透水混凝土的性能和應(yīng)用現(xiàn)狀簡(jiǎn)介
關(guān)鍵詞：透水混泥土 熱島效應(yīng) 瀝青 排水管道
透水混凝土也被稱作多孔混凝土、間斷級(jí)配混凝土、開放孔隙混凝土或過(guò)濾混凝土，是指在制備過(guò)程中，通過(guò)減少或避免使用細(xì)集料，形成具有內(nèi)部連通孔隙微觀結(jié)構(gòu)的一種混凝土，是一種具有高滲水功能的工程材料。依據(jù)混凝土中集料粘結(jié)用材料的不同，透水混凝土可分為透水瀝青混凝土和透水水泥混凝土，前者以瀝青（必要時(shí)可摻入改性劑）作為粘結(jié)材料，后者以水泥（必要時(shí)可摻入礦物摻和料）作為粘結(jié)材料。本文就透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)、排水處理方式、維護(hù)方法進(jìn)行論述，旨在為透水混凝土的發(fā)展和應(yīng)用提供借鑒和指導(dǎo)。
透水混凝土的優(yōu)點(diǎn)可總結(jié)如下：1）在城市地區(qū)的降雨期間，通過(guò)分散雨水的流向，減小城市排水管道的工作負(fù)荷并有效避免局部區(qū)域的積水，這對(duì)于人口眾多、交通和地形狀況復(fù)雜的大都市具有重要意義；2）雨水通過(guò)透水混凝土向基層和土壤中滲透，可補(bǔ)充所在地區(qū)的地下水位，具有環(huán)境保護(hù)和調(diào)節(jié)水資源可持續(xù)發(fā)展的作用；3）透水混凝土對(duì)雨水的就地滲透，一方面可在滲透的過(guò)程中對(duì)雨水產(chǎn)生凈化效應(yīng)，另一方面還可有效避免雨水與可污染物或被污染水體的接觸，避免了雨水的二次污染；4）降雨過(guò)程中滲透至透水混凝土基層和土壤中的水分，在晴天的時(shí)候可以部分蒸發(fā)出來(lái)，會(huì)降低城市的熱島效應(yīng)；5）透水混凝土路面可降低并吸收行車噪音、減小聲污染，這對(duì)于交通流量較大、空間狹小的城市內(nèi)街道周邊的工作和居住環(huán)境具有重要意義；6）相對(duì)于普通混凝土，透水混凝土與車輛輪胎之間的摩擦力增大且摩擦力衰減梯度減小，同時(shí)，通過(guò)及時(shí)排放道路表面的積水，可有效減少車輛在行駛過(guò)程中的側(cè)滑現(xiàn)象；此外，對(duì)道路表面雨水的及時(shí)排放，還可避免車輛在行駛過(guò)程中的潑濺現(xiàn)象和夜晚燈光下產(chǎn)生的眩光現(xiàn)象，提高了行車安全。
1 透水混凝土的制備
1.1透水水泥混凝土的制備
美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI, American Concrete Institute）的522委員會(huì)制定了透水水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)ACI 522R-10（Report on Pervious Concrete），其中對(duì)透水水泥混凝土主要指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。美國(guó)ASTM組織中編號(hào)為C09.49的委員會(huì)負(fù)責(zé)透水水泥混凝土性能測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，現(xiàn)在已在執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM C1688/C1688M、ASTM C1701/C1701M、ASTM C1747/C1747M和ASTM C1754/C1754M，分別用于測(cè)試新拌透水水泥混凝土密度和孔隙率、現(xiàn)場(chǎng)透水水泥混凝土的滲透率（Infiltration Rate）、使用沖擊和磨損的方法評(píng)價(jià)混凝土的抗破壞能力（Resistance to degradation），以及硬化混凝土密度和孔隙率，現(xiàn)在正在制定過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)于透水水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的測(cè)試方法。在美國(guó)，透水混凝土的質(zhì)量由美國(guó)綠色建筑委員會(huì)（USGBC, United States Green Building Council）進(jìn)行認(rèn)證，該委員會(huì)使用LEED（The Leadership in Energy and Environmental Design）程序?qū)炷两ㄖ木G色程度進(jìn)行分級(jí)和評(píng)價(jià)。透水水泥混凝土的制備通常采用波特蘭水泥、礦物摻和料、開級(jí)配的集料（通常只包含粗集料、少或無(wú)細(xì)集料）和水來(lái)進(jìn)行，同時(shí)還可摻入化學(xué)外加劑來(lái)提高透水混凝土的強(qiáng)度、調(diào)節(jié)凝結(jié)歷程、降低干燥收縮和提高混凝土的抗凍融能力等。透水水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)的目的是在保障最小漿體用量的基礎(chǔ)上，使得制備的混凝土具有良好的新拌工作性、孔隙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)首先從漿體的用量和孔隙率開始，然后依據(jù)水膠比計(jì)算得出用水量和膠凝材料用量；再根據(jù)粗集料的粒徑、粗集料的體積分?jǐn)?shù)和搗實(shí)密度來(lái)計(jì)算粗集料的用量。具體計(jì)算方法可參見(jiàn)ACI 522R-10標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，普通水泥混凝土的水膠比和強(qiáng)度關(guān)系通常不完全適用于透水水泥混凝土。這是由于雖然水膠比可以影響混凝土中凈漿的強(qiáng)度和界面過(guò)渡區(qū)的品質(zhì)，但在透水水泥混凝土中，水膠比還會(huì)產(chǎn)生另一種不可忽視的影響：凈漿的流動(dòng)性能對(duì)孔隙率的影響。在透水水泥混凝土中，如果凈漿的流動(dòng)性能過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生孔隙堵塞現(xiàn)象，同時(shí)使得孔隙堵塞處的強(qiáng)度增大；如果凈漿的流動(dòng)性不足，加上透水水泥混凝土在初始水化期間較高的蒸發(fā)速率（相對(duì)于普通水泥混凝土而言），會(huì)使得骨料顆粒之間膠結(jié)不充分而阻礙強(qiáng)度的發(fā)展。因此，對(duì)于透水水泥混凝土，要綜合協(xié)調(diào)水膠比-流變性-強(qiáng)度-孔隙率之間的關(guān)系，這樣才能使所制備的透水水泥混凝土一方面具有所需要的透水能力，另一方面具有良好的強(qiáng)度。
1.2 透水瀝青混凝土的制備
美國(guó)瀝青路面協(xié)會(huì)（NAPA, National Asphalt Pavement Association）頒布了透水瀝青混凝土的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)開級(jí)配瀝青混凝土道路[7]，其中對(duì)透水瀝青混凝土的原材料選擇和力學(xué)性能提出了具體的要求，見(jiàn)表2。透水瀝青混凝土的原材料包括集料、瀝青、瀝青改性劑和纖維，其中后兩者可依據(jù)實(shí)際情況選擇使用。透水瀝青混凝土的配合比設(shè)計(jì)包括四個(gè)步驟：（1）選擇原材料；（2）確定集料的級(jí)配；（3）確定最優(yōu)瀝青用量；（4）考察透水瀝青混凝土的抗凍融能力。具體的計(jì)算方法和步驟可參見(jiàn)NAPA頒布的透水瀝青混凝土設(shè)計(jì)方法。對(duì)于透水瀝青混凝土，由于其中大量孔隙的存在，為提高其抗荷載變形能力，應(yīng)使用高剛度的瀝青，推薦使用的瀝青標(biāo)號(hào)要比當(dāng)?shù)赜糜谥苽淦胀r青混凝土的瀝青高兩級(jí).
2 透水混凝土的排水方式
透水混凝土的使用應(yīng)結(jié)合區(qū)域降雨特征和要接納的排水面積來(lái)進(jìn)行合理的布置。透水水泥混凝土的使用和設(shè)計(jì)方法可參見(jiàn)美國(guó)波特蘭水泥協(xié)會(huì)頒布的基于水文學(xué)的透水水泥混凝土設(shè)計(jì)手冊(cè)；透水瀝青混凝土的使用和設(shè)計(jì)方法可參見(jiàn)美國(guó)瀝青路面協(xié)會(huì)頒布的透水瀝青混凝土路面手冊(cè)。這里重點(diǎn)討論透水混凝土路面的結(jié)構(gòu)和基于不同排水量需求的排水形式。一般來(lái)說(shuō)，透水混凝土路面由透水混凝土面層、基層（Subbase）和底基層（Subgrade）構(gòu)成，基層通常由壓實(shí)碎石構(gòu)成，底基層通常由輕度壓實(shí)的土壤構(gòu)成，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。基層和底基層的壓實(shí)程度要依據(jù)路面荷載和排水能力要求來(lái)確定。如果底基層土壤的排水能力不能滿足要求，則可通過(guò)在基層中埋設(shè)排水管道或建立蓄水井等方式來(lái)解決，如圖4和圖5所示。
3 透水混凝土的破壞形式
透水混凝土的破壞形式通常包括：開裂、沉降和表面磨損。開裂通常是由于超重的車輛荷載、排水過(guò)程中底基層局部沖刷導(dǎo)致的基層和面層支撐不足、氣溫變化產(chǎn)生的面層漲縮等；沉降通常是由于排水過(guò)程中對(duì)底基層的沖刷或底基層周圍的側(cè)壓力損失所致；表面磨損通常是由于局部摩擦力過(guò)大（如車輛急剎車）或面層的粗集料顆粒之間結(jié)合強(qiáng)度太低所致。透水混凝土的另一種破壞形式是凍融破壞，這是由于透水混凝土中含有大量的孔隙，在水飽和的狀態(tài)下，在凍融過(guò)程中，液態(tài)水至固態(tài)水的相變過(guò)程中產(chǎn)生的體積膨脹可產(chǎn)生破壞作用。但對(duì)于透水混凝土面層而言，由于其本身和下方基層、底基層的高透水能力，透水混凝土路面很難處于水飽和狀態(tài)，因此，通常不需要擔(dān)心抗凍融問(wèn)題。對(duì)于透水水泥混凝土，在制備過(guò)程中使用引氣劑，在粗集料表面的水泥凈漿覆蓋層中引入均勻分布的一些小氣泡，可有助于提高其抗凍融能力。
4 透水混凝土的維護(hù)
透水混凝土的維護(hù)包括兩個(gè)方面：（1）對(duì)透水混凝土破壞區(qū)域的維護(hù)。由于施工缺陷和車輛荷載等原因，會(huì)產(chǎn)生透水混凝土的面層開裂和剝離現(xiàn)象。對(duì)于該種形式的破壞，可采取局部修復(fù)或拆除重建的方法進(jìn)行維護(hù)；（2）對(duì)透水混凝土透水能力的維護(hù)。在排水過(guò)程中，水流中所攜帶的細(xì)小顆粒會(huì)使透水混凝土的孔隙產(chǎn)生堵塞，導(dǎo)致其排水能力逐漸下降。通常，需要以一定的時(shí)間間隔，對(duì)透水混凝土孔隙的通透性進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)周期隨透水混凝土應(yīng)用環(huán)境的不同而有差異。維護(hù)透水混凝土透水能力的措施主要有兩種：高壓水沖洗和大功率真空吸塵。高壓沖洗可將透水混凝土表面孔隙中的大顆粒沖洗出，但會(huì)驅(qū)使小顆粒進(jìn)一步向內(nèi)部遷移，同時(shí)過(guò)高的沖洗壓力也可能損害透水混凝土本身；真空吸塵可將透水混凝土表面孔隙中的顆粒以負(fù)壓的方式吸出。當(dāng)前，理想的維護(hù)手段應(yīng)該是兩種方法的結(jié)合，一套設(shè)備既能實(shí)現(xiàn)沖洗又實(shí)現(xiàn)真空吸塵。其實(shí)，防止透水混凝土發(fā)生堵塞現(xiàn)象應(yīng)在透水混凝土的設(shè)計(jì)階段開始，通常采用提升透水混凝土面層的高度、在透水混凝土面層周邊建造路沿、對(duì)透水混凝土面層周圍的土壤進(jìn)行植被維護(hù)等措施，可有效地防止外來(lái)水流所攜帶的細(xì)碎顆粒造成的孔隙堵塞現(xiàn)象。
結(jié)論：
（1）透水混凝土的滲水功能，對(duì)于凈化水質(zhì)和保護(hù)區(qū)域水資源，以及緩解排水系統(tǒng)的排水負(fù)荷具有重要作用。
（2）透水混凝土的防滑、降噪、吸聲和防眩光功能，可有效提高車輛行駛的安全性。
（3）透水混凝土的應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)區(qū)域降水特征和排水面積需求，進(jìn)行合理的布置和設(shè)計(jì)。
（4）在透水混凝土的制備過(guò)程中，應(yīng)注意孔隙率-強(qiáng)度-抗磨損能力-抗開裂能力-抗變形能力的協(xié)調(diào)。
（5）透水混凝土在使用過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行定期維護(hù)，以保障其滲透能力。同時(shí)，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)當(dāng)采取措施，通過(guò)合理的路面高度、過(guò)濾和沉降設(shè)計(jì)，來(lái)降低透水混凝土中孔隙被阻塞的風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)今，透水混凝土應(yīng)用的主要目的是水資源、環(huán)境保護(hù)和防止城市降雨期間的洪澇災(zāi)害，其作用方式是將其表面的水分通過(guò)自身和基層原地滲透或就近滲透至土壤中，從而維護(hù)局部地區(qū)的地下水位、凈化水質(zhì)、減小城市排水系統(tǒng)的排水負(fù)荷和低洼地區(qū)的雨水聚集。當(dāng)前，透水混凝土主要用于建造停車場(chǎng)、人行道和低交通負(fù)荷要求的行車路面（如公園、小區(qū)或停車庫(kù)至主干道的道路），用于收集降雨期間降落在其表面的雨水，同時(shí)，還可收集附近普通混凝土制備的路面和停車場(chǎng)、草坪和屋面等排放的雨水。除了具有滲水功能外，透水混凝土還具有增大摩擦力和吸聲性能的特點(diǎn)。
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