越大。圖3所示的是日本“減輕環(huán)境負擔型混凝土研究委員會”提出的透水系數(shù)的測定裝置。它采用高度為H（mm）、斷面積A(mm2)的圓柱形試件，上部密封連接透明的圓柱形套筒，并在套筒的上部設(shè)一溢水管。將其放入一個水槽中，水槽的上部設(shè)出水口。水槽出水口至套筒出水口之間的距離為水位差h。試驗前將試件充分飽水，將水槽中充滿水，直至水從出水口流出；從套筒上部不斷給水，使試件上部水位高度保持不變，測定從水槽出水口流出的水量Q（mm3）和出水時間t(s)△，參照日本JIS A 1218規(guī)定的土壤透水性試驗方法，按下式求出透水系數(shù)K：

 

               

　　中國建筑材料科學(xué)研究院的研究表明[7]，透水性混凝土內(nèi)部孔隙率(貫通的孔)在5～30％，特別是當處于15～25％范圍時，透水系數(shù)為1～15mm/s，這可以作為現(xiàn)階段透水性混凝土透水性能的一個參考標準。

5  透水性混凝土研發(fā)、應(yīng)用中存在的問題及建議

　　目前，透水性混凝土的研制與應(yīng)用已經(jīng)進入一個新階段，在城市的排水防澇中已經(jīng)初見效果。廣州市市政園林局為了解決“水浸街”難題，首次在舊城區(qū)進行“透水性路面材料”的應(yīng)用研究。市政部門選擇了中山七路陳家祠北側(cè)、康王北路西側(cè)的龍源社區(qū)內(nèi)一段約260米長的道路作為實驗路段。經(jīng)過測算，該路面每平米一分鐘就能吸收270升左右的水，而廣州雨量也不過100毫升/分鐘，鋪裝后，路面積水會一部分直接滲透入地下，一部分從排水系統(tǒng)收集，可以協(xié)助城市排水系統(tǒng)有效排澇。因此，透水性混凝土路面的鋪設(shè)能大大緩解排水管道網(wǎng)的壓力，從而減少水浸街。借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗，針對目前透水性混凝土研發(fā)、應(yīng)用所存在問題，提出以下建議：

（1）透水性混凝土雖然具有良好的透水性，但力學(xué)性能與普通混凝土相比有所下降。如何在保證其良好透水性能的基礎(chǔ)上增加其強度是下一步的研究重點。特別是對于用于道路工程的透水混凝土，無論在選材、施工、養(yǎng)護等方面都應(yīng)注意其合理性，并且要考慮其耐久性。

（2）隨著使用時間的延長，透水性混凝土的透水、排水性能會逐漸下降，其原因有二，一是透水性混凝土表面受到磨損后，粉塵化的水泥組分與雨水混合在一起，附著在混凝土內(nèi)部的孔隙中，阻塞了孔隙的連通；二是各種外來物質(zhì)的污染、堵塞作用。為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，應(yīng)研發(fā)清理透水性鋪裝通孔堵塞的相關(guān)設(shè)備。

（3）透水性混凝土的抗凍融性能比普通混凝土要差，這在北方地區(qū)更應(yīng)引起重視。為提高透水性混凝土的抗凍融性能，配制混凝土時應(yīng)摻加適當?shù)臏p水劑和引氣劑，同時采用一些堅硬、致密和耐磨性的集料，抵抗其凍融性磨損帶來的危害。

（4）現(xiàn)階段透水性混凝土造價略高于普通混凝土，這應(yīng)歸結(jié)為其原料選擇和制造工藝的特殊性。如何在其材料、制造工藝等方面降低成本也是其推廣應(yīng)用中應(yīng)予以注意的問題。

（5）我國目前還沒有制定透水性混凝土的設(shè)計規(guī)范、標準和施工技術(shù)規(guī)程，這也為透水性混凝土的制造和施工監(jiān)督帶來不利影響。因此，加強透水性混凝土的研究，制定相關(guān)規(guī)范、標準和施工章程等也成為當務(wù)之急。

 

 

 

 

參考文獻

1 Pratt C J. Use of permeable, reservoir pavement constructions for stormwater treatment and storage for re-use. Water Science and Technology[J] ,1999, 5(39): 145-151

7 王武詳,謝堯生,夏桂清.透水性混凝土的性能與應(yīng)用[J].中國建材科技,1994,4(3):1-5