高强度透水混凝土在城市道路应用

高强度透水混凝土在城市道路的应用我国南方地区主要位于亚热带地区，有着太阳曝晒、高温、多雨的地域特征，现行城市道路路面主要为普通混凝土或者沥青混凝土。

随着城市地面的硬化，生态绿化面积也在不断的减少，大量的热岛现象、城市的内涝、行驶噪音等也愈来愈影响着人们的日常生活，人们在享受着城市道路完善带来的便利生活的同时，也正在为此承担自然生态反噬的代价。

普通混凝土铺筑的路面，有着较强的吸热能力，又缺乏透水性和透气性，雨水难以渗入地下，致使地表的植物由于缺乏对城市地表温度、湿度的调节能力，产生了所谓的“热岛现象”；不透水的道路表面容易积水，特别到了雨季，路面湿滑，更甚至会产生城市内涝现象，对城市的排水系统及下游的江河湖泊都会带来不小的压力；如果能在路面增加蜂窝状的空隙结构，可以打通路面上下的水流生态系统，活性的水流生态系统也可以带走不少积聚在道路表面的热量，降低热岛效应。

透水沥青混凝土的出现为城市道路带来了希望，拥有蜂窝状的结构，贯通路面上下的水流系统，以及沥青路面自身优于混凝土路面的吸声性能，大大降低了城市道路积聚的热岛、内涝及噪声影响。

但透水沥青昂贵的造价也给城市建设带来沉重经济负担，加之其生产过程污染严重，在夏季高温下受热溶解后产生的刺激的气味也影响人们的正常生活，这都导致透水沥青混凝土路面在南方地区无法大规模的推广使用。

近年，在国外的许多地方已经大规模的使用透水混凝土结构，在去年的上海世博会会馆，也首次尝试性的使用这种新型建材，它与透水沥青同样具有蜂窝状的结构特点，可以有效地改变地表的热量平衡，自然打通地面上下水份和热量的流通，而且，凭借其特有的多孔吸声结构，在高楼林立、高架道路及空中航线增多的城市中，可以有效吸收这些高处噪音投射到地面上的声波，降低噪音的污染。

相较之下，透水混凝土比沥青具有更强耐磨性能，使用过程中也不会出现高温溶解现象，其造价也没有透水沥青昂贵，可以减少城市建设中的经济投入。

目前，透水混凝土在我国国内还是处于探索阶段，而且，国家还没有相关的规范及技术要求作为指导，广东地区对其的使用经验更是一片空白。

在广州某亚运场馆改造工程中，我们通过借鉴上海世博对透水混凝土的使用经验，建立了试验段尝试地应用了这一新型材料进行场馆路面的改造。

1.工艺原理根据透水混凝土的结构模型可知，透水混凝土的原料决定了其表面都比较粗糙，其强度主要依靠包裹在骨料表面的硬化的水泥浆体将骨料粘结而形成，另外还作用有骨料间的咬合力。

但由于水泥凝胶层比较薄，水泥凝胶体与粗骨料界面之间的胶结面积小，骨料颗粒间的连接点处也最容易被破坏。

因此，透水混凝土的核心技术就在于要寻找到渗透性能与强度性能的平衡点，首先考虑孔隙率，一般以骨料被浆体包裹，没有较多水泥浆流出为恰当。

所以研究高强度透水混凝土技术，必须在选材、配合比及精细施工上共同作用，才能使透水混凝土路面既具有良好的透水性，又具有足够的强度。

2.选料工艺透水混凝土主要由胶结剂、粗骨料、水组成。

其强度的形成大体分为两部分：一部分是由粗集料形成的骨架提供，因为石子的强度大于混凝土的设计强度；另一部分来源于硬化浆体和粗集料之间的界面粘结，粘结强度主要来源于水泥水化形成的凝胶。

⑴胶凝材料：在保证孔洞率的情况下，为保证强度，选用高标号水泥。

另外，加入一定量的胶粉以增加界面强度。

随着胶粉掺量的增加，透水混凝土的强度增大，但在掺量超过水泥含量的10%的情况下，混凝土的透水性能下降明显，因此，胶粉的最佳掺量在10%左右。

⑵骨料：骨料是透水混凝土的主要组成材料，常用的骨料为河卵石和人工破碎的碎石，卵石表面光滑，没有棱边、多呈现球形或蛋形，碎石则具有粗糙的表面和棱边，呈棱角形；骨料的表面状态影响与水泥石的粘结强度，从而影响透水混凝土的抗压强度，在相同配合比并且骨料粒径较大时，由碎石配置的透水混凝土抗压强度明显低于卵石配置的；当粒径较小时，由于碎石与水泥浆体粘结强度较高，碎石配置的透水混凝土抗压强度高于卵石的；由碎石骨料配置的透水混凝土透水系数也明显大于卵石骨料配置的。

骨料品种对透水混凝土性能的影响较为显著。

骨料粒径越小，骨料的堆积密度越大，粒径间的接触点越多，配置透水混凝土抗压强度越高，透水性越低。

骨料粒径越大，比表面积越小，所形成的结构骨料单位体积内骨料颗粒之间接触点数量少，胶结面积越小，虽然可以提高透水混凝土的透水性，但会降低抗压强度。

在相同配合比下，透水混凝土的抗压强度随着骨料粒径的增大而显著降低；透水系数随着骨料粒径的增加而增大，呈非线性关系。

经过试验对比，确定采用粒径为4.75-9.5mm的单级配碎石骨料。

⑶掺合料：为了提高耐久性和浆料的抗折强度，并保持生态环境，必须选用活动掺合料或提高性能矿物外加剂，如粉煤灰、高炉矿渣等。

⑷外加剂：选用性能好的高效减水剂或缓凝高效减水剂。

3.配合比的确定当前透水混凝土配合比确定的方法主要为质量法、体积法和比表面法，我们此次采用体积法进行研究。

根据透水混凝土所要求的孔隙率和结构特征，粗集料在紧密堆积的情况下，经胶结材浆体适当填充，并在表面均匀包裹之后粘结在一起，凝结后就形成了连续多孔的结构，余下的空隙空间既是目标设计的空隙。

确定主要参数⑴确定粗骨料的孔隙率及用量在使用状态下测得粗骨料紧密堆积密度、表观密度，从而求得此状态下粗骨料的孔隙率p。

每m3混凝土中粗骨料的用量为其紧密堆积状态下的质量×0.98（折减系数）。

经试验得到粗骨料表观密度为2655kg/m3；紧密堆积密度为1485kg/m3;空隙率为45%；可确定1m3混凝土中粗骨料的用量为=1485*0.98=1455kg/m3；⑵目标孔隙率透水混凝土的孔隙有三种，第一种是封闭的孔隙；第二种是开口但不连续的空隙，这两种孔隙存在过多对混凝土透水性都是不利的。

第三种是贯穿混凝土且连续的有效孔隙，它是混凝土具有透水性的主要因素。

透水性能随孔隙率的增加而增大，与此同时强度也逐渐下降，因此，在满足透水性要求的基础上，尽量降低混凝土的孔隙率，有助于混凝土强度的提高，经过试验发现，孔隙率在20%左右时，混凝土的透水率达到4mm/s，满足设计要求，由此确定目标孔隙率为20%。

⑶水灰比水灰比既影响透水混凝土的强度，有影响其透水性。

对不太粒径、不同颗粒形状的骨料，其合理水灰比不同。

当水灰比太小，水泥浆过稠，水泥浆较难均匀地包裹在粗骨料颗粒表面，不利于强度的提高；水灰比过大，水泥浆过稀，水泥浆又会从骨料颗粒表面滑下，包裹粗骨料颗粒表面水泥浆过薄，不利于强度的提高，同时由于水泥浆流动性过大，水泥浆可能把透水空隙部分或全部堵实，既不利于透水，也不利于整体强度的提高。

由于透水混凝土的塌落度为0，采用传统的塌落度检测方式已经不合适，透水混凝土的水灰比决定着浆体流动性，以具有最佳工作状态时透水混凝土的w/c为标准，w/c小于最佳水灰比的通过加入减水剂调整至相同状态，从而满足了不同w/c下透水混凝土均处于最佳工作状态。

试验试拌取w/c范围为0.25-0.4.水灰比分别取0.25、0.30、0.35、0.40进行试配，试验结果如下：由试验数据，在水灰比取0.3时，混凝土的透水性能最优，强度也符合要求。

4.搅拌摊铺工艺4.1搅拌工艺由于透水混凝土要求疏松，因此，不能按传统的混凝土搅拌工艺和摊铺方式进行。

在该项目试验段的研究中，通过特殊的二次搅拌工艺，使有限的胶凝材料充分的包裹集料，均匀分布，以使粘结效果达到最佳；采用滚轮碾压摊铺控制混凝土密实度，保证其良好的透水性能，又不会因为过于疏松而降低强度。

施工中，采用自落式搅拌机进行搅拌，为使有限的胶凝材料更好的分布于集料表面，宜采用二次搅拌的方式进行搅拌。

第一步，先加入三分之二的胶凝材料及掺合料、全部的水外加剂和石子，先稀拌30秒，使石子全部被砂浆包裹。

第二步，全部的胶凝材料和掺合料一齐搅拌30秒。

采用一次搅拌工艺时，搅拌时间不应小于60秒。

由于透水混凝土的胶凝材料用量少，搅拌工程是一个非常重要的工艺过程，要做到搅拌均匀、充分，以使有限的胶凝材料能充分的发挥作用，因此，搅拌过程必须严格的加以控制。

4.2摊铺成型方法的不同直接影响透水混凝土的性能指标。

当前主要由加压成型、振捣成型及插捣成型三种。

本次透水混凝土的摊铺采取了加压1mpa、2 mpa、3 mpa和振捣5s、10s、15s以及每层插捣10次、15次、20次成型方法的对比试验。

采用100mm×100mm×100㎜立方体试模，试件成型后，标准养护28d后分别进行混凝土透水系数、强度及孔隙率的测定，结果如下：试验结果可知：采用插捣15次、振捣10s，加压2 mpa的成型方法，均能获得良好的透水混凝土；对比三种成型方式：加压2 mpa 的成型方法得到的透水混凝土强度、透水系数、连通孔隙率更由于其余两种成型方法。

施工应用中，摊铺时采用人工摊铺，摊铺后用专用的进口透水混凝土专用摩擦整平机进行碾压，碾压强度控制在2mpa左右，以透水混凝土孔隙率达到设计孔隙率为准进行碾压。

最后，根据工程实际的需要，采用高压喷枪进行喷漆处理。

此次进行的高强度透水混凝土施工，第一次把这种新工艺运用到南方高温高热的环境中，作业完成后，正好经历三至六月的雨季及六至十月的高温天气，其预期的使用功能完全满足目标期望值，在雨季通畅的排水性能，在夏季也有效的降低城市中心的热岛效应；其生态性能的有益性，将会在未来得到体现。

此次率先在广东地区使用了高强透水混凝土，虽然只是初步的应用在场馆基础建设上，但通过此次的大胆尝试，已经可以初步掌握这种新型建设的特性，为大规模的应用在市政基础设施上奠定了相当的基础经验。

虽然当前透水混凝土的造价相对较高，但其使用功能的优越性及对生态环境的有益性，更有利于城市建设中所提出的可持续性发展的目标，必将得到大规模的推广。