透水混凝土在海绵城市建设中的应用

姚志玉，丁丽芳，韩昊辰

（河北建设集团股份有限公司，河北 保定 071051）

0 引言

近年来，暴雨以独特的方式给一座座城市留下了深深的烙印，暴雨袭击使城市洪水倍增无处可去，车辆被淹、交通困难、街道成河、广场成湖甚至人员伤亡等情形。《2018 中国海绵城市建设白皮书》显示，中国有62% 的城市遭受内涝问题的侵害，进入雨季就容易陷入暴雨频发、内涝横行的窘境。数据显示，由洪涝灾害造成的经济和社会损失逐年增加，2016 年由于洪涝所带来的经济损失高达 3640 亿元，相当于全国 GDP 的0.5%。“逢雨必涝”成为了我国城市的重要灾害之一，“城市看海”几乎每年都要上演，内涝已严重影响了城镇人民的正常生活。为系统解决这些问题，海绵城市建设理论应运而生且已深入人心，2015 年、2016 年国家确认了 30 座城市作为海绵城市建设的试点，专家估计，到 2020 年全国 658 座城市建成区 20% 以上面积需要达到设计标准，全国每年投资总额预计超过 4000 亿元，到 2030 年，城市建成区 80% 以上的面积达到目标要求，需求资金约 16000 亿元，这对很多行业是巨大的商机。

国家大力推行海绵城市建设，而透水混凝土具备连通上下生态环境的功能，是实现海绵城市不可或缺的一种材料，也是 2017 年建筑业 10 项新技术之一[1]，复合海绵城市建设的理论要求，可以助力海绵城市建设。

1 透水混凝土及其制备技术

在“海绵城市”建设工程中，可综合采取与湿地、绿地、雨水收集等组成“渗、滞、蓄、净、用、排”的雨水生态管理系统，科学规划在建区和统筹改造建成区，转变道路建设和广场建设的传统观念，在严寒以外的区域，如城市广场、住宅小区、公园休闲广场和园路、景观道路以及停车场等使用透水铺装系统，提高城市透水呼吸面积。

1.1 透水混凝土

透水混凝土是由胶凝材料、粗骨料、少量或无细骨料、外加剂、拌合水按照一定的工艺拌制而成的一种多孔混凝土材料。与传统混凝土比较，透水混凝土多采用单一级配的粗骨料作为结构骨架，用胶凝材料净浆或少量细骨料砂浆作为粘接剂。从内部结构来看，主要靠包裹在粗骨料表面的胶凝材料浆体将粗骨料颗粒胶结在一起，形成以粗骨料颗粒接触点为连接点的多孔结构，从而实现良好的透水性。

1.2 制备技术

1.2.1 原材料的选择

制备透水混凝土所需的原材料与普通混凝土大致相同，但需要根据透水混凝土的功能要求及原材料特性等来选择最合适的原材料。

水泥：采用强度等级不低于 42.5 级的硅酸盐或普通硅酸盐水泥，质量符合现行国家标准 GB 175《通用硅酸盐水泥》的要求。

骨料：在透水混凝土中骨料起着显著的作用，骨料性能对透水性能起着十分重要的作用，骨料选择采用质地坚硬、耐久、洁净、密实、单一级配的碎石。

外加剂：选用具有一定减水、缓凝等功能的外加剂，且符合现行国家标准 GB 8076《混凝土外加剂》的要求，适当添加界面增强剂。

1.2.2 施工工艺

透水混凝土结构组成分为全透水结构和半透水结构。全透水结构一般适用于人行道、非机动车道、景观硬地、停车场和广场；半透水结构使用用于轻型荷载道路。透水混凝土施工单位一般仅施工面层，基层由其他专业队伍施工，在面层结构施工前，基层应做相应的界面处理，基层表面粗糙，保证清洁、无积水，并保持一定的润湿，必要时根据施工情况采用一定的胶粘剂。

对于透水混凝土来说，配合比是确保强度的关键，其搅拌过程须严格控制，投料搅拌一般采用水泥裹石法，即先将石料和 50% 用水量拌合 30s，再加入水泥拌合 40s，最后加入剩余水拌合 50s[2]，这样做可防止水泥浆过稀，可保证混凝土的透水性和强度要求。铺筑采用有足够刚度的平板振动器振动，施工后及时进行保湿养护，覆盖塑料薄膜并均匀洒水，洒水只能以淋的方式，不能用高压水冲洒，养护期依据气温调整，一般不少于14d，施工过程中避免高温和低温施工，混凝土在达到设计强度之前不得投入使用，工程实体强度以标准养护试块强度为准。

透水混凝土的施工工艺类似于传统混凝土，但技术要求远高于传统混凝土。透水混凝土从透水体系的设计；施工用混凝土原材料的选用、配合比的优化设计、搅拌生产、运输、施工、养护等全过程实现严格的控制，是全面推行实现海绵城市的关键。

2 透水混凝土研究现状

透水混凝土的研究受到国内外各界人士的高度重视，对其透水性能、力学性能和耐久性能等方面进行了大量研究，尤其是在目前海绵城市的建设理念中起了至关重要的作用，保护了生态环境，是未来城镇建设道路发展的必然趋势。

2.1 国外研究现状

国外对透水混凝土研究较早且应用推广效果显著。在大约 150 年前，欧洲就开始使用多孔水泥混凝土制备混凝土构件并进行房屋建设。二战期间，因经济匮乏，多孔水泥混凝土由于高经济性而获得了广泛的应用。1852 年英国就开发出不含细骨料的大孔径混凝土。1900 年该混凝土传至南非、俄罗斯等地，随后对其进行了大量研究，修建了很多无砂大孔混凝土建筑。1970年，英国除此将无砂大孔混凝土用于市政路面上，即该种材料被当做一种生态、环保的材料收到人们的热爱。1972 年美国通过了清洁水资源法案（Clean water Act），法案规定，各州和各大城市有义务保障被收集降雨的清洁程度[3]。1973～1995 年日本东京共修建 220万方的透水混凝土路面，目前全日本铺设约 1000万方的透水混凝土路面，德国 80% 的市政道路采用透水性混凝土[4]。

2.2 国内研究现状

我国作为混凝土应用大国，透水混凝土的研究起步较晚、研究时间短、应用相对较少、水平相对低。1993年中国建筑材料科学研究院在原国家建筑材料工业局的资助下开始进行了“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[5]。2000 年，清华大学蒋国梁、杨静选用小粒径骨料，微细矿物掺合料和有机增强剂等办法，提高透水混凝土的强度，研发了透水性杰出且力学性能符合国家建材行业规范的混凝土路面材料[6]。2004 年长安大学的郑木莲开展了大量有关透水混凝土的排水研究，并分析了全宽式，设盲沟以及设集水沟和管的排水系统的排水能力[3]。随着透水混凝土的试验研究的深入，透水混凝土在工程中也得到了应用，2008年北京奥林匹克森林公园使用了大面积的透水铺装，国家体育馆“鸟巢”的湖边西路道路工程铺设了多于9700m3透水混凝土[7]。2009 年上海世博园工程中也大量应用了透水混凝土。中新（天津）生态城 15%～20%路面为透水混凝土路面，所有慢行系统及停车位均采用透水铺装，在 2016 年夏季大雨有效起到了排水、避免内涝的效果[8]。近年来随着科研人员对透水混凝土的大量研究，加速推动了透水混凝土在工程中应用的热潮。

综合国内外透水混凝土的研究现状可以看出，透水混凝土的研究大部分集中在强度、透水系数及耐久性方面[9]，比如其抗冻性能、耐磨性能、吸声降噪等方面。透水混凝土作为新型环保建筑材料，对城市地下水补充、缓解城市内涝及热岛效应具有积极作用。但是由于各种条件的限制，透水混凝土在城市建设中的推广应用还有很大空间。

3 透水混凝土在海绵城市建设中的重要性及发展趋势

随着我国城镇化进度加快，城市的地表逐步被混凝土路面所覆盖，城市人口快速增长，由于混凝土的密实性自然降水无法补充地下水，导致部分城市出现地下水严重流失；遇夏季暴雨，由于排水不及时经常大面积积水，导致行人出行滑到摔伤、车辆雨水浸泡，更有甚者变压器漏电，行人遭电击身亡，带来巨大损失。

国家高度重视相关问题，2012 年 4 月在《2012 低碳城市与区域发展科技论坛》中，“海绵城市”概念首次被提出；“海绵城市”建设主要以城市建筑、小区、道路、绿地与广场等建设为载体，道路、广场的铺装可以采用透水混凝土。2013 年 12 月 12 日，习近平总书记在《中央城镇化工作会议》的讲话中强调：“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市”[4]。透水混凝土在海绵城市建设中能充分利用雨水资源，促进对城市生态环境的保护，对城市传统排水系统进行“减负”和“补充”。透水混凝土对未来打造智能、绿色、创新的海绵城市中起到至关重要的作用。许多国家都对透水混凝土深入的进行了研究分析，主要集中在强度以及其抗冻性、吸声降噪、抗疲劳性能等方面。在当今社会，人们越来越注重环保，而透水混凝土作为一种新型功能型混凝土，正是当今社会所需，是创建“海绵城市”的最佳材料。

4 透水混凝土应用中存在的问题

4.1 强度与透水系数及孔隙率问题

透水混凝土本身是一种骨架—孔隙结构，所以具有良好的透水性，但是因为其具有的孔隙导致内部不密实所以强度难以提高，透水性与强度存在尖锐矛盾，因此透水混凝土只适用于对强度要求不高的场所，比如广场、公园道路等，一些试验研究表明，通过增加胶结材料增强剂可提高 20% 左右的混凝土抗压强度，但是目前市场上常见的增强剂品种质量参差不齐，增强效果不便于快速检测出来，所以要提前储备足够量已知增强效果的胶结材料方可进行工程应用。

4.2 抗冻融性能需提高

透水混凝土比普通混凝土抗冻融性要低很多。经过冻融试验表明在粗骨料连接处均出现不同的裂缝，甚至有部分发生粗骨料脱落，导致透水混凝土强度性能不达标。在配制透水混凝土时应加入合适比例的添加剂，来提高透水混凝土抗冻融的能力。

4.3 生产与运输

透水混凝土生产前应将搅拌站主机清洗干净，否则直接影响透水混凝土浆骨比，进而影响强度及透水系数；透水混凝土不适宜用搅拌运输车运输，一是透水混凝土为干硬性混凝土，不易卸入运输车内，另外透水混凝土主要由粗骨料组成，对运输车磨损较大；用翻斗车运输时，应将表面进行覆盖保湿，在运输途中避免长时间运输及颠簸，防止水泥浆沉底。

4.4 后期维护

在我国北方已经铺装的透水混凝土路面，随着时间的延长排水性能出现下降，其原因有二，一是长时间粉尘泥土与雨雪混合在一起堵塞了部分透水混凝土空隙：二是透水混凝土路面经过长时间碾压，使表面包裹粗骨料的浆体脱落，导致表层粗骨料脱落失去粘聚性，也会影响透水混凝土路面使用寿命。

透水混凝土的日常维护包括：日常的清扫、封堵孔洞的清理。清理封堵孔洞可采用风机吹扫，高压冲洗或真空清扫等方法。北方地区冬季气温低，为了延长透水混凝土的使用年限，在冬季下雪后应及时清理积雪防止路面结冰，在清理积雪时不宜采用机械除冰，并不得撒砂或灰渣以防堵塞透水混凝土孔隙。

4.5 施工季节受限

透水混凝土冬季施工十分困难，主要体现在透水混凝土的施工开始至成型 14d 内所处环境温度任意时刻不能低于 0℃（无论是否掺加防冻剂）。由于透水混凝土大量孔隙率存在，养护时水分会部分存留在孔隙率中，环境温度一旦在零下孔隙水分会成冰体积膨胀造成内部破坏。由于混凝土养护时间一般为 7d，另外考虑到孔隙水分参与胶凝材料水化以及蒸发需要一定时间一般7d 后基本消失，所以要求透水混凝土在 14d 内所处环境温度任意时刻不能低于 0℃。

4.6 实体检测

透水混凝土路面强度检测尚属空白，无论回弹法还是钻芯法均不适用，只能依靠混凝土试块进行评定。

5 结语

今年我国已将海绵城市建设提上日程。透水混凝土必定是未来海绵城市建设中的主力军。更应加大研发投入，全方面开展对透水混凝土性能的研究工作，使之更广泛用于城市建设之中。让透水混凝土变成真正可以呼吸，并与自然环境和资源可以相互协调的环保生态型材料。但是由于国内研究透水混凝土起步较晚，研究时间尚短，我国又与国外地域环境、材料、施工技术有很大差异，因此没有很多可以值得借鉴的经验。

在今后的工作中还需要对透水混凝土的强度、透水系数、抗冻性能、耐磨等指标做进一步深入研究；对于透水混凝土相关设计规范、标准、和不同地域相关施工技术规程等还需完善。