生態(tài)透水性水泥基混凝土系統(tǒng)

    近年來(lái)，我國(guó)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(yán)重受阻、市民出行艱難，并給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。究其原因，除了降雨強(qiáng)度巨大、城市地下排水管網(wǎng)排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(rèn)為是一個(gè)重要的因素。

    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(guò)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(huì)導(dǎo)致大量積水，而“干渴”的地下又得不到雨水的滋潤(rùn)，城市地下水位越來(lái)越低。另一方面，生態(tài)綠地建設(shè)的發(fā)展相對(duì)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(guó)一些大中型城市以及經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)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(hù)結(jié)合起來(lái)，是今后應(yīng)予以重視的問(wèn)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(dá)到上述目標(biāo)的一種措施，我國(guó)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(shí)卻忽略這一點(diǎn)。在強(qiáng)度要求不是太高和交通負(fù)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(chē)道、輕量機(jī)動(dòng)車(chē)道路、郊區(qū)道路、郊游步行路和公園內(nèi)道路；露天停車(chē)場(chǎng)、房舍周邊、庭院和街巷的地面；特殊車(chē)道和車(chē)房出車(chē)道；公共廣場(chǎng)等。在德國(guó)，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(jì)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(guò)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(guò)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(qiáng)度的高低和孔隙情況，可分為“強(qiáng)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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

透水性混凝土（pervious concrete）也稱(chēng)多孔混凝土(porous concrete)。歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家較早開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)混凝土型透水性路面材料，并將其應(yīng)用于廣場(chǎng)、步行街、道路兩側(cè)和中央隔離帶、公園內(nèi)道路以及停車(chē)場(chǎng)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(guó)的Abertay Dundee大學(xué)的Wolfram Schluter和Chris Jefferies對(duì)混凝土的透水性能和排水性能進(jìn)行研究，他們?cè)谔K格蘭中心廣場(chǎng)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(guó)，透水性混凝土一般不含細(xì)骨料，稱(chēng)為無(wú)細(xì)集料混凝土。美國(guó)的佛羅里達(dá)，新墨西哥和猶它州已將無(wú)細(xì)集料混凝土作路面面層材料用于停車(chē)區(qū)路段，已有很多州規(guī)定并且試驗(yàn)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(guó)還將透水性混凝土大量用于網(wǎng)球場(chǎng)的建設(shè)，其60%的網(wǎng)球場(chǎng)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(hù)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(duì)以水泥為膠凝材料的透水性混凝土進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，并將其用于公園內(nèi)的道路、廣場(chǎng)等實(shí)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(jí)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(guó)對(duì)于透水性混凝土的研究起步較晚，目前仍處于研究開(kāi)發(fā)的初始階段。1995年，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院率先在國(guó)內(nèi)進(jìn)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(qiáng)度一般可達(dá)到20MPa左右。2000年清華大學(xué)土木工程系的楊靜和蔣國(guó)梁采用摻入硅灰的方法，使透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度提高到35.5MPa，透水系數(shù)為2.9mm/s，取得了突破性進(jìn)展。但是，總體上講，我國(guó)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(rèn)識(shí)尚不一致，也無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循，要使該混凝土得到普遍認(rèn)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(lèi)非封閉型的多孔生態(tài)混凝土，它由特殊級(jí)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(jí)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(shí)亦對(duì)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響，由其可見(jiàn)，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(shí)際使用情況，透水性混凝土可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是直接攤鋪在路基上的透水性混合料，經(jīng)壓實(shí)、養(yǎng)護(hù)等工藝構(gòu)筑而成的透水性混凝土路面；另一類(lèi)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(chēng)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(guò)路面的雨水能夠順利補(bǔ)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(jì)

    水泥：一般選用42.5級(jí)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(qiáng)度，可摻入少量高活性混合材料，如硅灰等。

    骨料：骨料的級(jí)配是決定其強(qiáng)度和透水性的重要指標(biāo),為了保證強(qiáng)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(jí)，如10～20mm。此外，對(duì)骨料自身強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，進(jìn)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(jì)，到目前為止還沒(méi)有成熟的計(jì)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(rèn)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(jì)的原則是將骨料顆粒表面用膠結(jié)材料包裹，并將骨料顆粒互相粘結(jié)起來(lái)，形成一個(gè)整體而產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，但又不能將骨料之間的孔隙填充密實(shí)。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(jì)方法。即首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定選用的材料，并測(cè)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(jì)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(shí)，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(diǎn)就是透水能力強(qiáng)，如何檢測(cè)其透水效果受到廣泛重視。
    中國(guó)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(dāng)處于15～25％范圍時(shí)，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(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。