張麗劉良森張靜芳邱冠雄（天津工業(yè)大學(xué)，天津300387）
摘要：介紹了透水性混凝土路面的透水機(jī)理，對粗骨料級配、骨灰比、水灰比、細(xì)集料用量、攪拌工藝及鋪裝工藝等因素對透水性能的影響進(jìn)行分析。并在此基礎(chǔ)上介紹了透水性混凝土在凈化水質(zhì)、減輕城市熱導(dǎo)效應(yīng)、消除噪聲污染和改善光環(huán)境方面的作用，為高質(zhì)量透水性混凝土地磚的研發(fā)和進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供一些參考。
關(guān)鍵詞：透水混凝土；透水性；凈化水質(zhì)；城市熱島效應(yīng)；
消除噪聲隨著人們環(huán)境意識的增強(qiáng)，傳統(tǒng)混凝土硬化路面的危害性越來越受到人們重視。不透水路面使得城市雨水不能順利地回歸自然，造成地下水補充大量減少而城市大面積積水；弱化城市環(huán)境的呼吸功能，造成熱島效應(yīng)、揚塵和噪音加劇，惡化城市小氣候，降低城市的舒適度；影響地面的生態(tài)系統(tǒng)和樹木的生長。而透水性路面則很好地解決了這些問題。德國從上世紀(jì)60年代起就采用透水材料鋪裝路面，并計劃于2010年把全國城市90％的路面改造為透水路面。1979年美國佛羅里達(dá)州首次使用無砂多孔混凝土建成具有透水性的停車場，并于1991年在佛羅里達(dá)州成立了“透水性波特蘭水泥混凝土協(xié)會”，對透水性混凝土的使用提供技術(shù)指導(dǎo)。1987年日本研究者開始申請將透水混凝土路面材料用于公園內(nèi)的道路、廣場等實際工程。隨著我國對環(huán)境問題的日益關(guān)注，透水性路面也在各大中型城市得以推廣應(yīng)用。目前出現(xiàn)的路面透水材料主要包括經(jīng)過特殊工藝配置獲得的具有一定透水性的水泥混凝土（或混凝土磚）、瀝青混凝土、陶瓷基磚、砂基磚、粉煤灰基磚、復(fù)合磚等。由于水泥制品造價低廉、性能穩(wěn)定，因而透水性水泥混凝土近年來得到了普遍推廣。本文對透水性混凝土的功能加以概述，以期為高質(zhì)量透水磚的研發(fā)提供參考。
1透水性能
透水性混凝土（或磚）是采用特殊級配的骨料、水泥、膠結(jié)劑、外加劑和水等經(jīng)特定工藝制成。其骨料間以點接觸形成混凝土骨架，骨料周圍包裹一層均勻的水泥漿薄膜。骨料顆粒通過硬化的水泥漿薄層膠結(jié)而成多孔的堆聚結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有大量的連通孔隙。在下雨或路面積水時，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[1]。原材料的性能及其配比（包括骨料級配、骨灰比、水灰比等）、制作工藝、施工及鋪裝工藝都對透水性混凝土（或磚）的孔隙率有一定影響，進(jìn)而影響該材料的透水性能。
透水性混凝土內(nèi)部的孔隙由粗骨料搭接而成。粒級太小的骨料與水泥砂漿拌合后極易形成封閉孔隙,在很大程度上減少了成品連通孔隙率；透水系數(shù)隨著骨料粒徑的增大而逐漸增大，但粒級過大的骨料容易由于裹漿量少且薄而導(dǎo)致透水混凝土的強(qiáng)度無法達(dá)到理想要求；骨料越粗糙，骨料粒徑連續(xù)、大小不同，可以有效地提高骨料之間的接觸點數(shù)量，從而提高其強(qiáng)度，但透水性會相應(yīng)降低。
一般認(rèn)為，細(xì)集料易堵塞內(nèi)部孔隙，造成透水系數(shù)下降。但也有研究者認(rèn)為，細(xì)集料在透水混凝土中不但起到了增大骨料粘結(jié)面從而增加強(qiáng)度的作用,還起到了改善拌和物和易性、增加保水能力的作用，同時對透水系數(shù)影響不大。
骨灰比的大小決定了透水磚能夠達(dá)到的強(qiáng)度的最大值,又對透水系數(shù)產(chǎn)生一定的影響。隨著骨灰比增大透水混凝土磚的強(qiáng)度降低而透水系數(shù)增大。
水灰比要求既要能夠完全潤濕水泥，使其較好的包裹骨料，又要保證水泥漿體不流淌、保留孔隙即可。采用普通攪拌法配置的透水磚的透水性明顯大于水泥裹石法，然而前者的強(qiáng)度卻比后者低近1倍[1]。采用普通攪拌法時，水泥漿未能充分包裹石子表面或包裹層不均勻，所以骨料顆粒間空隙較大，顆粒接觸點粘結(jié)強(qiáng)度薄弱，最終體現(xiàn)出透水混凝土的透水性較高而強(qiáng)度卻很低，而不能滿足工程應(yīng)用中對透水混凝土的力學(xué)性能要求。
透水磚鋪裝工藝同普通路面磚有很大的區(qū)別，在鋪裝中特別要注意的是保持其特殊的透水特性。能否達(dá)到最佳透水效果很大程度上取決于鋪裝工藝的合理性。為了獲得較好的透水效果，在鋪設(shè)時其緩沖層一般直接采用中砂，具有較好的受壓緩沖能力；下層采用開放式透水性路基，使用窄級配（骨料粒徑大致在7mm～40mm）、高骨灰比和低水灰比的混凝土[2]。
用透水性鋪裝代替不透水鋪裝可以有效緩解城市不透水硬化地面對于城市水資源的負(fù)面影響，可以使雨水迅速下滲到墊層下，路面不產(chǎn)生任何積水。。透水性路面兼有良好的滲水性及保濕性,能有效地緩解城市排水系統(tǒng)的泄洪壓力。有研究表明[3]，透水磚在使用2年后仍有良好的透水效果，能夠滿足30年一遇的60min降雨的滲水需求；透水磚鋪裝地面的滲透效果隨著使用期限的加長而有所減弱。這一方面是由于在長期使用過程中,汽車、行人的碾壓造成墊層密度變大,減小了墊層的透水系數(shù)，另一方面是由于灰塵、垃圾等雜質(zhì)在透水磚面上的長期堆積堵塞了透水磚表面的孔隙,影響了透水磚的雨水瞬時下滲速度。作為交通干道的透水磚路面的透水性能的減弱程度比非交通干道的要快。在人行道、居民小區(qū)等處使用的透水磚在初始鋪裝時透水效果明顯，且在使用2年后仍能維持較佳的透水效果，能滿足日常的降雨透水需求。
2凈化水功能
隨著城市不透水面積的大幅增加，在暴雨的淋洗沖刷作用下，大氣、地面和地下的污染物進(jìn)入周圍的江河、湖泊、水庫和海洋等水體造成污染。透水性混凝土孔隙率大、透水性好且吸附力強(qiáng)，可以用于污水的凈化。若透水性混凝土采用本身具有特殊大孔結(jié)構(gòu)的骨料，骨料本身具有吸附性，同時也增大了混凝土的內(nèi)表面積。這樣不僅增大了混凝土與水接觸的表面積，而且可以大大增加混凝土自身的吸附性能[4]。因此，具有一定污染負(fù)荷的污水，經(jīng)過透水性混凝土的吸附和過濾后，可以得到初步的物理凈化。物理凈化一般可作為污水的初期處理，進(jìn)一步處理還有賴于化學(xué)凈化。混凝土中的水泥在水化過程中，及浸泡在水中都會不斷溶解出Ca（OH）2，產(chǎn)生混凝土絮凝沉淀，從而起到凈化水的作用。陳志山等[5]研究表明，通過在生態(tài)混凝土中摻加緩凝性的凈水材料或鋁離子和鎂離子，都可以去除污水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)一步提高凈水效果。經(jīng)過化學(xué)凈化后，污水中的懸浮物會有明顯的降低，但是可溶性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度降低不明顯。這就需要進(jìn)一步進(jìn)行生物凈化。透水性混凝土的天然孔隙是諸多生物的理想棲息地，巨大的表面積為生物提供了廣闊的生存空間。日本大成建設(shè)(株)技術(shù)研究所[6]將大孔混凝土作為生物載體投放在水質(zhì)污濁的小河中，研究發(fā)現(xiàn)，不論大孔混凝土的外壁面和中心部的內(nèi)壁面均有大量的生物種群棲息，形成了生物膜。這些生物種群在生長的同時，吸收并分解了污水的有機(jī)物（BOD）和營養(yǎng)物質(zhì)氮磷等，從而降低了污水的污染負(fù)荷。另外，作為生物載體，透水性混凝土不會導(dǎo)致生物變異，所以也可通過接種經(jīng)過篩選和馴化的微生物，來提高其凈化效果。
目前存在的主要問題[4]是：①污水中含有大量的固體顆粒物，很容易堵塞生態(tài)混凝土的孔隙，使其凈水功能降低。解決這一問題可采用設(shè)置前置沉淀池或反沖洗裝置的方法，或可以在混凝土表面增加一層透水性良好小粒徑材料。②混凝土在流動的水中鈣離子容易大量流失，使水泥的水化產(chǎn)物分解，從而可以造成混凝土強(qiáng)度的降低。解決方法是可采用加入鎂、鋁離子或其他外加防水劑，來延緩鈣離子的溶出，且鎂、鋁離子本身具有很好的凈水作用。城市污水中都不同程度的含有硫酸鹽，在缺氧條件下，污水中的硫酸鹽在硫酸鹽還原菌和硫氧化菌的作用下會使混凝土石膏化，從而使混凝土逐步崩裂破壞。另外，污水中的各種有機(jī)物在好氧菌的作用下，會生成許多有機(jī)酸，從而降低了混凝土的堿度和強(qiáng)度。如何解決這一問題還需要做進(jìn)一步研究。
3減輕城市熱島效應(yīng)
透水磚使得雨水能夠迅速地滲入地表，還原成地下水，使地下水資源得到及時補充，提高地表的透水、透氣性，保持土壤濕度，改善城市地表生態(tài)平衡。由于透水性鋪裝自身一系列與外部空氣及下部透水墊層相連通的多孔構(gòu)造,雨過天晴以后,透水性鋪裝內(nèi)部及下墊層中的水分在太陽輻照作用下,吸收的能量使地磚內(nèi)部水分變?yōu)樗?水汽通過地磚表面的直接蒸發(fā)和地磚中的空隙擴(kuò)散逸出地磚表面。水分蒸發(fā)要吸收大量的熱量,因而使得地磚表面溫度和近地層空氣溫度均得到降低。地表溫度的減小會明顯降低地表對外界的長波輻射作用,從而減輕夏季地面鋪裝對行人的烘烤感,改善夏季城市熱環(huán)境，消除熱島效應(yīng)。觀測數(shù)據(jù)顯示，在高溫季節(jié)，透水路面的地表溫度比不透水路面要低2℃～5℃；在干燥季節(jié)，透水路面的地表濕度比不透水路面要高1%～3%。2004年天津大學(xué)建筑學(xué)院博士后流動站王波等[7]模擬太陽輻照及自然風(fēng)的作用,
開展對不同孔隙率透水性地磚含水蒸發(fā)的相關(guān)試驗研究,探討了孔隙率、材質(zhì)及表面顏色對透水地磚蒸發(fā)強(qiáng)度及表面溫度的影響。結(jié)果表明，就同種材料的透水磚而言，孔隙率直接影響透水地磚的表面溫度及其變化，孔隙率越大,單位體積的含水量越大，蓄熱能力越強(qiáng),表面溫度隨時間升高的速率越小,最終的溫度越低；對于孔隙率相近的混凝土透水磚、粉煤灰透水磚和陶瓷透水磚而言，其表面溫度變化趨勢基本一致,但前期陶瓷透水磚表面溫度較低，但其升溫速率大于粉煤灰透水磚和混凝土透水磚，其表面溫度在4.5h后逐漸超過粉煤灰磚，6h后超過混凝土透水磚；孔隙率越大,單位體積的含水量越大,初期的蒸發(fā)強(qiáng)度越大，隨著輻射時間的增加，蒸發(fā)強(qiáng)度曲線總體呈下降趨勢，最后趨于一致；混凝土透水磚的蒸發(fā)強(qiáng)度曲線下降很快，陶瓷透水磚前期的蒸發(fā)強(qiáng)度曲線基本保持平直,隨后下降并與混凝土透水磚蒸發(fā)強(qiáng)度趨同，而粉煤灰透水磚蒸發(fā)強(qiáng)度始終低于陶瓷透水磚，其內(nèi)部水分不易蒸發(fā)，存留的水增加了粉煤灰透水磚的蓄熱能力，因此，其表面溫度不易升高。
4消除噪聲
透水性混凝土具有密集的“蜂窩”狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)聲波打在透水性鋪裝表面上時，聲波引起透水性鋪裝內(nèi)部小孔或間隙的空氣運動，緊靠孔壁表面的空氣運動速度較慢，由于摩擦和空氣運動的黏滯阻力，一部分聲能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而使聲波衰減；同時，小孔中空氣和孔壁的熱交換引起的熱損失，也能使聲能衰減[8]。由于城市高層建筑以及高架道路的不斷增多，再加上穿過市區(qū)的飛機(jī)噪聲，這些聲源較高的噪聲，從城市上空投射到透水性鋪裝表面上，根據(jù)上述原理，透水性鋪裝依靠其特有的吸聲降噪機(jī)理對城市聲環(huán)境起到明顯的改善作用。普通的非透水性硬化廣場地面只能將聲波重新反射，起不到吸聲降噪的作用。另一方面，透水性鋪裝的多孔結(jié)構(gòu)能使在其上行駛車輛的輪胎噪聲降低，進(jìn)而對降低交通噪聲也是有利的。通過改變骨料、膠結(jié)材料的性能和產(chǎn)品的厚度及施工工藝，能進(jìn)一步提高透水性混凝土的消音特性。
從地面鋪裝入手，利用多孔透水性混凝土鋪裝材料的多孔結(jié)構(gòu)吸聲降噪，此舉為噪聲控制提供了新的思路。西安公路交通大學(xué)曾對多孔瀝青混凝土路面的吸聲性能進(jìn)行相關(guān)研究，1996年以來，我國先后在杭州-金華段高速公路和320國道上鋪設(shè)多孔透水性瀝青試驗路面,使用及測試證明該種路面在降低交通環(huán)境噪聲方面具有明顯的優(yōu)勢。研究表明，多孔混凝土試樣的吸聲系數(shù)與材料的孔隙率及頻率有關(guān)；孔隙率是影響材料吸聲性能的首要因素；隨著孔隙率的增大,多孔混凝土試樣的吸聲系數(shù)的峰值增大,峰值對應(yīng)的共振頻率向高頻擴(kuò)展；吸聲系數(shù)的峰值往往出現(xiàn)在500Hz～800Hz范圍內(nèi)，1250Hz附近吸聲系數(shù)曲線出現(xiàn)低谷,隨后吸聲系數(shù)又有上升的趨勢；不同孔隙率多孔混凝土試樣的吸聲系數(shù)低頻差別不大,差異主要體現(xiàn)在中高頻段[9]。王波等研究得出多孔混凝土吸聲性能隨著孔隙率及頻率而變的規(guī)律及經(jīng)驗公式,為治理不同頻率環(huán)境噪聲、選擇不同孔隙率規(guī)格的多孔混凝土提供借鑒。綜合考慮吸聲效果和路用性能要求,多孔混凝土孔隙率推薦選用15%～20%。
多孔混凝土的研究和應(yīng)用在我國是新生事物。該材料屬于剛性顆粒狀多孔吸聲材料,與傳統(tǒng)柔性纖維狀吸聲材料相比,多孔混凝土材料力學(xué)性能良好,不易變形,抗腐蝕耐候性強(qiáng),適于戶外露天使用。多孔混凝土除了用于傳統(tǒng)硬化路面的鋪裝外,還可以嘗試作為公路聲屏障以及室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計方面的吸聲選材。
5改善光環(huán)境
透水性鋪裝表面由于孔隙的存在使得投射到表面上的光線產(chǎn)生擴(kuò)散反射,因而避免了光滑地磚或石材常出現(xiàn)的由定向反射而造成的眩光,雨天不透水地面聚集的水面同樣會產(chǎn)生眩光,這種眩光在夜間的車燈照耀下特別嚴(yán)重,這是造成夜晚雨天行車交通事故多的重要原因之一。透水性鋪裝由于及時消除表面積水,因而克服了行車“漂滑”、“飛濺”、“夜間眩光”等不透水地面所帶來的缺陷,對城市交通安全也是有利的。
6結(jié)束語
在GB/T50378-2006《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》對場地的鋪裝要求中，明確地提出要推廣透水材料：公共建筑方面“室外透水地面面積比大于等于40%”，在住宅區(qū)“室外透水地面面積比大于等于45％”。增強(qiáng)地面透水能力，對儲留地下水、滋養(yǎng)草木、降塵、防噪、凈化空氣、調(diào)節(jié)氣候等都起著十分積極的作用。在目前的城市化建設(shè)中，透水性路面已在大型城市得到推廣應(yīng)用，而在中小型城市還沒有得到充分重視，還需要進(jìn)一步加大推廣力度，從而為改善我國的生態(tài)環(huán)境做出一定貢獻(xiàn)。
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