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【作者机构】 中建西部建设西南有限公司
【来 源】 《商品混凝土》 2017年第5期P19-22页【分 类 号】 TU528
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【关 键 字】 透水混凝土 耐久性 强度 抗冻耐久性 表面耐磨性 净水作用
【摘 要】 透水混凝土广泛应用于公园、广场、人行道以及停车场等处，它可以还原雨水循环，缓解雨水流失，改善热循环，有效抑制城市“热岛效应”，还可以起到净水的作用。本文通过透水混凝土的强度、抗冻耐久性、表面耐磨性和透水混凝土的净水作用对透水混凝土的耐久性能进行研究。
0 引言
透水混凝土是欧美、日本等国家针对原城市道路的路面缺陷而开发使用的一种能让雨水流入地下、有效补充地下水、缓解城市地下水位急剧下降等等的一些城市环境问题的优良铺装材料。上世纪 60 年代后期，日本实施“雨水返还地下战略”，该举措积极推动了透水混凝土的研究开发工作，日本学者在 1987 年还为以有机高分子树脂为胶凝材料制造的透水混凝土路面材料申请了专利[1]；2000 年初，日本透水混凝土累计建设面积达到 10 万平方米[2]。上世纪中期，美国将高渗透性混凝土引入公路与机场跑道建设领域，用以改善机场跑道和公路的排水能力和安全性能；上世纪 80 年代，透水混凝土在美国实现商业化；1991 年底，佛州成立水泥混凝土协会，为透水混凝土进一步发展提供持续性引导和建议[3]。
国内对透水混凝土的研究开展时间较国外晚，实际应用也比较少，技术水平相对来说也比较低。1993 年中国建筑材料研究院在原国家建筑材料工业局的资助下开始进行“透水混凝土与透水性混凝土路面砖的研究”，研制的透水性混凝土路面砖于 1995 年开始在试点工程中应用，并在 1998 年的部级鉴定会上通过专家委员会的一致认定，“透水性混凝土路面砖的技术性能达到国际领先水平”（建材鉴字 [19987 第27 号]）[4]。2000 年清华大学的杨静及蒋国梁将硅灰掺入透水混凝土，使其抗压强度达到 35.5MPa，透水系数 2.9mm/s。2006 年长安大学的郑木莲对透水混凝土疲劳性能进行了系统研究，建立了不同应力水平和等效应力水平下的疲劳方程[5]。
透水混凝土是由特定级配的水泥、水、骨料、外加剂、掺合料和无机颜料等按特定配合比经特殊工艺制备而成的具有连续空隙的生态环保混凝土[6]。透水混凝土大致可分为三种：水泥透水性混凝土、高分子透水性混凝土和烧结透水性混凝土。与不透水路面相比，透水路面可以还原雨水循环，缓解雨水流失，防止地面温度上升，改善热循环，有效抑制城市“热岛效应”，吸音效果好，透水性能优良，减少雨天夜间行车路面积水反光等优点，并能有效地消除地面上的油类化合物等对环境的污染危害。Des poutset Chausses 试验室通过对透水混凝土的水质净化作用研究后，认为透水混凝土的过滤作用能够使悬浮污染性粒子浓度下降到 36%，铅浓度下降到 21%，透水混凝土能贮存污染性粒子，使这些污染性粒子不被水冲到地面上[7]。
透水混凝土的水胶比为 0.25～0.35（通常为 0.27[8]，孔含量通常在 10%～30% 之间[9]，渗透率在 0.2～3cm/s 之间[10]，抗压强度在 10～50MPa[11]。控制透水混凝土应用的关键工程性能是抗压强度、孔隙率、渗透率、抗冻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，骨料通过一薄层浆体相互连接，形成透水混凝土典型的多孔结构基质，这些孔相互连接形成联通通道，使其具有透气、透水的特性，如图 1 所示。因为骨料间连接面积较小，骨料间的粘合强度也相应减少，这使得透水混凝土在破坏性应力的情况下很容易开裂、松散和散裂[13,14]。有文献指出，通过在透水混凝土中加入少量沙子和超细纤维可以得到可观的强度和冻融耐久性[15]。下面通过透水混凝土的强度、抗冻耐久性、表面耐磨性和透水混凝土的净水作用对透水混凝土的耐久性能进行研究。
图 1 透水混凝土
1.1 抗压强度
透水混凝土中的骨料是间断级配的，或者在一个标准的尺寸范围内，在硬化基质中含有许多连通的中型气孔，由于这些中型孔的存在，使得透水混凝土和普通混凝土相比，具有温和的静强度和独特的动态性能。因为透水混凝土中含有大量的孔隙，粗骨料之间的胶结全靠水泥浆体，又由于连接粗骨料的水泥浆体非常薄，导致透水混凝土中裂缝的分布受各相几何结构的影响很大。上述这些连接点是透水混凝土中的薄弱环节，往往破坏点也发生在这些地方，使得透水混凝土与常规混凝土的最终行为有很大的不同[16]。
有研究指出，影响透水混凝土强度的主要因素包括透水混凝土孔隙率、水胶比、浆体性能、粗骨料的尺寸和体积含量[17]。Ayda S. Agar-Ozbek 等人认为透水混凝土粗骨料的质地、形状和尺寸对透水混凝土的强度耐久性有重要影响[16]。透水混凝土中骨料的性能对浆体的流变性和力学性能有很重要的影响[18]。因为骨料粒径大小也可以影响透水混凝土的性能，所以骨料的粒径大小是控制孔径分布的一个主要因素。骨料粒径的增大可以增大粒度中值，但是对单一尺寸骨料的浆体来说，当骨料尺寸变化时，总的来说对性能没有太大的影响[19]。也有研究指出骨料的级配对透水混凝土的破坏方式有重要影响。当用粗骨料和相对来说较细的骨料分别制备透水混凝土时，从图 2 中可以看出，和粗骨料制备透水混凝土相比，细骨料制备透水混凝土裂缝更多的贯穿界面过渡区，而在粗骨料的情况下，裂缝一定是沿着最小阻力的方向发展，但是当它遇到粗骨料，就会向着贯穿它的方向发展，而不是绕着粗骨料边界延伸[16]。
图 2 不同骨料级配的透水混凝土部分破坏 CT 图像
1.2 抗冻耐久性
图 3 所示为透水混凝土的内部孔结构模型。由图可知，骨料间的交接点在透水混凝土受力时传递力的作用，粗骨料界面间的水泥浆体胶结面相对较小，且水泥胶结层很薄，该区域成为透水混凝土的力学性能劣化区，所以保证透水混凝土的孔隙率，提高胶结层强度，增加交接点的面积成为提高透水性混凝土强度及抗冻耐久性的关键[1,20]。
图 3 透水混凝土的内部孔结构模型
起初，一些学者认为透水混凝土具有较高的渗透率，它的孔不可能充满水，因此，冻融破坏不可能发生在透水混凝土中。但是许多的实例证明，在特定的使用功能和使用条件下，和普通混凝土相比，即使在不饱和及部分饱和的状态下，透水混凝土在寒冷气候下更容易发生冻融破坏。
在透水混凝土冻融试验过程中发现透水混凝土的盐冻破坏呈现两种方式：一种是试件试验面因水泥石剥落而损失的质量随冻融次数逐次积累，直到试验面剥蚀到一定程度，若继续进行冻融试验，骨料颗粒开始剥落，最终骨料大量脱落而破坏；另一种是试件剥落物的质量累积没有表现出逐次增加的过程，而是在一次冻融循环中突然地增加，在随后的冻融循环中表现为突然性碎裂[1]。试件破坏形式如图 4 所示。
图 4 透水混凝土冻融循环最终破坏形式
冻融早期质量损失累积增长速度较快，质量损失累积随冻融循环次数增加的速度随浆体骨料质量比的增加而减小，随骨料粒级的增加而增加，矿粉、粉煤灰、减水剂、细砂的掺加显著降低了这一增速，而硅灰的掺入以及水灰比的提高则加快了增加速度。Kevern 等人研究指出增加粗骨料的掺入量可以降低透水混凝土的抗冻融耐久性，在加入长纤维后，会提高它的抗冻融耐久性，但是它的渗透率会降低[21]。
在使用的过程中，透水混凝土的空隙会被表面积聚的细骨料堵塞，这影响了透水混凝土中水的传输，导致冻融耐久性的降低。针对这一问题，日本采用高压清洗和真空吸附相结合的方法，或采用压力为 4～7MPa 的小型高压清洗机清洗路面的措施，来解决因粉尘和泥沙的堵塞而造成的透水路面透水功能的下降问题，并使透水功能恢复到初期的 80%[22]。
1.3 表面耐磨性
骨料的种类可以很大的影响透水混凝土的表面耐磨性。Geadicke 等人在分别研究了用原始粗骨料和再生粗骨料生产的透水混凝土耐磨性、孔隙率和抗压强度得出，在试块孔隙率相同的前提下，和用原始粗骨料生产的透水混凝土相比，再生粗骨料生产的透水混凝土的渗透率将近降低了 20%，与石灰石碎块和再生混凝土骨料相比，掺加小卵石的透水混凝土的表面抗磨性也将近降低了 20%[9]。Kever 等人研究指出，用塑料模具养护和选用大豆油作为养护薄膜可以增大透水混凝土抗磨性[23]。也有研究将再生混凝土骨料和再生混凝土砌块骨料用于生产透水混凝土，他们将上述再生骨料的掺入量分为 0%、20%，40%，60%、80% 和 100% 五个梯度，在所有的掺量梯度内，掺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，而对掺入再生混凝土砌块骨料的透水混凝土来说，只有在掺量为 20% 时，透水混凝土的表面耐磨性才有所提高。研究者认为虽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，在与水泥浆体混合时可以与其很好地胶结，从而增大透水混凝土的强度和表面耐磨性能[24]。
1.4 净水作用
大量的研究显示，透水混凝土的铺装不仅可以复原城市水文环境，又可以通过沉淀、离子交换、吸附以及微生物新陈代谢等作用，去除雨水径流污染物，显著提高径流出水水质[25,26]。近年来，研究人员对透水混凝土铺装进行了大量的改性研究，经过改性的透水混凝土铺装可以更加有效地去除雨水径流中重金属、有机物、烃、营养物质（氮和磷）等污染物，可以更好地在源头上控制雨水面源污染[27]。
典型的透水混凝土铺装由透水混凝土面层、基层、底基层、路基组成，其中面层和基层均有净化去除污染物能力，可以通过物理化学等方法改性面层和基层材料，强化径流水质净化效果[27]。透水混凝土面层的改性主要通过对水泥、粗骨料、配合比和面层表面处理实现。研究认为透水混凝土面层组分中对径流污染物去除贡献最大的材料为水泥，通过加入粉煤灰等工业废弃物可以实现对透水混凝土胶凝材料的改性。这是因为粉煤灰中含有大量活性 Al、Si，具有多孔结构，比表面积较大，可以通过化学沉淀、静电吸附以及离子结合的方式去除无机磷、无机氮、重金属以及有机物等污染物质[28,29]。但是粉煤灰的掺入量不能过大，这是因为粉煤灰呈碱性，掺入水泥会导致 pH 和电导率增大，建议粉煤灰添加量为水泥质量的 10%～20%。另外，由于膨润土的特殊结构使膨润土层晶格具有静电荷，可以吸附外部阳离子，从而净化径流污染物[30]。在透水混凝土中加入聚合物，可以同时提高透水混凝土的强度和对径流污染物的去除率，Calkins 等将尼龙纤维掺入水泥中，可以增加透水混凝土的有效表面积，提高透水混凝土对 Cu 的吸附去除率[31]。在改性粗骨料方面，可以在透水混凝土中加入沸石来增大透水混凝土的净水作用，这是因为沸石内部存在大量空穴，具有网状结构，并且带有负电，沸石可以通过分子筛作用、离子交换和吸附作用来去除金属、氨氮以及有机物[32]。有研究指出[33]，在透水混凝土中加入陶粒也可以达到净化水质的作用。
1.5 透水系数衰减
透水混凝土路面透水系数衰减的规律方面，Balades 等指出，透水混凝土的堵塞通常发生在路面的表层几厘米内，在通过润湿后清扫、清扫后吸尘、仅吸尘以及高压水冲洗和吸尘四种处理方式对比分析后认为，透水混凝土路面在第四种方式的作用下可以基本恢复透水路面的初始渗透率。
2 结语
透水混凝土具有多孔结构，孔结构是保证其基本功能的条件，但是孔隙率并不是越大越好，透水混凝土还有强度方面的要求，在合理设计透水混凝土配合比的条件下选用合适的骨料和添加剂，使得透水混凝土性能在相应的使用条件下达到强度、抗冻和耐磨等要求还需要深入研究。
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［通讯地址］四川省成都市双流向牧华路三段通瑞月光湖（610000）
Research development of pervious concrete durability
Abstract：Pervious concrete is widely used in parks, squares, pavements and parking lots, which can restore rain cycle, alleviate rain loss, improve the thermal cycle and effectively restrain the urban heat island effect, as well as purify water. This article studies the durability of pervious concrete based on its strength, freeze-thaw durability, surface abrasion resistance and water purif i cation.
Key words：pervious concrete; durability; strength; freeze-thaw durability; surface abrasion resistance; water purif i cation
