透水混凝土 (又称多孔混凝土) 指由单一粒径粗骨料或加入少量细集料形成的具有内部连通孔隙的混凝土, 孔隙率通常为15%~25%[1], 能减少地表径流、补充地下水、净化水体、吸声降噪、缓解城市热岛效应等, 在环境方面表现出显著效益, 完全符合日本混凝土工会于1995年提出的生态混凝土的概念。
透水混凝土强度特性和透水性与其组成材料密切相关。渗透系数和连通孔隙率与粘结材料用量呈负相关, 与集料尺寸成正相关。而强度性质则恰好相反, 粘结料用量越多, 抗压、劈裂、抗弯强度增大;集料尺寸越大, 强度减小。
1) 集料。为满足孔隙率要求、保证透水性, 透水混凝土通常由最大公称粒径为9.5~19mm的集料组成[1]。然而也有几项研究采用粒径为2.36~9.5mm的粗骨料, 来提高混合料的力学性能。用于透水混凝土的集料应该控制影响路面性能的材料的使用量, 如影响集料和水泥浆粘结强度的粘土、硅质岩等。
透水混凝土中集料的尺寸、级配等物理特征影响其强度和透水性。不均匀系数增大, 即级配更均匀, 强度增大, 而孔隙率和透水性降低。此外, 集料类型对于透水混凝土性能也有重要影响。生产透水混凝土常采用石灰岩集料, 而已有研究表明, 在更高孔隙率条件下, 白云岩能够提供较石灰岩更高的抗压强度。Kevern等研究了17种类型集料对混合料抗冻融性的影响, 结果表明采用花岗岩制备的混合料显示出优良的抗冻融性, 而采用石灰岩和砾石集料的混合料经冻融循环容易破坏。集料的物理性能如耐磨性、吸水性很大程度上影响混合料的抗冻融性, 因透水混凝土水泥粘结层很薄, 使得水很容易渗透进入孔隙中, 因而其更容易发生冻融破坏和疲劳破坏。
2) 水泥材料。混合料中水泥的主要作用在于为集料提供足够的粘结层, 增强透水混凝土的耐久性。目前透水混凝土生产通常采用普通硅酸盐水泥, 也有采用SCM如硅粉、粉煤灰等部分代替普通硅酸盐水泥。然而, SCM对透水混凝土的影响并不同于其对传统混凝土的影响, Tun Chi Fu等指出, 在其掺入量达到一定临界值时, 透水混凝土的抗压强度反而会降低。水泥粘结层厚度是评估透水混凝土力学性能和水文特性的重要因素。Deo等研究发现, 集料颗粒越大, 粘结层越薄, 这主要是因为, 颗粒较小的集料表面积更大。粘结层厚度增加, 力学性能提高, 而孔隙特性如孔隙率、透水性会降低。
3) 外加剂/改性剂。透水混凝土坍落度通常为零, 这表明可以通过使用外加剂来增加其和易性, 而不至于造成用水量不必要的增加。多数研究已采用减水剂来增加和易性, 此外, 也有采用缓凝剂减少现场摊铺时表面水分蒸发。Hao Wu等研究发现, 加入适量的引气剂可以增加透水混凝土的强度, 提高其抗冻融性。改性剂通过增强胶结混合料的界面粘附性使得混合料达到更高的强度和更好的抗冻融性。L Soto-Perez等研究发现, 掺入适量的粉煤灰能够提高透水混凝土的力学、水文特性以及污染物去除能力。
透水混凝土集料密度通常为1 400~1 800kg/m3, 集灰比取4∶1~12∶1, 水灰比相较传统混凝土要低, 为0.2~0.42。混合料设计通常基于确保集料表面足够水泥粘结层的原则。Nguyen等基于粘结过剩原理确定了一种混合料及配合比设计假说。Yahia和Kabagire基于粘结层与内部孔隙体积之比提出了确定混合料配合比方法。Deo和Neithalath基于传统绝对体积法计算透水混凝土配合比。我国暂未确定统一合理的透水混凝土配合比设计方法, 张朝辉等提出了以总孔隙率为第一设计参数, 抗压强度为第二参数的配合比设计方法;长安大学盛燕萍等采用体积法综合考虑排水性能和强度要求对多孔混凝土进行配合比设计。
透水混凝土的力学性能对于确定路面设计厚度以及其耐久性具有重要影响。我们最为关注路面的结构和功能特性主要包括:抗压强度、抗弯拉强度、疲劳寿命、耐磨性和抗冻融性。
1) 强度特性。透水混凝土的强度特性主要包括抗压、抗弯拉和疲劳强度。研究表明, 强度特性受到多个因素影响, 并且对集灰比较水灰比更为敏感。小粒径骨料比例增加, 透水混凝土抗压、抗弯强度均有一定程度增长, 但会使得排水性能下降。聚合物以及橡胶材料的加入使得混合料由于延性增加从而断裂韧性增加。由于集料间水泥粘结层很薄, 因而集料类型对透水混凝土强度发展尤为重要。
养护期对透水混凝土抗弯强度没有显著影响, 7d和28d抗弯强度相差不大。而透水混凝土7d抗压强度为28d抗压强度的70%~90%, 传统混凝土7d抗压强度通常为28d抗压强度的65%~70%。
2) 耐疲劳及抗冻融性。透水混凝土服役期间受到车辆荷载和温度的反复作用, 又因其特有的骨架孔隙结构中通常含有水, 在经过冻融循环后易导致材料恶化, 使得透水混凝土的耐疲劳性和抗冻融性成为影响其长期耐久性极为重要的因素。
现有透水混凝土疲劳特性研究较少, M.A.Pindado等研究发现, 透水混凝土试样在经200万次循环作用即已破坏, 并且掺入聚合物能够提高疲劳强度。Liantong Mo等人研究指出沥青层对透水混凝土抗疲劳特性起决定性作用。Migue Angel Pindado等人通过对透水混凝土进行改性处理使其具有较好的抗疲劳性能。Antonio Aguado等对聚合物改性透水混凝土进行循环加载作用, 发现变形和内部温度变化趋势与传统混凝土相似, 但温度增加明显高于普通混凝土。Ghafoori和Dutta在研究中采用引气剂来提高抗冻融性。Yang和Jiang指出硅粉和高效减水剂能够提高抗冻融性。Z Yang指出, 硅粉对于透水混凝土抗冻融性的影响应同时考虑养护条件, 薄膜保湿养护条件下, 硅粉的加入使得抗冻融性得到提高, 而自然养护下抗冻融性反而下降。磨细橡胶粉能够增加含气量, 从而减少水泥浆中水张力的影响。
3) 孔隙特性。透水混凝土的孔隙包括连通孔隙、半连通孔隙和闭合孔隙。透水混凝土作为一种环保生态混凝土, 主要由于其在环境方面表现出了显著效益, 而这些优于传统混凝土的性能应归因于其特有的大孔隙率, 主要是指连通孔隙。有效孔隙率受集料尺寸、级配, 水泥用量, 外加剂, 成型方法等多种因素影响。集料颗粒越大, 内部孔隙尺寸越大, 孔隙率越大, 渗透性能越好。Neithalath等研究发现, 胶结料含量较多的透水混凝土因胶浆堵塞, 连通孔隙率较低。外加剂如粉煤灰因能与水泥中碱性成分发生化学反应, 因而会影响内部孔隙形成, 改变孔隙分布。成型方法通过影响水泥对集料的裹附, 从而影响内部孔隙的形成, 影响孔隙率。
1) 减缓地表径流、补充地下水。不同于传统路面, 透水路面具有分散排水效能, 可以显著减少雨水径流量, 降低流速峰值。在降雨过程中, 雨水散落在路表, 渗透到路面下层, 一部分汇集通过管网系统排放, 一部分渗入土壤补充地下水, 省却了传统路面雨水收集排放的过程, 降低径流总量, 缓和径流高峰, 同时补充地下水。
2) 净化水质。径流雨水携带自然和人为污染物进入到自然水体, 导致的非点源污染会影响到整个生态。研究表明, 透水混凝土由于其多孔的性质不仅减少了径流水量, 还极大地降低了径流水中重金属、不溶悬浮物、氮、磷、油以及其他碳氢化合物等的含量。数据显示, 透水混凝土对铜、锌等重金属的去除率达90%以上。透水混凝土的净水机制分为三种:物理净化:径流雨水流经透水混凝土, 其曲折的路径能够吸附悬浮物质, 此过程能够将雨水中大多数固体悬浮物消除。化学净化:自然情况下透水混凝土呈碱性, 通过与污染水的接触, 能够释放出氢氧根离子和碳酸根离子, 与污染物反应并将其沉淀。此外, 经反应, 污染水p H值会上升至偏中性而不是酸性。生物净化:透水混凝土中的孔隙能够为微生物提供活动场所, 消耗悬浮物质并将其降解。
3) 减轻热岛效应。透水混凝土中储存的水分, 在地表温度升高时, 能够蒸发、蒸腾吸热降低路表温度, 改善城市热环境。
4) 吸声降噪。透水混凝土具有大量连通孔隙, 声波入射到表面时, 一部分被反射, 一部分沿连通孔隙路径向前传播, 引起孔隙中空气运动, 此过程将声能转变为热能而耗散。高建明等指出, 设计空隙率增大, 吸声性能提高;空隙率相近时, 骨料粒径增加, 吸声性能呈降低趋势。
透水混凝土已被成功用于低交通量的街道、人行道和车行道, 能够带来诸多环境效益。但是优良的排水性能往往并不对应高强度和良好的路表条件。此外, 目前尚未制定可靠的混合料设计和施工标准, 而将适用于传统混凝土的设计和试验方法用于透水混凝土尚存在因材料组成不同而引发的一些问题。因此, 透水混凝土的应用现仅限于特定的城市地区, 在高速或高荷载能力路面的应用较少。A Bonicelli等研究发现采用适量的外加剂可以提高透水混凝土力学性能以适应中等及重交通道路, 如加入纤维或者适当比例的细集料, 能够使其力学性能增强。
径流雨水中携带的微细颗粒会降低路面渗透水的能力, 但研究人员也一致认为, 堵塞对于渗透的影响可以通过定期维护得以避免。因此, 应进行有计划的定时维护, 防止路面由于堵塞导致性能降低而失效, 同时消除不必要的维修成本。
已有研究表明, 为满足合适的连通孔隙率, 透水混凝土前期控制设计和铺设投入较大, 使得其初期成本较传统混凝土高15%~20%。而透水混凝土优势在于适用于雨洪管理系统和环境低影响开发, 其带来的环境效益是可观的, 因此应当综合考虑其减少径流量、净化水质、补给地下水、减缓城市热岛效应等方面的效益进行寿命周期成本分析。然而由于缺少大规模测试、长期性能数据、建设和维护成本数据, 分析工作很难开展, 这在今后透水混凝土推广过程中亟待解决。
摘要：简要介绍了透水混凝土的性能及应用。总结分析了透水混凝土在材料组成、配合比设计、力学性能、孔隙特性等方面的研究成果, 以及其作为一种生态混凝土的应用现状。针对透水混凝土在当前应用中存在的问题提出了建议, 并对其进一步发展进行了展望。
关键词：透水混凝土,生态混凝土,力学性能,透水性
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