透水性混凝土

1.吸音降噪功能

沿用的混凝土路面的行車噪音隨車速、車流、車載不斷增大，以至噪聲成為混凝土路面應用的環(huán)境障礙， 尤其是對噪聲敏感的居住區(qū)。1992 年， 奧地利發(fā)明了“吸音混凝土”， 使噪聲降低6-l0 dB(A)， 在120 km/ h 行駛速度下，其降噪效果可同瀝青透水路面相比。此后，英國、比利時紛紛進行了相關研究開發(fā)。吸音混凝土是通過外露的集料表面， 使聲波和壓力波在空隙中自行消散。其結構組成是在普通混凝土路面上鋪設4 cm 厚混凝土， 其中有由6-l0 mm 耐磨的優(yōu)質石料混凝土所組成的磨耗層。為形成“ 露骨”， 在攤鋪后， 即灑布緩凝劑經(jīng)12-48 h 后， 用水清除水泥漿， 從而形成多孔、抗滑的表面。集料越細，降噪效果越好， 但顆粒越細越易脫落， 且低噪音路面造價增加10% 。此外， 為降低噪聲，日本、荷蘭還研究了孔隙率> 20%的多孔混凝土，但后者必須摻加聚合物或類似摻加劑。透水性路面除本身固有的防水濺和透水性能之外，還具有降低噪聲的作用。排水路面所以能夠降低噪聲，是因為路面材料具有吸音功能。任何筑路材料都或多或少地具有吸音功能，即通過導熱、氣流及機械振動等能量轉換方式，使聲音降低或消失。其吸音機制有多孔吸管、振動吸音和共鳴吸音等三種。透水性路面具有多孔吸音和共鳴吸音的功能。這里，吸音材料的空隙起著重要作用。就吸音而言， 透水性路面的孔隙形式，可以分為有效孔隙、半有效孔隙和無效孔隙。有效孔隙能夠起多孔吸音作用， 共鳴吸音為噪聲共鳴所致。但是，如果透水性路面凹凸不平， 便不能很好地共鳴， 就會降低吸音效果。

關于透水性路面， 在上述三種類型的吸音機制中，多孔型吸音占主要地位。多孔型吸音的吸音量的大小取決于孔隙對于氣流的摩阻性、孔隙率、孔隙形狀等。因此，要使路面具有比較好的吸音效果， 必須從材料、配合比和施工方法等方面進行考慮和系統(tǒng)研究。

關于材料厚度對于吸音性能的影響， 一股情況下， 路面厚度加大， 吸音效果就好，反之則相反。多孔型吸音的主要原理是孔隙對于氣流的摩阻， 聲音的消失量與空氣的流動速度成正比。因此，如果音波從空氣流動速度快的位置入射， 吸音效果就好， 應該指出，必須始終保持路面材料具有某種程度的通氣性，“厚度”理論才能成立。當然，如果材料孔隙對于氣流的摩阻力、孔隙率和孔隙形狀達不到要求， 即使增加路面厚度， 也不會收到良好的吸音效果。

綜上所述，透水性路面的吸音效果受路面存在的孔隙條件和路面的厚度影響限大。厚度越大，吸音效果越好。當然，降低透水性路面的噪音， 取決于多種因素， 因為交通噪音除車輛發(fā)動機的聲音和行車的聲音之外，還有輪胎和路面接觸發(fā)出的聲音。但是， 從筑路方面采取措施， 使路面具有吸音、降噪效果，則具有劃時代的意義。

2.生態(tài)環(huán)保功能

本文推薦的是區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土的新型混凝土。代表性的是透水性生態(tài)混凝土新型水泥混凝土或瀝青混凝土材料鋪面及其制。

此前， 至少在土木工程范圍， 坍落度足量小，足夠密實的混凝土是拌制良好的混凝土的準則。然而，高流動混凝土即使其坍落度非常大也能拌制出來密實堅固的優(yōu)良的混凝土，以高分子瀝青等作為膠結材料制成的瀝青混凝土，一般也是做成密實不透水的路面。透水性混凝土與水泥、瀝青混凝土是完全不一樣的混凝土。但它們也有通用的技術(如: 設計、生產(chǎn)、施工、養(yǎng)護等方面)。在此， 對于透水性混凝土的要求背景及其可行的技術背景應作為今后的研發(fā)重心。

論述透水混凝土時， 從“ 生態(tài)環(huán)境’角度闡述透水混凝土在以往的混凝土范疇里見到的是空隙多的不良混凝土， 然而， 此種空隙卻賦與了混凝土以新的功能。該功能可使透水混凝土應用于各種生態(tài)環(huán)境，從而在各方面獲得推廣。透水混凝土主要用于路面、護岸和排水方面。利用其非常好的透水性， 制造透水性混凝土制品， 并廣泛用于地下水集水、道路排水路面及其配制成品。近來， 透水混凝土不僅只限于工廠制品， 而且被進一步推廣到現(xiàn)場澆注的透水性混凝土。如日本建設省還主張對于河川的護岸盡量不使用混凝成果應用101城市道橋與防洪土的方針。全面不使用混凝土是因為不能確保首要的安全性，而實際上有1/2 護岸不使用構筑物，其余的做成混凝土護岸及看不見混凝土的混凝土護岸， 即所謂的自然性護岸。這方面就是指植被型的透水性混凝土。作為護岸的構筑物， 一方面要確保其安全性， 一方面也要使混凝土本身具有能使植物生長的空隙。其要求性能是很高的， 必須既能確保植物生長，又能維持其必要的強度。因為植被是由空隙量的大小影響其生長面積的。所以確保實足的植被和有足夠的強度使這一相互矛盾的特性達到恰當?shù)钠胶?，各地正在廣泛地進行開發(fā)與實驗。

傳統(tǒng)的混凝土骨料由膠結材料和砂漿完全包裹， 不能形成空隙。采用近似單一粒徑的骨料分布， 骨料與骨料之間近似點的結合， 這樣可以保證形成足夠多的空隙。為此，必須使用強力的膠結材料。無論用水泥或瀝青做膠結材料都必須有一定的點粘結強度。眾所周知， 混凝土的空氣量每增加1%， 其抗壓強度下降4% -6% 。為確保透水性有一定百分率的連續(xù)空隙，確保植被生長， 20%的連續(xù)空隙還是很有必要的。所以混凝土的強度難以保證， 而改善水泥漿的質量足可以確保能達到一定強度的，但還不能說能達到一般普通混凝土的強度。沿用的護岸的水泥混凝土，一般C20 為保證質量的最低強度。在透水性混凝土使用初期， 無條件采用這個標準，在技術經(jīng)濟上是有一定難度的。與普通的水泥混凝土路面相比， 透水性道路能夠使雨水迅速地滲入地表，還原成地下水， 使地下水資源得到及時補充， 保持土壤濕度， 改善城市地表植物和土壤微生物的生存條件;同時透水性路面具有較大的孔隙率， 與土壤相通， 能蓄積較多的熱量， 有利于調(diào)節(jié)城市空間的溫度和濕度，消除熱島現(xiàn)象。

3.排水防滑功能

隨著我國交通運輸事業(yè)迅猛發(fā)展， 對道路行車的安全舒適性有更高的要求，為了保證車輛高速行駛的安全度，提高路面粗糙度對防滑性能至關重要。作者曾于上世紀八九十年代進行抗滑路面的研究， 由于成本高， 工藝難度大而未能推廣應用。2003年出現(xiàn)的新世紀滲透性和排水性路面抗滑性能較好。這種滲透性和排水性路面被命名為開級配摩阻層(0、G、F、C)，在美國受到汽車駕駛員的歡迎。其特點是具有“ 開式”集料結構，其中粒徑較大的集料是由聚合物改性和纖維增強的作為高性能分級的瀝青混合料膠結在一起的，這種具有15%以上孔隙的開式鋪面結構， 可使水通過摩阻層滲流到下面的不透水層中， 并流入路旁邊。應用結果是消除輪胎濺水和路表水膜形成，可保證路面的抗滑性和行車的安全度。透水性鋪面是在表層或在表層和基層中利用具有高空隙率的多孔優(yōu)質瀝青。由于在排水性混合物層(排水層)下設置非透水層， 因此滲入到排水層的水會在非透水層上流動，從而很快地被排水設施滲入到路基下。透水性鋪面主要具有以下的特點

首先能提高車輛的行駛安全:( 1) 提高雨天時路面的防滑性能(緩和hydroplaning 現(xiàn)象)。( 2) 減少雨天車輛行駛時所產(chǎn)生的水飛沫， 提高能見度。(3)緩和雨天夜間行車時車輛的前燈所產(chǎn)生的路面反射。( 4) 提高雨天時路面標示的能見度。其次，改善沿途的環(huán)境:( 1) 減少車輛行駛時的噪音。( 2) 減少沿途行駛車輛的濺水，防低路面水膜形成， 提高行車安全度。( 3) 當集中降雨時，能夠減輕排水設施的負擔，防止路面積水和夜間反光， 提高車輛、行人的通行舒適性與安全性;大量的孔隙能夠吸收車輛行駛時產(chǎn)生的噪音，創(chuàng)造安靜舒適的環(huán)境。一般情況下透水混凝土路面摩阻力測定值按路面的種類， 配合比設計，骨材的種類、紋理等條的差異， 其差值以百分數(shù)分布數(shù)值范圍表示。透水混凝土路面摩阻系數(shù)可有用擺式儀測定， 其擺值均在50　以上， 高于沿用混凝土路面粗糙度要求。

透水水泥混凝土是指空隙率為15～25%的混凝土，也稱作無砂混凝土。隨著人類對改善生態(tài)環(huán)境、保護家園越來越重視，透水水泥混凝土也正在獲得越來越多的應用。透水水泥混凝土特別適合用于城市公園、居民小區(qū)、工業(yè)園區(qū)、體育場、學校、醫(yī)院、停車場等等的地面和路面。因為，采用透水水泥混凝土具有下列優(yōu)點：

1)增加城市可透水、透氣面積，加強地表與空氣的熱量和水分交換，調(diào)節(jié)城市氣候，降低地表溫度，有利于緩解城市“熱島現(xiàn)象”，改善地面植物和土壤微生物的生長條件和調(diào)整生態(tài)平衡。 2)充分利用雨雪降水，增大地表相對濕度，補充城區(qū)日益枯竭的地下水資源，發(fā)揮透水性路基的“蓄水池”功能。

3)能夠減輕降雨季節(jié)道路排水系統(tǒng)的負擔，明顯降低暴雨對城市水體的污染。

4)吸收車輛行駛時產(chǎn)生的噪音，創(chuàng)造安靜舒適的生活和交通環(huán)境，雨天防止路面積水和夜間反光。

5)具有良好的耐磨性和防滑性，有效地防止行人和車輛打滑，改善車輛行駛及行人的舒適性與安全性。

6)冬天不會在路面形成黑冰（由霜霧形成的一層幾乎看不見的薄冰，極危險），提高了車輛、行人的通行舒適性與安全性

7)大量的空隙能吸附城市污染物粉塵，減少揚塵污染。

8)可以根據(jù)環(huán)境及功能需要設計圖案，顏色，充分與周圍環(huán)境相結合。

1.透水性能

一般在120～320升/㎡/min（2～5.3mm/s）范圍，最高超過700升/㎡/min（12mm/s）?？障稌换彝梁碗s物堵塞，需要定期養(yǎng)護，真空清掃維持透水性能。

2.新拌性能

坍落度：較低，一般在20～50mm，不適合泵送

工作性：損失較快，通常需要緩凝

表觀容重：強度與空隙率密切相關，一般以單位體積重量（表觀容重）控制新拌透水混凝土的質量

3.硬化性能

抗壓強度：3.5～28MPa

抗折強度：1～3.5MPa

表觀容重：1600～2000 kg/m3

干縮：約0.002，是普通混凝土的一半，50%～80%干縮發(fā)生在10天內(nèi)

4.耐久性

抗凍性：水泥漿依靠引氣保證，整體抗凍性依靠快速排水保證?？焖賰鋈谠囼灒ˋSTM C666）不適用。

耐磨性：相對薄弱，不宜進行機械鏟雪操作。

其它耐久性：如抗硫酸鹽、抗化學腐蝕等，與普通混凝土相似，采用礦物摻合料保證。

用于道路鋪裝和地面的透水性混凝土主要有三種類型。

1.水泥透水性混凝土

這是以硅酸鹽類水泥為膠凝材料、采用單一粒級的粗骨料，不用或少用細骨料配制的無砂、多孔混凝土。該種混凝土一般采用較高強度的水泥，集灰比為3.0-4.0，水灰比為0.3-0.35?；炷涟韬衔镙^干硬， 采用加壓振動成形，形成具有連通孔隙的混凝土。硬化后的混凝土內(nèi)部通常含有20%左右的連通孔隙，相應的表現(xiàn)密度低于普通混凝土， 通常為1 700-2 200 kg/ m3?？箟簭姸瓤蛇_15-35 MPa， 抗折強度可達3-5 MPa， 透水系數(shù)為1-15mm/ s。該種透水性混凝土成本低，制作簡單， 可用于道路鋪筑及預制成品應用。但由于含有較多的連通孔隙， 其強度及耐磨性、抗凍性是工程應用技術主要指標。

2.高分子透水性混凝土

這是采用單一粒級的粗骨料， 以瀝青或高分子樹脂為膠結材料配制的透水性混凝土。與水泥透水性混凝土相比， 該種混凝土強度較高， 但成本也高。同時由于有機膠凝材料耐候性較差， 在日光大氣因素作用下容易老化， 其性能受溫度影響較大，尤其是溫度升高時， 容易軟化流淌， 使透水性受到影響。因此， 在保證空隙的前提下，抗老化、熱穩(wěn)定性就是保證質量的關鍵。

3.燒結透水性制品

以廢棄的瓷磚、長石、高嶺土、粘土等礦物的粒狀物和漿體拌合， 壓制成坯體， 經(jīng)高溫煅燒而成，具有多孔結構的塊體材料。該類透水性材料強度高， 耐磨性好， 耐久性優(yōu)良， 但燒結過程需要消耗能量，成本較高， 適用于用量較小的園林、廣場、景觀道路鋪裝部位。

透水性混凝土原材料

透水性混凝土的組成材料包括水泥、骨料和水，必要時還可摻入增強劑或減水劑等外加劑。

(1)水泥。由于透水混凝土少用或不用細骨料，可將其看做是粗骨料顆粒與水泥石膠結而成的多孔堆聚結構。研究混凝土的結構破壞特征可以發(fā)現(xiàn)，水泥石與粗骨料界面的粘結強度，往往是混凝土中最薄弱的環(huán)節(jié)。由于骨料的強度遠高于混凝土的強度，因而結構的破壞常常是發(fā)生在骨料界面間的水泥石層中。從而可以看出，水泥的活性、品種、數(shù)量是決定混凝土強度的關鍵因素。所以，透水性混凝土要采用強度較高、混合材料摻量較少的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥強度等級最好在32．5以上。水泥漿的最佳用量以剛好能夠完全包裹骨料的表面，形成一種均勻的水泥漿膜為適度，通常水泥用量在250~400kg/m3范圍內(nèi)。

(2)骨料。骨料可以采用普通砂、碎石，也可以采用浮石、陶粒等輕骨料，甚至也可用廢棄建筑物的碎磚、廢棄混凝土等。骨料粒徑的大小，應視透水混凝土結構的厚度和強度而定。通常粗骨料的粒徑不宜過大。大于20mm的骨料應控制在5%以內(nèi)，最大粒徑不應超過25mm，細骨料含量也不宜太多。試驗資料表明，骨料粒徑愈小，骨料堆積的孔隙率愈大且顆粒間的接觸點愈多，透水性混凝土的強度越高。

透水性混凝土的顆粒級配是決定其強度和透水性的主要因素之一。為了保證透水性混凝土的強度及透水功能，粗骨料通常采用粒徑較小的單一粒級，如10~20mm或5~lOmm。對碎石型的粗骨料除應滿足強度和壓碎指標要求外，針片狀顆粒含量要嚴格控制，且骨料的含泥量應不大于1%。

(3)外加劑。添加一定量的增強劑，有助于提高水泥漿與骨料的界面強度；添加減水劑，有助于改善混凝土成型時的和易性并提高強度；為了改善美觀性，還可以添加一定量的著色劑；添加一定量的消石灰可增加水泥漿的粘性，提高施工時面層的平整度。冬季施工時可酌情采用硫酸鈉、氯化鈣、木素磺酸鈣等早強劑，以加速混凝土的硬化。

透水性混凝土配合比設計

透水性混凝土的配比設計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構特征，可以認為1m3混凝土的外觀體積由骨料堆積而成。因此配合比設計的原則是將骨料顆粒表面用水泥漿包裹，并將骨料顆?；ハ嗾辰Y起來，形成一個整體。而不需要將骨料之間的空隙填充密實。1m3透水性混凝土的重量應為骨料的緊密堆積密度和單方水泥用量及用水量之和，大約在1600~2lOOkg的范圍之內(nèi)。根據(jù)這個原則，可以初步確定透水性混凝土的配比。

(1)骨料用量。1m3混凝土所用的骨料總量取骨料的緊密堆積密度的數(shù)值，大致在1200~1400kg。其中主要采用粗骨料，細骨料量在控制在20%以內(nèi)。

(2)水泥用量。試驗資料表明，保證在最佳用水量的前提下，適當增加水泥用量，能夠增加骨料周圍水泥漿膜層的稠度和厚度，可有效地提高透水性混凝土的強度。但水泥用量過大會使?jié){體增多，減少孔隙率，降低透水性。同時水泥用量受所用骨料的粒徑影響，如果骨料的粒徑較小，骨料的比表面積較大，則應適當增加水泥用量。通常透水性混凝土的水泥用量在250~350kg/m3范圍內(nèi)。

(3)水灰比。水灰比既影響透水混凝土的強度，又影響其透水性。透水混凝土的水灰比一般是隨著水泥用量的增加而減小，但只是在一個較小的范圍內(nèi)波動。對特定的某一骨料和水泥用量，有一最佳水灰比，此時透水混凝土才會具有最大的極限抗壓強度。當水灰比小于這一最佳值時，水泥漿難以均勻地包裹所有的骨料顆粒，工作度變差，達不到適當?shù)拿芏龋焕趶姸鹊奶岣?。反之，如果水灰比過大，易產(chǎn)生離析，水泥漿會從骨料顆粒上淌下，形成不均勻的混凝土組織，既不利于透水，也不利于強度。一般透水性混凝土的水灰比介于0.20~0.35之間。

(4)拌合水。采用一般結凈的飲用水，單方用水量控制在80~120kg/m3范圍內(nèi)。

(5)試配檢驗。透水性混凝土拌合物比較干硬，一般采用VB稠度指標來衡量，在10~20s之內(nèi)比較合適。所以初步計算配合比后，試拌測定拌合物的工作度，可初步驗證配比設計是否合理。然后，在試驗室內(nèi)配制試塊，按標準方法養(yǎng)護，測定28d強度，最后確定配比。

1）按設計要求完成路基和碎石基層準備：

— 一般路基壓實≥93%密實度

— 鋪設土工布和碎石層，碎石分層鋪設壓實，每層厚度不低于15cm。

2）透水路面施工步驟：

— 支模

— 在碎石層表面噴霧，保持潮濕

— 檢驗新拌透水混凝土——現(xiàn)場測試容重（容重? 壓實容重?空隙率?強度 ）

— 透水混凝土采用罐車直接下料或斗車轉運

— 攤鋪，輥壓密實（可覆蓋養(yǎng)護膜進行），或墊板輕微振動密實，或專用平板振動器——需要經(jīng)驗豐富員工操作

— 按設計要求，用專用有凸輪輥切出接縫

— 覆蓋養(yǎng)護膜養(yǎng)護至少7天

此外，還可以制作為彩色的和露石，使地面或路面更加美觀，起到美化環(huán)境作用。

本項目將透水性混凝土設計理論應用到復合地基樁體設計中，提出了集快速排水與高承載性能于一身的透水性混凝土樁復合地基，并研究了其靜態(tài)和動態(tài)工作機理。通過一系列室內(nèi)試驗提出了適于復合地基的透水性混凝土設計方法，并建立了混凝土強度增長模型和孔隙-滲透性模型。針對現(xiàn)有的透水性混凝土滲透系數(shù)測試裝置存在試件側壁滲漏問題，提出了一種試件側面防水涂抹 柔性夾層 套筒剛性壁的防側漏復合結構，提高了滲透系數(shù)測試精度。研制了透水性混凝土樁堵塞模擬裝置，研究了透水性混凝土樁的堵塞勢。通過模型試驗和數(shù)值計算等手段研究了透水性混凝土樁承載和排水耦合效應，揭示了分級加載下超靜孔隙水壓力、樁土應力比及沉降等的時空演變規(guī)律，給出了地基固結沉降和承載力計算方法。通過振動臺模型試驗和動態(tài)數(shù)值模擬研究了地震過程中透水性混凝土樁的減壓減震耦合效應，揭示了震時和震后超靜孔隙水壓力的長消規(guī)律，研究了樁體設置對地基響應加速度的影響，并探究了透水性混凝土樁復合地基液化規(guī)律。通過對復合地基設計參數(shù)進行靈敏度分析優(yōu)化了復合地基設計，并結合實際工程開展了施工方法研究。透水性混凝土樁兼具散體樁和剛性樁的優(yōu)點，而且節(jié)約工程成本，應用前景廣闊。本項目具有重要理論和工程創(chuàng)新價值。 2100433B

本項目擬將透水性混凝土設計理論應用到復合地基樁體設計中，提出集快速排水與高承載性能于一身的透水性混凝土樁復合地基，并研究其靜態(tài)和動態(tài)工作機理。通過實驗提出適于復合地基的透水性混凝土設計方法，并建立混凝土強度增長模型和孔隙-滲透性模型。通過模型試驗和數(shù)值計算等手段研究透水性混凝土樁承載和排水耦合效應，揭示分級加載下超靜孔隙水壓力、樁土應力比及樁端阻力和樁側摩阻力的時空演變規(guī)律，給出地基固結沉降和承載力計算方法。通過振動臺模型試驗和動態(tài)數(shù)值模擬研究地震過程中透水性混凝土樁的減壓減震耦合效應，揭示震時和震后超靜孔隙水壓力的長消規(guī)律，研究樁體設置對地基響應加速度的影響，并探究透水性混凝土樁復合地基液化規(guī)律。通過對復合地基設計參數(shù)進行靈敏度分析來優(yōu)化復合地基設計，并結合實際工程開展施工方法研究。透水性混凝土樁兼具散體樁和剛性樁的優(yōu)點，而且節(jié)約工程成本，應用前景廣闊。本項目具有重要理論和工程創(chuàng)新價值。