透水混凝土廣泛應(yīng)用于公園、廣場、人行道以及停車場等處，它可以還原雨水循環(huán)，緩解雨水流失，改善熱循環(huán)，有效抑制城市“熱島效應(yīng)”，還可以起到凈水的作用。本文通過透水混凝土的強度、抗凍耐久性、表面耐磨性和透水混凝土的凈水作用對透水混凝土的耐久性能進行研究。

關(guān)鍵詞：透水混凝土耐久性強度抗凍耐久性表面耐磨性凈水作用

 引言

透水混凝土是歐美、日本等國家針對原城市道路的路面缺陷而開發(fā)使用的一種能讓雨水流入地下，有效補充地下水，緩解城市地下水位急劇下降等等的一些城市環(huán)境問題的優(yōu)良鋪裝材料。上世紀(jì)60年代后期，日本實施“雨水返還地下戰(zhàn)略”，該舉措積極推動了透水混凝土的研究開發(fā)工作，日本學(xué)者在1987年還為以有機高分子樹脂為膠凝材料制造的透水混凝土路面材料申請了專利[1]，2000年初，日本透水混凝土累計建設(shè)面積達到10萬平方米[2]。上世紀(jì)中期，美國將高滲透性混凝土引入公路與機場跑道建設(shè)領(lǐng)域，用以改善機場跑道和公路的排水能力和安全性能。上世紀(jì)80年代，透水混凝土在美國實現(xiàn)商業(yè)化，1991年底，佛州成立水泥混凝土協(xié)會，為透水混凝土進一步發(fā)展，提供持續(xù)性引導(dǎo)和建議[3]。

國內(nèi)對透水混凝土的研究開展時間較國外晚，實際應(yīng)用的也比較少，技術(shù)水平相對來說也比較低。1993年中國建筑材料研究院在原國家建筑材料工業(yè)局的資助下開始進行《透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究》，研制的透水性混凝土路面磚1995年開始在試點工程中應(yīng)用，并在1998年的部級鑒定會上通過專家委員會的一致認定，“透水性混凝土路面磚的技術(shù)性能達到國際領(lǐng)先水平”（建材鑒字[19987第27號]）[4]。2000年清華大學(xué)的楊靜及蔣國梁將硅灰摻入透水混凝土，使其抗壓強度達到35.5MPa,透水系數(shù)2.9mm。2006年長安大學(xué)的鄭木蓮對透水混凝土疲勞性能進行了系統(tǒng)研究，建立了不同應(yīng)力水平和等效應(yīng)力水平下的疲勞方程[5]。

透水混凝土是由特定級配的水泥、水、骨料、外加劑、摻和料和無機顏料等按特定配合比經(jīng)特殊工藝制備而成的具有連續(xù)空隙的生態(tài)環(huán)保混凝土[6]。透水混凝土大致可分為三種：水泥透水性混凝土、高分子透水性混凝土和燒結(jié)透水性混凝土。與不透水路面相比，透水路面可以還原雨水循環(huán)，緩解雨水流失，防止地面溫度上升，改善熱循環(huán)，有效抑制城市“熱島效應(yīng)”，吸音效果好，透水性能優(yōu)良，減少雨天夜間行車路面積水反光等優(yōu)點，并能有效的消除地面上的油類化合物等對環(huán)境的污染危害，Des poutset Chausses試驗室通過對透水混凝土的水質(zhì)凈化作用研究后，認為透水混凝土的過濾作用能夠使懸浮污染性粒子濃度下降到36%，鉛濃度下降到21%，透水混凝土能貯存污染性粒子，使這些污染性粒子不被水沖到地面上[7]。

透水混凝土的水膠比為0.25-0.35（通常為0.27[8]，孔含量通常在10-30%之間[9]，滲透率在0.2到3cm/s之間[10]，抗壓強度在10MPa-50MPa[11]?？刂仆杆炷翍?yīng)用的關(guān)鍵工程性能是抗壓強度，孔隙率，滲透率，抗凍融耐久性和表面耐磨性[12]。

1  透水混凝土性能

透水混凝土中，骨料通過一薄層漿體相互連接，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，使其具有透氣、透水的特性，如圖1所示。因為骨料間連接面積較小，骨料間的粘合強度也相應(yīng)的減少，這使得透水混凝土在破壞性應(yīng)力的情況下很容易開裂、松散和散裂[13,14]。有文獻指出，通過在透水混凝土中加入少量沙子和超細纖維可以得到可觀的強度和凍融耐久性[15]。下面通過透水混凝土的強度、抗凍耐久性、表面耐磨性和透水混凝土的凈水作用對透水混凝土的耐久性能進行研究。

1.1  抗壓強度

透水混凝土中的骨料是間斷級配的或者在一個標(biāo)準(zhǔn)的尺寸范圍內(nèi)，在硬化基質(zhì)中含有許多連通的中型氣孔，由于這些中型孔的存在，使得透水混凝土和普通混凝土相比，具有溫和的靜強度和獨特的動態(tài)性能。因為透水混凝土中含有大量的孔隙，粗骨料之間的膠結(jié)全靠水泥漿體，又由于連接粗骨料的水泥漿體非常的薄，導(dǎo)致透水混凝土中裂縫的分布受各相幾何結(jié)構(gòu)的影響很大。上述這些連接點是透水混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，往往破壞點也發(fā)生在這些地方，使得透水混凝土與常規(guī)混凝土的最終行為有很大的不同[16]。

有研究指出影響透水混凝土強度的主要因素包括透水混凝土孔隙率、水膠比、漿體性能、粗骨料的尺寸和體積含量[17]。Ayda S. Agar-Ozbek等人認為透水混凝土粗骨料的質(zhì)地、形狀和尺寸對透水混凝土的強度耐久性有重要影響[16]。透水混凝土中骨料的性能對漿體的流變性和力學(xué)性能有很重要的影響[18]。因為骨料粒徑大小也可以影響透水混凝土的性能，所以骨料的粒徑大小是控制孔徑分布的一個主要因素。骨料粒徑的增大可以增大粒度中值，但是對單一尺寸骨料的漿體來說，當(dāng)骨料尺寸變化時，總的來說對性能沒有太大的影響[19]。也有研究指出骨料的級配對透水混凝土的破壞方式有重要影響。當(dāng)用粗骨料和相對來說較細的骨料分別制備透水混凝土?xí)r，從圖2中可以看出，和粗骨料制備透水混凝土相比，細骨料制備透水混凝土裂縫更多的貫穿界面過渡區(qū)，而在粗骨料的情況下，裂縫一定是沿著最小阻力的方向發(fā)展，但是當(dāng)它遇到粗骨料，他會向著貫穿它的方向發(fā)展，而不是繞著粗骨料邊界延伸[16]。

1.2  抗凍耐久性

圖3所示為透水混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)模型。由圖可知，骨料間的交接點在透水混凝土受力時傳遞力的作用，粗骨料界面間的水泥漿體膠結(jié)面相對較小，且水泥膠結(jié)層很薄，該區(qū)域成為透水混凝土的力學(xué)性能裂化區(qū)，所以保證透水混凝土的孔隙率，提高膠結(jié)層強度、增加交接點的面積成為提高透水性混凝土強度及抗凍耐久性的關(guān)鍵[1,20]。

起初，一些學(xué)者認為透水混凝土具有較高的滲透率，它的孔不可能充滿水，因此，凍融破壞不可能發(fā)生在透水混凝土中，但是許多的實例證明在特定的使用功能和使用條件下，和普通混凝土相比，即使在不飽和及部分飽和的狀態(tài)下，透水混凝土在寒冷氣候下更容易發(fā)生凍融破壞。

在透水混凝土凍融試驗過程中發(fā)現(xiàn)透水混凝土的鹽凍破壞呈現(xiàn)兩種方式：一種是試件試驗面因水泥石剝落而損失的質(zhì)量隨凍融次數(shù)逐次積累，直到試驗面剝蝕到一定程度，若繼續(xù)進行凍融試驗，骨料顆粒開始剝落，最終骨料大量脫落而破壞；另一種是試件剝落物的質(zhì)量累積沒有表現(xiàn)出逐次增加的過程，而是在一次凍融循環(huán)中突然的增加，在隨后的凍融循環(huán)中表現(xiàn)為突然性碎裂[1]。試件破壞形式如下圖所示。

凍融早期質(zhì)量損失累積增長速度較快，質(zhì)量損失累積隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的增速隨漿體骨料質(zhì)量比的增加而減小，隨骨料粒級的增加而增加，礦粉、粉煤灰、減水劑、細砂的摻加顯著降低了這一增速，而硅灰的摻入以及水灰比的提高則加快了增加速度Kevern等人研究指出增加粗骨料的摻入量可以降低透水混凝土的抗凍融耐久性，在加入長纖維后，會提高它的抗凍融耐久性，但是它的滲透率會降低[21]。

在使用的過程中，透水混凝土的空隙會被表面積聚的細骨料堵塞，這影響了透水混凝土中水的傳輸，導(dǎo)致凍融耐久性的降低。針對這一問題，日本采用高壓清洗和真空吸附相結(jié)合的方法，或采用壓力為4-7Mpa的小型高壓清洗機清洗路面的措施來解決因粉塵和泥沙的堵塞而造成的透水路面透水功能的下降問題，并使透水功能恢復(fù)到初期的80%[22]。

1.3  表面耐磨性

骨料的種類可以很大的影響透水混凝土的表面耐磨性， Geadicke等人在分別研究了用原始粗骨料和再生粗骨料生產(chǎn)的透水混凝土耐磨性、孔隙率和抗壓強度得出，在試塊孔隙率相同的前提下，和用原始粗骨料生產(chǎn)的透水混凝土相比，再生粗骨料生產(chǎn)的透水混凝土的滲透率將近降低了20%，和石灰石碎塊和再生混凝土骨料相比，摻加小卵石的透水混凝土的表面抗磨性也將近降低了20%[9]。Kever等人研究指出用塑料模具養(yǎng)護和選用大豆油作為養(yǎng)護薄膜可以增大透水混凝土抗磨性[23]。也有研究將再生混凝土骨料和再生混凝土砌塊骨料用于生產(chǎn)透水混凝土，他們將上述再生骨料的摻入量分為0%、20%，40%，60%、80%和100%五個梯度，在所有的摻量梯度內(nèi)，摻入再生混凝土骨料的透水混凝土的表面耐磨性都有所提高，而對摻入再生混凝土砌塊骨料的透水混凝土來說，只有在摻量為20%時，透水混凝土的表面耐磨性才有所提高。研究者認為雖然再生骨料的性能要差于天然骨料，但是由于再生骨料表面多孔而且粗糙，在與水泥漿體混合時可以與其很好的膠結(jié)，從而增大透水混凝土的強度和表面耐磨性能[24]。

有研究指出加入橡膠的透水混凝土表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性能，如圖5所示。由圖5可以看出，增大橡膠摻量可以系統(tǒng)的提高透水混凝土的耐磨性能，這可能是因為纖維持有橡膠的能力可以保證水泥的完整性，這種完整性有利于透水混凝土的抗磨性能[25]，表面骨料不容易因為磨損剝落。

1.4  凈水作用

大量的研究顯示，透水混凝土的鋪裝不僅可以復(fù)原城市水文環(huán)境，又可以通過沉淀、離子交換、吸附、微生物新陳代謝等作用，去除雨水徑流污染物，顯著提高徑流出水水質(zhì)[26,27]。近年來，研究人員對透水混凝土鋪裝進行了大量的改性研究，經(jīng)過改性的透水混凝土鋪裝可以更加有效的去除雨水徑流中重金屬、有機物、烴、營養(yǎng)物質(zhì)（氮和磷）等污染物，可以更好的在源頭上控制雨水面源污染[28]。

典型的透水混凝土鋪裝由透水混凝土面層、基層、底基層、路基組成，其中面層和基層均有凈化去除污染物能力，可以通過物理化學(xué)等方法改性面層和基層材料，強化徑流水質(zhì)凈化效果[28]。透水混凝土面層的改性主要通過對水泥、粗骨料、配合比和面層表面處理實現(xiàn)。研究認為透水混凝土面層組分中對徑流污染物去除貢獻最大的材料為水泥，通過加入粉煤灰等工業(yè)廢棄物可以實現(xiàn)對透水混凝土膠凝材料的改性。這是因為粉煤灰中含有大量活性Al、Si，具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積較大，可以通過化學(xué)沉淀、靜電吸附以及離子結(jié)合的方式去除無機磷、無機氮、重金屬以及有機物等污染物質(zhì)[29,30]，但是粉煤灰的摻入量不能過大，這是因為粉煤灰呈堿性，摻入水泥會導(dǎo)致pH和電導(dǎo)率增大，建議粉煤灰添加量為水泥質(zhì)量的10%-20%。另外，由于膨潤土的特殊結(jié)構(gòu)使膨潤土層晶格具有靜電荷，可以吸附外部陽離子，從而凈化徑流污染物[31]。在透水混凝土中加入聚合物，可以同時提高透水混凝土的強度和對徑流污染物的去除率，Calkins等將尼龍纖維摻入水泥中，可以增加透水混凝土的有效表面積，提高透水混凝土對Cu的吸附去除率[32]。在改性粗骨料方面，可以在透水混凝土中加入沸石來增大透水混凝土的凈水作用，這是因為沸石內(nèi)部存在大量空穴，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且?guī)в胸撾?，沸石可以通過分子篩作用、梨子交換和吸附作用來去除金屬、氨氮以及有機物[33]。有研究指出[34]，在透水混凝土中加入陶粒也可以達到凈化水質(zhì)的作用。

1.5  透水系數(shù)衰減

透水混凝土路面透水系數(shù)衰減的規(guī)律方面，Balades等指出，透水混凝土的堵塞通常發(fā)生在路面的表層幾厘米內(nèi)，在通過潤濕后清掃，清掃后吸塵，僅吸塵以及高壓水沖洗和吸塵四種處理方式對比分析后認為透水混凝土路面在第四種方式的作用下可以基本恢復(fù)透水路面的初始滲透率。

2  結(jié)語

透水混凝土具有多孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)是保證其基本功能的條件，但是孔隙率并不是越大越好，透水混凝土還有強度方面的要求，在合理設(shè)置透水混凝土配合比的條件下選用合適的骨料和添加劑，使得透水混凝土性能在相應(yīng)的使用條件下達到強度、抗凍和耐磨等要求還需要深入研究。