透水性混凝土

1.吸音降噪功能

沿用的混凝土路面的行车噪音随车速、车流、车载不断增大，以至噪声成为混凝土路面应用的环境障碍， 尤其是对噪声敏感的居住区。1992 年， 奥地利发明了“吸音混凝土”， 使噪声降低6-l0 dB(A)， 在120 km/ h 行驶速度下，其降噪效果可同沥青透水路面相比。此后，英国、比利时纷纷进行了相关研究开发。吸音混凝土是通过外露的集料表面， 使声波和压力波在空隙中自行消散。其结构组成是在普通混凝土路面上铺设4 cm 厚混凝土， 其中有由6-l0 mm 耐磨的优质石料混凝土所组成的磨耗层。为形成“ 露骨”， 在摊铺后， 即洒布缓凝剂经12-48 h 后， 用水清除水泥浆， 从而形成多孔、抗滑的表面。集料越细，降噪效果越好， 但颗粒越细越易脱落， 且低噪音路面造价增加10% 。此外， 为降低噪声，日本、荷兰还研究了孔隙率> 20%的多孔混凝土，但后者必须掺加聚合物或类似掺加剂。透水性路面除本身固有的防水溅和透水性能之外，还具有降低噪声的作用。排水路面所以能够降低噪声，是因为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，即通过导热、气流及机械振动等能量转换方式，使声音降低或消失。其吸音机制有多孔吸管、振动吸音和共鸣吸音等三种。透水性路面具有多孔吸音和共鸣吸音的功能。这里，吸音材料的空隙起着重要作用。就吸音而言， 透水性路面的孔隙形式，可以分为有效孔隙、半有效孔隙和无效孔隙。有效孔隙能够起多孔吸音作用， 共鸣吸音为噪声共鸣所致。但是，如果透水性路面凹凸不平， 便不能很好地共鸣， 就会降低吸音效果。

关于透水性路面， 在上述三种类型的吸音机制中，多孔型吸音占主要地位。多孔型吸音的吸音量的大小取决于孔隙对于气流的摩阻性、孔隙率、孔隙形状等。因此，要使路面具有比较好的吸音效果， 必须从材料、配合比和施工方法等方面进行考虑和系统研究。

关于材料厚度对于吸音性能的影响， 一股情况下， 路面厚度加大， 吸音效果就好，反之则相反。多孔型吸音的主要原理是孔隙对于气流的摩阻， 声音的消失量与空气的流动速度成正比。因此，如果音波从空气流动速度快的位置入射， 吸音效果就好， 应该指出，必须始终保持路面材料具有某种程度的通气性，“厚度”理论才能成立。当然，如果材料孔隙对于气流的摩阻力、孔隙率和孔隙形状达不到要求， 即使增加路面厚度， 也不会收到良好的吸音效果。

综上所述，透水性路面的吸音效果受路面存在的孔隙条件和路面的厚度影响限大。厚度越大，吸音效果越好。当然，降低透水性路面的噪音， 取决于多种因素， 因为交通噪音除车辆发动机的声音和行车的声音之外，还有轮胎和路面接触发出的声音。但是， 从筑路方面采取措施， 使路面具有吸音、降噪效果，则具有划时代的意义。

2.生态环保功能

本文推荐的是区别于传统混凝土的新型混凝土。代表性的是透水性生态混凝土新型水泥混凝土或沥青混凝土材料铺面及其制。

此前， 至少在土木工程范围， 坍落度足量小，足够密实的混凝土是拌制良好的混凝土的准则。然而，高流动混凝土即使其坍落度非常大也能拌制出来密实坚固的优良的混凝土，以高分子沥青等作为胶结材料制成的沥青混凝土，一般也是做成密实不透水的路面。透水性混凝土与水泥、沥青混凝土是完全不一样的混凝土。但它们也有通用的技术(如: 设计、生产、施工、养护等方面)。在此， 对于透水性混凝土的要求背景及其可行的技术背景应作为今后的研发重心。

论述透水混凝土时， 从“ 生态环境’角度阐述透水混凝土在以往的混凝土范畴里见到的是空隙多的不良混凝土， 然而， 此种空隙却赋与了混凝土以新的功能。该功能可使透水混凝土应用于各种生态环境，从而在各方面获得推广。透水混凝土主要用于路面、护岸和排水方面。利用其非常好的透水性， 制造透水性混凝土制品， 并广泛用于地下水集水、道路排水路面及其配制成品。近来， 透水混凝土不仅只限于工厂制品， 而且被进一步推广到现场浇注的透水性混凝土。如日本建设省还主张对于河川的护岸尽量不使用混凝成果应用101城市道桥与防洪土的方针。全面不使用混凝土是因为不能确保首要的安全性，而实际上有1/2 护岸不使用构筑物，其余的做成混凝土护岸及看不见混凝土的混凝土护岸， 即所谓的自然性护岸。这方面就是指植被型的透水性混凝土。作为护岸的构筑物， 一方面要确保其安全性， 一方面也要使混凝土本身具有能使植物生长的空隙。其要求性能是很高的， 必须既能确保植物生长，又能维持其必要的强度。因为植被是由空隙量的大小影响其生长面积的。所以确保实足的植被和有足够的强度使这一相互矛盾的特性达到恰当的平衡，各地正在广泛地进行开发与实验。

传统的混凝土骨料由胶结材料和砂浆完全包裹， 不能形成空隙。采用近似单一粒径的骨料分布， 骨料与骨料之间近似点的结合， 这样可以保证形成足够多的空隙。为此，必须使用强力的胶结材料。无论用水泥或沥青做胶结材料都必须有一定的点粘结强度。众所周知， 混凝土的空气量每增加1%， 其抗压强度下降4% -6% 。为确保透水性有一定百分率的连续空隙，确保植被生长， 20%的连续空隙还是很有必要的。所以混凝土的强度难以保证， 而改善水泥浆的质量足可以确保能达到一定强度的，但还不能说能达到一般普通混凝土的强度。沿用的护岸的水泥混凝土，一般C20 为保证质量的最低强度。在透水性混凝土使用初期， 无条件采用这个标准，在技术经济上是有一定难度的。与普通的水泥混凝土路面相比， 透水性道路能够使雨水迅速地渗入地表，还原成地下水， 使地下水资源得到及时补充， 保持土壤湿度， 改善城市地表植物和土壤微生物的生存条件;同时透水性路面具有较大的孔隙率， 与土壤相通， 能蓄积较多的热量， 有利于调节城市空间的温度和湿度，消除热岛现象。

3.排水防滑功能

随着我国交通运输事业迅猛发展， 对道路行车的安全舒适性有更高的要求，为了保证车辆高速行驶的安全度，提高路面粗糙度对防滑性能至关重要。作者曾于上世纪八九十年代进行抗滑路面的研究， 由于成本高， 工艺难度大而未能推广应用。2003年出现的新世纪渗透性和排水性路面抗滑性能较好。这种渗透性和排水性路面被命名为开级配摩阻层(0、G、F、C)，在美国受到汽车驾驶员的欢迎。其特点是具有“ 开式”集料结构，其中粒径较大的集料是由聚合物改性和纤维增强的作为高性能分级的沥青混合料胶结在一起的，这种具有15%以上孔隙的开式铺面结构， 可使水通过摩阻层渗流到下面的不透水层中， 并流入路旁边。应用结果是消除轮胎溅水和路表水膜形成，可保证路面的抗滑性和行车的安全度。透水性铺面是在表层或在表层和基层中利用具有高空隙率的多孔优质沥青。由于在排水性混合物层(排水层)下设置非透水层， 因此渗入到排水层的水会在非透水层上流动，从而很快地被排水设施渗入到路基下。透水性铺面主要具有以下的特点

首先能提高车辆的行驶安全:( 1) 提高雨天时路面的防滑性能(缓和hydroplaning 现象)。( 2) 减少雨天车辆行驶时所产生的水飞沫， 提高能见度。(3)缓和雨天夜间行车时车辆的前灯所产生的路面反射。( 4) 提高雨天时路面标示的能见度。其次，改善沿途的环境:( 1) 减少车辆行驶时的噪音。( 2) 减少沿途行驶车辆的溅水，防低路面水膜形成， 提高行车安全度。( 3) 当集中降雨时，能够减轻排水设施的负担，防止路面积水和夜间反光， 提高车辆、行人的通行舒适性与安全性;大量的孔隙能够吸收车辆行驶时产生的噪音，创造安静舒适的环境。一般情况下透水混凝土路面摩阻力测定值按路面的种类， 配合比设计，骨材的种类、纹理等条的差异， 其差值以百分数分布数值范围表示。透水混凝土路面摩阻系数可有用摆式仪测定， 其摆值均在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为15～25%的混凝土，也称作无砂混凝土。随着人类对改善生态环境、保护家园越来越重视，透水水泥混凝土也正在获得越来越多的应用。透水水泥混凝土特别适合用于城市公园、居民小区、工业园区、体育场、学校、医院、停车场等等的地面和路面。因为，采用透水水泥混凝土具有下列优点：

1)增加城市可透水、透气面积，加强地表与空气的热量和水分交换，调节城市气候，降低地表温度，有利于缓解城市“热岛现象”，改善地面植物和土壤微生物的生长条件和调整生态平衡。 2)充分利用雨雪降水，增大地表相对湿度，补充城区日益枯竭的地下水资源，发挥透水性路基的“蓄水池”功能。

3)能够减轻降雨季节道路排水系统的负担，明显降低暴雨对城市水体的污染。

4)吸收车辆行驶时产生的噪音，创造安静舒适的生活和交通环境，雨天防止路面积水和夜间反光。

5)具有良好的耐磨性和防滑性，有效地防止行人和车辆打滑，改善车辆行驶及行人的舒适性与安全性。

6)冬天不会在路面形成黑冰（由霜雾形成的一层几乎看不见的薄冰，极危险），提高了车辆、行人的通行舒适性与安全性

7)大量的空隙能吸附城市污染物粉尘，减少扬尘污染。

8)可以根据环境及功能需要设计图案，颜色，充分与周围环境相结合。

1.透水性能

一般在120～320升/㎡/min（2～5.3mm/s）范围，最高超过700升/㎡/min（12mm/s）。空隙会被灰土和杂物堵塞，需要定期养护，真空清扫维持透水性能。

2.新拌性能

坍落度：较低，一般在20～50mm，不适合泵送

工作性：损失较快，通常需要缓凝

表观容重：强度与空隙率密切相关，一般以单位体积重量（表观容重）控制新拌透水混凝土的质量

3.硬化性能

抗压强度：3.5～28MPa

抗折强度：1～3.5MPa

表观容重：1600～2000 kg/m3

干缩：约0.002，是普通混凝土的一半，50%～80%干缩发生在10天内

4.耐久性

抗冻性：水泥浆依靠引气保证，整体抗冻性依靠快速排水保证。快速冻融试验（ASTM C666）不适用。

耐磨性：相对薄弱，不宜进行机械铲雪操作。

其它耐久性：如抗硫酸盐、抗化学腐蚀等，与普通混凝土相似，采用矿物掺合料保证。

用于道路铺装和地面的透水性混凝土主要有三种类型。

1.水泥透水性混凝土

这是以硅酸盐类水泥为胶凝材料、采用单一粒级的粗骨料，不用或少用细骨料配制的无砂、多孔混凝土。该种混凝土一般采用较高强度的水泥，集灰比为3.0-4.0，水灰比为0.3-0.35。混凝土拌合物较干硬， 采用加压振动成形，形成具有连通孔隙的混凝土。硬化后的混凝土内部通常含有20%左右的连通孔隙，相应的表现密度低于普通混凝土， 通常为1 700-2 200 kg/ m3。抗压强度可达15-35 MPa， 抗折强度可达3-5 MPa， 透水系数为1-15mm/ s。该种透水性混凝土成本低，制作简单， 可用于道路铺筑及预制成品应用。但由于含有较多的连通孔隙， 其强度及耐磨性、抗冻性是工程应用技术主要指标。

2.高分子透水性混凝土

这是采用单一粒级的粗骨料， 以沥青或高分子树脂为胶结材料配制的透水性混凝土。与水泥透水性混凝土相比， 该种混凝土强度较高， 但成本也高。同时由于有机胶凝材料耐候性较差， 在日光大气因素作用下容易老化， 其性能受温度影响较大，尤其是温度升高时， 容易软化流淌， 使透水性受到影响。因此， 在保证空隙的前提下，抗老化、热稳定性就是保证质量的关键。

3.烧结透水性制品

以废弃的瓷砖、长石、高岭土、粘土等矿物的粒状物和浆体拌合， 压制成坯体， 经高温煅烧而成，具有多孔结构的块体材料。该类透水性材料强度高， 耐磨性好， 耐久性优良， 但烧结过程需要消耗能量，成本较高， 适用于用量较小的园林、广场、景观道路铺装部位。

透水性混凝土原材料

透水性混凝土的组成材料包括水泥、骨料和水，必要时还可掺入增强剂或减水剂等外加剂。

(1)水泥。由于透水混凝土少用或不用细骨料，可将其看做是粗骨料颗粒与水泥石胶结而成的多孔堆聚结构。研究混凝土的结构破坏特征可以发现，水泥石与粗骨料界面的粘结强度，往往是混凝土中最薄弱的环节。由于骨料的强度远高于混凝土的强度，因而结构的破坏常常是发生在骨料界面间的水泥石层中。从而可以看出，水泥的活性、品种、数量是决定混凝土强度的关键因素。所以，透水性混凝土要采用强度较高、混合材料掺量较少的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥强度等级最好在32．5以上。水泥浆的最佳用量以刚好能够完全包裹骨料的表面，形成一种均匀的水泥浆膜为适度，通常水泥用量在250~400kg/m³范围内。

(2)骨料。骨料可以采用普通砂、碎石，也可以采用浮石、陶粒等轻骨料，甚至也可用废弃建筑物的碎砖、废弃混凝土等。骨料粒径的大小，应视透水混凝土结构的厚度和强度而定。通常粗骨料的粒径不宜过大。大于20mm的骨料应控制在5%以内，最大粒径不应超过25mm，细骨料含量也不宜太多。试验资料表明，骨料粒径愈小，骨料堆积的孔隙率愈大且颗粒间的接触点愈多，透水性混凝土的强度越高。

透水性混凝土的颗粒级配是决定其强度和透水性的主要因素之一。为了保证透水性混凝土的强度及透水功能，粗骨料通常采用粒径较小的单一粒级，如10~20mm或5~lOmm。对碎石型的粗骨料除应满足强度和压碎指标要求外，针片状颗粒含量要严格控制，且骨料的含泥量应不大于1%。

(3)外加剂。添加一定量的增强剂，有助于提高水泥浆与骨料的界面强度；添加减水剂，有助于改善混凝土成型时的和易性并提高强度；为了改善美观性，还可以添加一定量的着色剂；添加一定量的消石灰可增加水泥浆的粘性，提高施工时面层的平整度。冬季施工时可酌情采用硫酸钠、氯化钙、木素磺酸钙等早强剂，以加速混凝土的硬化。

透水性混凝土配合比设计

透水性混凝土的配比设计还没有成熟的计算方法，根据透水性混凝土所要求的孔隙率和结构特征，可以认为1m³混凝土的外观体积由骨料堆积而成。因此配合比设计的原则是将骨料颗粒表面用水泥浆包裹，并将骨料颗粒互相粘结起来，形成一个整体。而不需要将骨料之间的空隙填充密实。1m³透水性混凝土的重量应为骨料的紧密堆积密度和单方水泥用量及用水量之和，大约在1600~2lOOkg的范围之内。根据这个原则，可以初步确定透水性混凝土的配比。

(1)骨料用量。1m³混凝土所用的骨料总量取骨料的紧密堆积密度的数值，大致在1200~1400kg。其中主要采用粗骨料，细骨料量在控制在20%以内。

(2)水泥用量。试验资料表明，保证在最佳用水量的前提下，适当增加水泥用量，能够增加骨料周围水泥浆膜层的稠度和厚度，可有效地提高透水性混凝土的强度。但水泥用量过大会使浆体增多，减少孔隙率，降低透水性。同时水泥用量受所用骨料的粒径影响，如果骨料的粒径较小，骨料的比表面积较大，则应适当增加水泥用量。通常透水性混凝土的水泥用量在250~350kg/m³范围内。

(3)水灰比。水灰比既影响透水混凝土的强度，又影响其透水性。透水混凝土的水灰比一般是随着水泥用量的增加而减小，但只是在一个较小的范围内波动。对特定的某一骨料和水泥用量，有一最佳水灰比，此时透水混凝土才会具有最大的极限抗压强度。当水灰比小于这一最佳值时，水泥浆难以均匀地包裹所有的骨料颗粒，工作度变差，达不到适当的密度，不利于强度的提高。反之，如果水灰比过大，易产生离析，水泥浆会从骨料颗粒上淌下，形成不均匀的混凝土组织，既不利于透水，也不利于强度。一般透水性混凝土的水灰比介于0.20~0.35之间。

(4)拌合水。采用一般结净的饮用水，单方用水量控制在80~120kg/m³范围内。

(5)试配检验。透水性混凝土拌合物比较干硬，一般采用VB稠度指标来衡量，在10~20s之内比较合适。所以初步计算配合比后，试拌测定拌合物的工作度，可初步验证配比设计是否合理。然后，在试验室内配制试块，按标准方法养护，测定28d强度，最后确定配比。

1）按设计要求完成路基和碎石基层准备：

— 一般路基压实≥93%密实度

— 铺设土工布和碎石层，碎石分层铺设压实，每层厚度不低于15cm。

2）透水路面施工步骤：

— 支模

— 在碎石层表面喷雾，保持潮湿

— 检验新拌透水混凝土——现场测试容重（容重 压实容重空隙率强度 ）

— 透水混凝土采用罐车直接下料或斗车转运

— 摊铺，辊压密实（可覆盖养护膜进行），或垫板轻微振动密实，或专用平板振动器——需要经验丰富员工操作

— 按设计要求，用专用有凸轮辊切出接缝

— 覆盖养护膜养护至少7天

此外，还可以制作为彩色的和露石，使地面或路面更加美观，起到美化环境作用。

本项目将透水性混凝土设计理论应用到复合地基桩体设计中，提出了集快速排水与高承载性能于一身的透水性混凝土桩复合地基，并研究了其静态和动态工作机理。通过一系列室内试验提出了适于复合地基的透水性混凝土设计方法，并建立了混凝土强度增长模型和孔隙-渗透性模型。针对现有的透水性混凝土渗透系数测试装置存在试件侧壁渗漏问题，提出了一种试件侧面防水涂抹 柔性夹层 套筒刚性壁的防侧漏复合结构，提高了渗透系数测试精度。研制了透水性混凝土桩堵塞模拟装置，研究了透水性混凝土桩的堵塞势。通过模型试验和数值计算等手段研究了透水性混凝土桩承载和排水耦合效应，揭示了分级加载下超静孔隙水压力、桩土应力比及沉降等的时空演变规律，给出了地基固结沉降和承载力计算方法。通过振动台模型试验和动态数值模拟研究了地震过程中透水性混凝土桩的减压减震耦合效应，揭示了震时和震后超静孔隙水压力的长消规律，研究了桩体设置对地基响应加速度的影响，并探究了透水性混凝土桩复合地基液化规律。通过对复合地基设计参数进行灵敏度分析优化了复合地基设计，并结合实际工程开展了施工方法研究。透水性混凝土桩兼具散体桩和刚性桩的优点，而且节约工程成本，应用前景广阔。本项目具有重要理论和工程创新价值。 2100433B

本项目拟将透水性混凝土设计理论应用到复合地基桩体设计中，提出集快速排水与高承载性能于一身的透水性混凝土桩复合地基，并研究其静态和动态工作机理。通过实验提出适于复合地基的透水性混凝土设计方法，并建立混凝土强度增长模型和孔隙-渗透性模型。通过模型试验和数值计算等手段研究透水性混凝土桩承载和排水耦合效应，揭示分级加载下超静孔隙水压力、桩土应力比及桩端阻力和桩侧摩阻力的时空演变规律，给出地基固结沉降和承载力计算方法。通过振动台模型试验和动态数值模拟研究地震过程中透水性混凝土桩的减压减震耦合效应，揭示震时和震后超静孔隙水压力的长消规律，研究桩体设置对地基响应加速度的影响，并探究透水性混凝土桩复合地基液化规律。通过对复合地基设计参数进行灵敏度分析来优化复合地基设计，并结合实际工程开展施工方法研究。透水性混凝土桩兼具散体桩和刚性桩的优点，而且节约工程成本，应用前景广阔。本项目具有重要理论和工程创新价值。