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(shí)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(dāng)補(bǔ)充。本文闡述了透水性混凝土的研究背景與意義,并對(duì)其概念和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，然后就其結(jié)構(gòu)、原料、配合比設(shè)計(jì)和透水性能進(jìn)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(jì)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(yán)重受阻、市民出行艱難，并給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。究其原因，除了降雨強(qiáng)度巨大、城市地下排水管網(wǎng)排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(rèn)為是一個(gè)重要的因素。

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(huì)導(dǎo)致大量積水，而“干渴”的地下又得不到雨水的滋潤(rùn)，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(duì)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(guó)一些大中型城市以及經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)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(hù)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(dá)到上述目標(biāo)的一種措施，我國(guó)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(shí)卻忽略這一點(diǎn)。在強(qiáng)度要求不是太高和交通負(fù)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(jī)動(dòng)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(chǎng)、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(chǎng)等。在德國(guó)，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(jì)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(qiáng)度的高低和孔隙情況，可分為“強(qiáng)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(guó)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(dá)國(guó)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(chǎng)、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(chǎng)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(guó)的Abertay Dundee大學(xué)的Wolfram Schluter和Chris Jefferies對(duì)混凝土的透水性能和排水性能進(jìn)行研究，他們?cè)谔K格蘭中心廣場(chǎng)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(guó)，透水性混凝土一般不含細(xì)骨料，稱為無細(xì)集料混凝土。美國(guó)的佛羅里達(dá)，新墨西哥和猶它州已將無細(xì)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(yàn)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(guó)還將透水性混凝土大量用于網(wǎng)球場(chǎng)的建設(shè)，其60%的網(wǎng)球場(chǎng)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(hù)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(duì)以水泥為膠凝材料的透水性混凝土進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，并將其用于公園內(nèi)的道路、廣場(chǎng)等實(shí)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(jí)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(guó)對(duì)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(guó)建筑材料科學(xué)研究院率先在國(guó)內(nèi)進(jìn)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(qiáng)度一般可達(dá)到20MPa左右。2000年清華大學(xué)土木工程系的楊靜和蔣國(guó)梁采用摻入硅灰的方法，使透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度提高到35.5MPa，透水系數(shù)為2.9mm/s，取得了突破性進(jìn)展。但是，總體上講，我國(guó)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(rèn)識(shí)尚不一致，也無標(biāo)準(zhǔn)可循，要使該混凝土得到普遍認(rèn)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(jí)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(jí)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(shí)亦對(duì)混凝土的強(qiáng)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(shí)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(shí)、養(yǎng)護(hù)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(bǔ)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(jì)

　　水泥：一般選用42.5級(jí)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(qiáng)度，可摻入少量高活性混合材料，如硅灰等。

　　骨料：骨料的級(jí)配是決定其強(qiáng)度和透水性的重要指標(biāo),為了保證強(qiáng)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(jí)，如10～20mm。此外，對(duì)骨料自身強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，進(jìn)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(jì)，到目前為止還沒有成熟的計(jì)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(rèn)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(jì)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(gè)整體而產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，但又不能將骨料之間的孔隙填充密實(shí)。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(jì)方法。即首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定選用的材料，并測(cè)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(jì)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(jí)配及粒徑范圍；

（2）測(cè)定所選粒徑集料的表觀密度和緊密堆積密度；

（3）計(jì)算單位體積集料用量；

（4）計(jì)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(jìn)行試配和混凝土成型；

（7）測(cè)試性能，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)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(shí)，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(diǎn)就是透水能力強(qiáng)，如何檢測(cè)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(yàn)方法測(cè)定。采用的水頭差不同時(shí)，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)。孔隙率越大，透水系數(shù)越大；孔隙率相同時(shí)，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(fù)擔(dān)型混凝土研究委員會(huì)”提出的透水系數(shù)的測(cè)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(gè)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(yàn)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(cè)定從水槽出水口流出的水量Q（mm3）和出水時(shí)間t(s)△，參照日本JIS A 1218規(guī)定的土壤透水性試驗(yàn)方法，按下式求出透水系數(shù)K：

 

               

　　中國(guó)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(dāng)處于15～25％范圍時(shí)，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(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。

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(jìn)入一個(gè)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(jìn)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?jiān)瓷鐓^(qū)內(nèi)一段約260米長(zhǎng)的道路作為實(shí)驗(yàn)路段。經(jīng)過測(cè)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(huì)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(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)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(qiáng)度是下一步的研究重點(diǎn)。特別是對(duì)于用于道路工程的透水混凝土，無論在選材、施工、養(yǎng)護(hù)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(shí)間的延長(zhǎng)，透水性混凝土的透水、排水性能會(huì)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?xí)r應(yīng)摻加適當(dāng)?shù)臏p水劑和引氣劑，同時(shí)采用一些堅(jiān)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(jià)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(guó)目前還沒有制定透水性混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)透水性混凝土的研究，制定相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和施工章程等也成為當(dāng)務(wù)之急。

 

 

 

 

參考文獻(xiàn)

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(guó)建材科技,1994,4(3):1-5