生態(tài)透水性水泥基混凝土系統(tǒng)

    近年來，我國許多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)致交通嚴重受阻、市民出行艱難，并給人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失。究其原因，除了降雨強度巨大、城市地下排水管網(wǎng)排澇標準設(shè)計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為是一個重要的因素。

    隨著我國經(jīng)濟的快速發(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)，一旦受堵就會導(dǎo)致大量積水，而“干渴”的地下又得不到雨水的滋潤，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”。雖然目前我國一些大中型城市以及經(jīng)濟較發(fā)達地區(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到上述目標的一種措施，我國古代城市和傳統(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)代化城市時卻忽略這一點。在強度要求不是太高和交通負荷不是太大的區(qū)域可以鋪設(shè)透水地面，如人行道、步行街、自行車道、輕量機動車道路、郊區(qū)道路、郊游步行路和公園內(nèi)道路；露天停車場、房舍周邊、庭院和街巷的地面；特殊車道和車房出車道；公共廣場等。在德國，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。

    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)濟性和舒適性等方面要優(yōu)于前者。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)混凝土強度的高低和孔隙情況，可分為“強度型”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。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)達國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、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。比如英國的Abertay Dundee大學(xué)的Wolfram Schluter和Chris Jefferies對混凝土的透水性能和排水性能進行研究，他們在蘇格蘭中心廣場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。在美國，透水性混凝土一般不含細骨料，稱為無細集料混凝土。美國的佛羅里達，新墨西哥和猶它州已將無細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。法國還將透水性混凝土大量用于網(wǎng)球場的建設(shè)，其60%的網(wǎng)球場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坡綠化地帶，在河道兩岸創(chuàng)造出良好的生態(tài)環(huán)境。日本的玉井元治、岡本享久等對以水泥為膠凝材料的透水性混凝土進行了較系統(tǒng)的研究，并將其用于公園內(nèi)的道路、廣場等實際工程，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。

    我國對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，中國建筑材料科學(xué)研究院率先在國內(nèi)進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度一般可達到20MPa左右。2000年清華大學(xué)土木工程系的楊靜和蔣國梁采用摻入硅灰的方法，使透水性混凝土的抗壓強度提高到35.5MPa，透水系數(shù)為2.9mm/s，取得了突破性進展。但是，總體上講，我國目前生產(chǎn)透水性混凝土的技術(shù)還不太成熟，關(guān)于其透水性、植生性的認識尚不一致，也無標準可循，要使該混凝土得到普遍認可和推廣應(yīng)用還需要做大量工作。

    2 透水性混凝土及其路面構(gòu)造

    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，但同時亦對混凝土的強度產(chǎn)生不良影響，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、養(yǎng)護等工藝構(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充地下水資源或能回收利用。

    3 透水性混凝土的原材料及其配合比設(shè)計

    水泥：一般選用42.5級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，為了提高其強度，可摻入少量高活性混合材料，如硅灰等。

    骨料：骨料的級配是決定其強度和透水性的重要指標,為了保證強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，如10～20mm。此外，對骨料自身強度、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)強度，進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，到目前為止還沒有成熟的計算方法，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，形成一個整體而產(chǎn)生一定的強度，但又不能將骨料之間的孔隙填充密實。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)計方法。即首先根據(jù)設(shè)計要求確定選用的材料，并測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。

    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，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就是透水能力強，如何檢測其透水效果受到廣泛重視。
    中國建筑材料科學(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％，特別是當處于15～25％范圍時，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參考標準。