高小建, 陳鐵鋒, 蘇安雙

(1.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150090; 2.黑龍江省水利科學研究院,黑龍江 哈爾濱 150050)

透水混凝土又稱多孔混凝土，通常是由單粒級粗骨料、少量砂或無砂、膠凝材料、水，以及外加劑拌和并經(jīng)振動或壓制成型的一種新型生態(tài)混凝土材料。透水混凝土在成型硬化后依然存在較多的連通孔，使其具有良好的透水、保水與透氣能力，一方面可以解決強降雨造成的城市內(nèi)澇問題，另一方面通過雨水的快速滲入補充地下水資源，有利于植物的生長和熱量、水分的流通，緩解城市的“熱島效應(yīng)”。

由于透水混凝土優(yōu)越的環(huán)境、生態(tài)效應(yīng)，自20世紀開始便得到了廣泛的關(guān)注。1979年，美國首次使用透水混凝土建設(shè)了有透水功能的停車場，并獲得了透水混凝土的發(fā)明專利；20世紀80年代起，日本推行的“雨水滲透計劃”中大量應(yīng)用了透水混凝土；德國自20世紀80年代起不斷致力于路面的透水改造，計劃于2010年完成城市路面的透水化。在我國，對于透水混凝土的研究始于20世紀90年代，經(jīng)過十幾年的研究，透水混凝土的應(yīng)用愈加廣泛，比較典型應(yīng)用如2008年北京奧林匹克公園和2010年上海世博會園區(qū)的廣場、停車場、人行道等部位。

目前，對于透水混凝土的研究主要集中于透水混凝土的配合比設(shè)計、成型方法、養(yǎng)護方式及各因素對力學性能、耐久性能和透水性的影響。由于透水混凝土中一般含少量或不含細骨料，粗骨料被漿體包裹，主要通過粗骨料之間的咬合摩擦以及骨料表面水泥漿體黏結(jié)成整體，其力學強度和耐久性均低于普通密實混凝土。因此需要通過制備工藝的優(yōu)化，提高透水混凝土的力學性能和耐久性能。本文主要就透水混凝土的原材料選擇與配合比設(shè)計、制備工藝、力學強度和耐久性能等方面總結(jié)分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

1 原材料選擇與配合比設(shè)計

透水混凝土屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，其強度主要來自于粗骨料之間的咬合力以及水泥漿體的黏結(jié)力。因此骨料、水膠比和礦物摻合料在配合比設(shè)計中至關(guān)重要。

1.1 骨 料

通常來說，為了制備出透水性和強度較為理想的透水混凝土，應(yīng)嚴格控制骨料的性能指標。顆粒形狀對粗骨料間咬合力影響較大，因此應(yīng)盡量選擇棱角更多的碎石。骨料的粒徑大小也會對透水混凝土的強度產(chǎn)生影響。骨料的粒徑越小，骨料間的接觸點越多，其強度也越高，但混凝土的透水性能也會下降。Cosic等[1]研究了白云石骨料和鋼渣骨料以及不同的粗細骨料比例對透水混凝土抗壓強度和透水率的影響。結(jié)果表明：白云石骨料成型的透水混凝土孔隙率高于鋼渣骨料；由于水泥漿體會滲入鋼渣表面的孔隙，鋼渣骨料透水混凝土的內(nèi)部咬合力更強，其抗壓強度也更高。Lian等[2]對比研究了石英石、白云石及石灰石等三種類型粗骨料對透水混凝土性能的影響，結(jié)果顯示白云石骨料透水混凝土抗壓強度更高，耐磨性更好；而石英石表面容易附著大量氧化鐵雜質(zhì)，導(dǎo)致與膠凝材料黏結(jié)較差，因此不適合作為透水混凝土骨料使用。Gaedicke等[3]研究了以再生骨料、人造沸石為骨料的透水混凝土的力學性能。結(jié)果表明：隨著再生骨料的混合比例增加，透水混凝土的抗壓和抗彎強度分別提高了50%和75%；當孔隙率為20%、再生骨料替代率為50%時，透水混凝土的性能較好。楊婷惠[4]研究了粗骨料粒徑對透水混凝土力學性能的影響。結(jié)果表明：在水灰比0.28，設(shè)計孔隙率為20%的情況下，碎石的最佳粒徑為9.5～16.0 mm，卵石的最佳粒徑為4.75～9.50 mm。砂率同樣會影響透水混凝土抗壓強度。Boniceuli等[5]研究了摻入砂對透水混凝土性能的影響。結(jié)果表明：砂的摻入能明顯改善透水混凝土的力學性能，其中抗拉強度最大可提升70%、剛度最大可提升35%；同時摻入砂的效果也受到水灰比的影響，當水灰比較低時，砂的摻入對力學性能影響也較低。張國強等[6]研究了砂率、水膠比、設(shè)計孔隙率對力學強度的影響。結(jié)果表明：砂率對透水混凝土抗壓強度的影響最大；當砂率在2%～4%、設(shè)計孔隙率在20%、增強劑摻量在5%時，透水混凝土強度及透水系數(shù)均達到了較好的狀態(tài)。付培江等[7]研究表明：透水混凝土的最佳砂率約為12%；當砂率大于最佳砂率時，粗、細骨料總表面積的增大會導(dǎo)致膠凝材料不足以在粗細骨料之間形成有效的膠結(jié)，導(dǎo)致透水混凝土強度下降。

1.2 水膠比及骨膠比

水膠比與骨膠比是影響透水混凝土性能的重要因素。水膠比一般介于0.25～0.40之間，當水膠比過小時，漿體過稠，混凝土拌和物和易性、工作性較差；當水膠比過大時，過稀的膠結(jié)漿體會封住透水孔隙，造成“封底”現(xiàn)象。Nguyen等[8]研究了水膠比與水灰比對透水混凝土力學強度、透水性能的影響，并通過對粗骨料表面包裹的水泥漿體厚度的預(yù)測，建立了針對某一特定強度和孔隙率的透水混凝土配合比設(shè)計方法。劉東等[9]研究顯示透水混凝土抗壓強度不會隨著水膠比的減小而一直增大，而是存在一個極值點。王培新等[10]的研究顯示，當水膠比在0.3左右、骨料用量為1550 kg/m3時，隨著水泥用量的增加，透水混凝土的抗壓強度與抗折強度均升高，但水泥用量超過400 kg/m3后強度的增長開始明顯放緩。張賢超[11]針對透水混凝土設(shè)計中骨料級配、水膠比、骨膠比等參數(shù)，建立了各參數(shù)與透水混凝土性能之間的回歸方程，認為透水混凝土的水膠比適宜范圍為0.29～0.33，骨膠比適宜范圍為4∶1～5∶1，砂率適宜范圍為6%～10%。

1.3 礦物摻和料

礦物摻和料能使透水混凝土中膠結(jié)材料的和易性、力學性能和耐久性能得到改善，有效提高其各項性能。Li等[12]在透水混凝土中摻入了硅灰及粉煤灰，采用活性粉末混凝土漿體作為粗骨料間的膠結(jié)材料，得到了抗壓強度61.37 MPa、透水系數(shù)13.02的高性能透水混凝土；Yang等[13]研究了硅灰和高分子聚合物對透水混凝土性能的影響，結(jié)果顯示硅灰和減水劑能有效提高透水混凝土的強度，其中抗壓強度最高可達到50 MPa，且只要將容重控制在1900～2100 kg/m3的范圍內(nèi)，就能夠保證較好的透水性能；高分子聚合物能有效提高透水混凝土抗壓強度，但對透水性能影響較小，且由于摻量較大，導(dǎo)致成本偏高。

西南交通大學孫宏友[14]研究了透水混凝土性能指標的影響規(guī)律，結(jié)果顯示硅灰與粉煤灰摻量均對透水混凝土強度有明顯影響，而對透水性能影響不大；為了保證強度和透水性，硅灰的最佳摻量為2.5%～5%，粉煤灰的最佳摻量為10%～15%。山東大學樓俊杰[15]研究了礦物摻和料對透水混凝土耐久性的影響。凍融循環(huán)試驗結(jié)果表明，粉煤灰可降低凍融循環(huán)下透水混凝土質(zhì)量損失；硅灰對透水混凝土抗凍性能的提升效果較粉煤灰更加顯著；石英砂對透水混凝土抗凍能力影響不大；礦粉對抗凍能力的提升較明顯，但對動彈性模量影響不大。李子成等[16]研究了粉煤灰和礦渣單摻和雙摻部分取代水泥作為膠結(jié)料對透水混凝土的影響。結(jié)果顯示：單摻礦渣使透水混凝土早期強度降低，后期強度先升高后降低。粉煤灰和礦渣的雙摻對膠結(jié)料各組分的水化具有協(xié)同促進作用，顯著提高透水混凝土的強度。當粉煤灰摻量為15%～20%，鋼渣摻量為10%～15%時，透水混凝土的抗壓強度較高。王培新[10]的研究結(jié)果顯示，與摻粉煤灰相比，摻礦渣的透水混凝土早期抗壓強度發(fā)展更快，且28 d強度更高。這主要是由于礦渣顆粒的粒徑比粉煤灰小，早期活性更大。

2 透水混凝土的制備方法

2.1 攪拌方法

透水混凝土的攪拌方法主要分為兩種：一次投料法和二次投料法。其中，二次投料法又分為水泥裹石法和預(yù)拌砂漿法。一次投料法是將骨料、膠凝材料、水和外加劑一起加入攪拌器內(nèi)，攪拌3～5 min；水泥裹石法是根據(jù)透水混凝土特點設(shè)計的攪拌方法，先將全部的骨料和一部分膠凝材料和水進行預(yù)先攪拌，隨后加入剩余的水和膠凝材料；預(yù)拌砂漿法是先將配置好的膠凝材料和細骨料均勻拌和，之后投入粗集料進一步攪拌均勻。二次加料法由于改變了加料順序，水泥漿體在預(yù)先攪拌中可以比較均勻地包裹于骨料表面，在骨料之間起到潤滑作用，有利于攪拌均勻。預(yù)攪拌過程中骨料表面得到了有效的潤濕和清洗，避免了骨料表面的雜質(zhì)形成強度較低的黏結(jié)過渡帶，能有效提高透水混凝土的強度。

張朝輝等[17]對比了采用不同攪拌方法透水混凝土的透水系數(shù)及抗壓強度，發(fā)現(xiàn)相比于一次投料法，采用水泥裹石法可以使透水系數(shù)由20.1 mm/s提高到22.3 mm/s；7 d抗壓強度提高了26.9%，28 d抗壓強度提高了27.2%。孫宏友[14]的研究結(jié)果則顯示，相比于一次投料法，水泥裹石法則能使抗壓強度提高15%左右；一次投料法與水泥裹石法的透水系數(shù)相近，而預(yù)拌水泥漿法則會使透水系數(shù)略有降低。董建忠[18]的研究顯示，采用水泥裹石法的透水混凝土透水系數(shù)相比于一次投料法下降了2.2%，而抗壓強度提高了3 MPa左右。

2.2 成型工藝

成型工藝對透水混凝土的各項指標均有著顯著的影響。目前國內(nèi)透水混凝土路面的成型工藝主要包括攤平后用輕型碾壓機壓實和攤鋪掛平后振動輥壓整平兩種方法[19]。實驗室中制備透水混凝土時，主要可以采用手工插搗成型、機械振動成型、壓制成型等方法。

吳冬等[20]比較了手工插搗成型和機械振搗成型對透水混凝土的影響，發(fā)現(xiàn)手工插搗成型的試塊上下層較均勻，但堆積相對松散；機械振搗成型的試塊堆積緊密，但漿體容易在下部沉積。徐仁崇等[21]綜合研究了振動成型、壓力成型和插搗成型對透水混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用振動成型方法時，隨著振動時間的增加，抗壓強度先增大后減小，透水系數(shù)逐漸降低，震動時間宜控制為8～12 s；采用壓力成型方法時，隨著成型壓力的增加，抗壓強度先增大后減小，透水系數(shù)降低，成型壓力宜控制為60～80 kN；插搗成型可以獲得較高的透水系數(shù)，但混凝土的抗壓強度較低。張勇等[22]研究了沖壓成型對透水混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，沖壓成型透水混凝土各齡期強度和透水系數(shù)均高于振動成型透水混凝土；沖壓成型可以緩解漿體下沉現(xiàn)象，成型試塊漿體分布更加均勻。陳愛玖等[23]的研究結(jié)果顯示壓制成型中，當成型壓力為1.0 MPa時抗壓強度達到最大，之后隨著成型壓力的增大而減?。煌杆炷量紫堵孰S著成型壓力的增大而減小。

2.3 養(yǎng)護方式

由于透水混凝土結(jié)構(gòu)空隙較多、孔隙率較大，在養(yǎng)護過程中，骨料顆粒表面包裹的漿體與空氣接觸面積明顯大于普通混凝土，水分蒸發(fā)速度更快，可能導(dǎo)致失水過多，膠凝材料水化不完全，嚴重影響透水混凝土后期強度增長。因此，相比于普通混凝土，透水混凝土對養(yǎng)護條件的要求更高。

張朝輝等[17]研究了自然養(yǎng)護和覆蓋薄膜保濕養(yǎng)護對透水混凝土強度的影響。結(jié)果顯示：自然養(yǎng)護對透水混凝土的強度發(fā)展非常不利，7 d和28 d強度均較低，水泥石表面出現(xiàn)起灰現(xiàn)象，導(dǎo)致黏結(jié)面積降低；覆蓋薄膜養(yǎng)護效果較好，相比于自然養(yǎng)護7 d和28 d強度分別提高了23.5%和25.4%。Kevern等[24]采用爐渣、塊狀黏土等吸水材料作為輕骨料透水混凝土的骨料，在制備前對其進行飽水處理，吸收的水分在養(yǎng)護過程中的緩慢釋放會提高透水混凝土孔隙內(nèi)部濕度，達到內(nèi)養(yǎng)護的效果。結(jié)果顯示：內(nèi)養(yǎng)護方法能使透水混凝土內(nèi)部水泥漿體的水化程度提高10%左右，抗壓強度得到明顯提高，同時減小了干縮變形。

3 透水混凝土的基本性能

3.1 工作性能

新拌混凝土的工作性一般通過流動性、搗實性和黏聚性進行表征。普通混凝土的工作性能可以通過塌落度法和維勃稠度法進行測定。然而，由于透水混凝土的塌落度較小，普通方法測定的塌落度為0，屬于干硬性混凝土，因此普通測試方法不適用于透水混凝土。

浙江大學程娟[25]通過跳桌法測試混凝土漿體的流動度，以此表示透水混凝土的流動性。該方法的優(yōu)點在于工作性指標化，方法簡便易行。而缺點在于單純以水泥凈漿的流動度來評價混凝土的流動性，忽略了骨料之間的摩擦阻力。東南大學張賢超[11]、中南大學陳瑜等[26]借鑒了日本水泥協(xié)會的混凝土稠度評價方法，將混凝土拌和物裝入圓柱筒中，均勻地抽出圓柱筒后觀察拌和物的狀態(tài)，其分級見表1，其中等級A、B表示漿體稠度過大，等級D、E表示稠度過小，等級C為標準狀態(tài)。

表1 新拌透水混凝土工作性評價

長安大學盛燕萍等[27]通過富余漿量法對透水混凝土的工作性進行評價。該方法將一定質(zhì)量的拌和物裝入2.36 mm的方篩，將方篩振動一定時間，稱量透過方篩的水泥漿量，得到的富余漿量與混合料質(zhì)量的比值即為富余漿量比。該方法充分考慮骨料間摩擦阻力和水泥漿的黏聚力，避免了傳統(tǒng)的依靠主觀的視覺判斷混凝土拌和物狀態(tài)，將工作性評價方法量化。

3.2 透水性能

作為透水混凝土的重要特點，透水性能是評價其優(yōu)劣的重要指標。Pieralisi等[28]對透水混凝土的堆積方式進行了數(shù)值建模，通過透水混凝土骨料粒徑、骨膠比等參數(shù)較為準確的預(yù)測其透水系數(shù)。Martin等[29]建立了透水混凝土中垂直孔分布與透水系數(shù)的關(guān)系，并得到了通過孔隙率計算透水系數(shù)的方法。徐偉等[30]研究認為當透水混凝土設(shè)計孔隙率小于10%時，混凝土不具備連續(xù)的孔隙，透水系數(shù)很低；當設(shè)計孔隙率大于15%時，混凝土具有連續(xù)的孔隙和較大的透水系數(shù)。佟鈺等[31]研究了再生骨料透水混凝土的透水性能，認為采用二次攪拌和插搗工藝能顯著提高透水性能；隨著再生骨料粒徑的增大，透水混凝土的透水能力提高，但力學性能下降，這是由于混凝土孔隙率提高，且粗骨料裂紋缺陷濃度提高造成的。

3.3 耐久性

透水混凝土中，骨料通過一層薄漿體相互連接，形成透水混凝土典型的多孔結(jié)構(gòu)基質(zhì)，這些孔相互連接形成聯(lián)通通道。因為骨料間連接面積小，黏結(jié)強度也相應(yīng)減少，使透水混凝土在破壞性應(yīng)力下容易開裂[32-33]。盡管透水混凝土中孔隙率較高，但在特定的使用條件、不飽和或部分飽和的狀態(tài)下，透水混凝土在寒冷氣候下仍然會發(fā)生凍融破壞。

劉星雨[34]研究了影響透水混凝土抗凍融能力的因素，發(fā)現(xiàn)配合比設(shè)計中骨料粒徑、水灰比、骨漿比、砂率等參數(shù)對透水混凝土抗凍性的影響較大，其影響程度依次降低。透水混凝土的抗凍性隨著骨料粒徑減小而提高、隨水灰比的增大而降低、隨漿體骨料質(zhì)量比的增加而提高，得出了1～2 cm骨料粒徑、0.25的水灰比、0.245的漿體骨料質(zhì)量比為最佳設(shè)計參數(shù)的結(jié)論。朱峰[35]的研究結(jié)果顯示，透水混凝土的凍融破壞主要是因為毛細孔內(nèi)部水的凍脹拉應(yīng)力無法釋放，導(dǎo)致了內(nèi)部微裂縫的開展；摻入適量的聚丙烯腈纖維和塑鋼纖維能有效提高透水混凝土的力學性能和抗凍性能，其中強度提高了近30%，抗凍性能提高了55%。Wu等[36]指出透水混凝土的抗凍性與其強度有著很強的聯(lián)系；摻入多聚物纖維和乳膠能夠有效提高透水混凝土的抗凍性。

4 結(jié) 語

透水混凝土作為一種新型的生態(tài)、環(huán)保型材料，愈加受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。由于其多組分、高孔隙率的特點，其各項性能的變化規(guī)律和影響因素較為復(fù)雜。目前對于透水混凝土的研究主要集中在宏觀方面，今后應(yīng)深入研究透水混凝土微觀組成、孔隙結(jié)構(gòu)和界面微裂縫發(fā)展對其性能的影響，逐步改善其工程上的實用性，以便未來將透水混凝土更大規(guī)模的應(yīng)用于我國“海綿城市”和水利護坡等工程項目建設(shè)。