生态透水性混凝土研究现状及应用

许艳平，李函，范志宏

（1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

0 引言

近年来，随着对绿色、生态与和谐发展的日益重视，人们不仅关注混凝土的强度与耐久性，而且对混凝土的生态功能也有了进一步的要求，开始由普通混凝土向高孔隙率、透气的生态混凝土方向发展。透水混凝土就是其中的一种生态混凝土，因其高孔隙率以及不低的强度，得以在城市路面以及岸滩边坡广泛应用，既具有传统混凝土所具备的功能，又可以保护环境，维持生态平衡，具有较好的社会效益以及生态效益。

生态透水性混凝土是以单级配粗骨料为骨架、水泥浆体将粗骨料包覆并粘结为一体的具有大量连通孔隙的多孔混凝土材料[1]。目前，生态透水性混凝土主要分为植生型透水性混凝土与道路型透水性混凝土2种，植生型透水性混凝土是一种植物能够直接在其表面生长的混凝土[2]，多用于岸滩坡面的护岸结构，能够改善岸滩生态环境。在混凝土孔隙中种植生物，外界的营养基质可以通过孔隙渗入至根部，混凝土内部的热量也能通过孔隙与外界进行交换，从而减少城市的“热岛”效应，起到缓解温室效应、改善生态环境的作用。道路型透水性混凝土主要应用于城市道路路面、公园人行道等处，被污染的雨水能通过混凝土孔隙向下渗透至城市地下排水沟，部分污染物被生态混凝土的复合吸附材料阻挡滞留在孔隙处，可有效减少城市内涝，同时起到了净化地下水的效果，对于建设绿色、生态环境具有重要的意义。

目前国内外对于生态透水性混凝土开展了一定的研究，但是对于生态透水性混凝土的研究、设计、制备等方面并没有统一的标准。本文针对生态透水性混凝土原材料的选择、配合比的设计、成型工艺以及混凝土的性能测试等方面做了总结，可为后续的配制及应用提供参考。

1 生态透水性混凝土的制备

1.1 原材料

1.1.1 骨料

生态透水性混凝土的骨料主要是单级配的粗骨料，适用的骨料主要有玄武岩碎石、再生骨料、陶粒等。基于不同用途的生态透水性混凝土对孔隙率有不同的要求，透水路面、透水砌衬板材等宜选择5~10 mm粒径的碎石，路基透水混凝土宜选择10~25 mm粒径的碎石，植生透水混凝土宜选择25~31.5 mm粒径的碎石。透水性混凝土的骨料粒径不可过大，过大的骨料会导致胶凝材料浆体无法发挥粘结骨料的作用，出现流浆情况，同时也会导致混凝土的强度降低。

1.1.2 胶凝材料

生态透水性混凝土的胶凝材料主要以水泥为主，掺入矿粉、粉煤灰、硅灰等矿物掺合料[3]。在保证透水性的同时，胶凝材料可以有效提高混凝土的其他性能。Aoki等[4]研究发现，在生态透水性混凝土中掺入粉煤灰会降低混凝土的强度，而且随着粉煤灰掺量的增加，透水性混凝土的强度持续降低。Haji等[5]将粉煤灰与硅灰作为不同的因素，选用不同的水平进行对比试验，结果表明，粉煤灰的掺入会降低透水性混凝土的强度及透水性能，硅灰的掺入可提高透水性混凝土的强度，但透水性能会相应降低。Raghwani等[6]通过试验研究硅灰对透水性混凝土性能的影响，得到了与Haji类似的结论，即硅灰的掺入提高了透水性混凝土的抗压强度。

此外，国内外部分学者还使用树脂作为胶凝材料进行生态透水性混凝土的制备。刘宁宁和陈征征[7]研究了不同的胶凝材料下生态透水性混凝土的性能变化，试验结果发现，水泥作为胶凝材料时，生态透水性混凝土的整体性能随着水灰比的增大而降低，而将水泥与树脂比较时发现，使用水泥胶材时力学性能较为良好，但是透水性能略差。

1.2 配合比设计

生态透水性混凝土的配合比设计主要有3种方法，即体积法、质量法、比表面积法。体积法是设定一个初始的孔隙率，而集料的骨架间隙率也可作为评价集料级配的间接指标，所以利用集料孔隙率作为基础进行计算，来控制浆体的用量；质量法又称经验图表法，是利用经验图表以及以往的试验基础，快速计算所需的材料用量，此方法适合于施工现场使用，快速成型，但是精确度不高，不适用于试验室研究使用；比表面积法是计算骨料的表面积，通过骨料表面积计算得出包浆的体积以及质量。

为保证透水率、足够的安全性和稳定性，生态透水性混凝土的集料级配设计应同时满足一定的孔隙率要求和强度要求。生态透水性混凝土的骨料较好的排列方式为粗骨料紧密镶嵌，但是互相不干涉，通过骨料之间的摩擦力紧密排列。

Dang Hanh Nguyen等[8]通过浆体包裹并粘结骨料，用骨料的表面积以及浆体的粘结厚度求得各个材料用量的配合比，形成了目前常用的绝对体积法设计多孔混凝土配合比；行业标准CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》和CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》均采用此方法进行配合比计算。

郑木莲等[9]以孔隙率为设计主要指标，考察水泥用量、水灰比及集料级配3个因素；各因素取4个水平，进行正交试验，对试验结果进行方差分析，提出不同置信概率下对设计指标有显著影响的因素，得出振动成型法混凝土7 d抗压强度和有效孔隙率的一系列回归关系式。

胡静[10]通过生态透水混凝土骨架结构与性能关系的量化分析，调控骨料粒径、浆体组成及骨料/浆体比例等骨架结构的关键参数，构建基于性能的配合比设计方法，并结合跳桌、分样筛等装置测量最大包裹厚度MPCT，基于浆体流变性与MPCT的关系，确定浆体厚度设计范围，以此来优化浆体组成和用量，为基于浆体包裹法的设计提供了理论基础。

张骏等[11]以骨料的比表面积和浆体厚度为主要设计依据，提出了一种新的生态透水混凝土的配合比设计方法，主要是引入骨料比表面积和浆体厚度2个参数，据此设定合理的浆体厚度和水胶比，再通过计算所得骨料的比表面积确定浆体的体积，最终确定配合比，解决了生态透水混凝土工作性能、强度与透水性能之间的矛盾。

1.3 成型工艺设计

透水性混凝土的成型工艺会对混凝土的孔隙率以及强度有着重要的改变，目前透水性混凝土的成型工艺主要有振动成型、击实成型、静压成型、插捣成型等方法。

龚平等[12]使用振动成型法将混凝土拌合物一次性装入混凝土试模中，置于振动台上振动至要求时间后进行养护和测试。试验发现，随着振动时间的延长，透水生态混凝土的28 d抗压强度逐渐提高，但抗压强度增加的幅度逐渐放缓，透水系数随着振动时间的延长不断下降，其试验的最佳振动时间为8 s。

张敏特等[13]采用击实成型的方法，使用10 kg击实锤对装模后的试块进行均匀击实，每6个试块为1组，分别击打10、20、30次，最后手工整平模块表面。通过试验发现透水混凝土的抗压强度明显提高，当击实次数达到30次时，抗压强度最高，可满足透水铺装要求。主要原因是随着击实次数增加，颗粒在碎石孔隙中相互镶嵌，强化了颗粒间的机械咬合力，包裹在集料表面的水泥浆粘结面增大并且挤压密实，使水泥水化后的混凝土强度得到提高。

胡阳等[14]以插捣和锤击2种入模成型方式进行试验，考察不同成型工艺对试块力学性能和透水系数的影响。通过试验发现，锤击组的强度明显低于插捣组，透水系数高于插捣组，主要是因为采用锤击方式，会保留部分孔隙，导致强度降低，混凝土透水系数升高。

木山直道等[15]采用牡蛎壳和碎石制备生态混凝土，并固化夯实进行试验。结果发现，使用剪切法成型的混凝土强度较高，工作性能更好，而使用振动成型的混凝土强度略低。

对于生态透水性混凝土来说，保持较高的孔隙率和一定的强度，对于混凝土成型工艺有一定的要求。而国内对于生态透水性混凝土的成型工艺方面并没有一个可供参考的规范，在要求的孔隙率下，采用何种成型方法以及各种成型方法的细节处理是目前透水性混凝土成型工艺方面研究的重点。

2 生态透水性混凝土的性能

2.1 强度与透水性

生态透水性混凝土的强度与透水性呈相互制约的状态。以往的试验研究表明，骨料粒径越大，混凝土的孔隙率越大，透水性越好，但是抗压强度越低；骨料粒径越小，其孔隙率随之变小，透水性会逐渐降低，但混凝土的抗压强度会提高。

冯伟等[16]针对强度等级为C30、透水系数为2.0 cm/s以上的高标准透水混凝土进行研究，以目标孔隙率、成型方式、拌合方式为变量进行试验，结果发现，生态透水混凝土的抗压强度随着孔隙率的增大而降低，透水性随着孔隙率的增大而提高；得到抗压强度及透水系数的最优组合为：目标孔隙率15%、采用水泥裹石法拌合及静压力成型法。

樊毅[17]研究发现，在同等配合比条件下，以废弃预制混凝土梁构件作为再生骨料制备的透水性混凝土性能优于天然骨料透水混凝土。此外，再生骨料透水混凝土可以通过掺入粉煤灰进行提高抗压强度，但透水性因此下降；掺入钢纤维可以使得孔隙率和透水系数显著提高，但抗压强度下降。

杨健荣[18]以骨料为研究对象，根据水灰比，研究了再生骨料透水性混凝土的抗压强度以及水灰比为0.30~0.43时，再生骨料透水性的变化规律，得到了抗压强度在10~15、15~20 MPa范围内的透水再生混凝土的最佳配合比，为透水再生混凝土在城市生态建设中的应用提供依据。

透水性混凝土的强度与透水性在同一配合比与成型工艺制备的混凝土大致呈现相反的变化，即随着强度的提高，透水性混凝土的透水性随之下降；随着透水性的提高，混凝土的强度也会随之降低。如何在同一配合比和相同的成型工艺下，寻找一个平衡点，既能满足强度的要求，又能提高透水性，是透水混凝土大范围应用的前提。

2.2 耐久性

由于生态透水性混凝土有较高的孔隙率，孔隙水含量较高，在低温情况下容易发生冻融破坏，对耐久性有较大的影响。因此，目前对透水性混凝土耐久性的研究主要为抗冻性的研究。国内外学者主要通过冻融循环试验来对混凝土的耐久性进行评价。

李龙飞等[19]从现有普通混凝土透水路面砖的自身缺陷和力学缺陷入手，总结出缺损或粘皮、裂缝、表面不平整、配合比不合理、冻融及盐冻等会影响普通混凝土透水路面砖的耐久性。

陈春和徐丹[20]对再生透水混凝土试件进行50次冻融循环试验，以冻融循环后试件抗压强度与冻融循环前标准试件抗压强度的比值评价再生透水混凝土的耐久性。结果发现，再生骨料的掺入会降低透水混凝土的耐久性能，且随着掺量的增加，在干湿循环和冻融循环后混凝土的强度衰减速率加快。考虑透水混凝土的长期耐久性能，推荐再生混凝土骨料在透水混凝土中的掺量不宜超过30%。

程火焰等[21]对不同孔隙率（15%、20%、25%）条件下透水性混凝土的力学性能和耐久性能进行试验，结果发现，在同一水灰比条件下，孔隙率越大，混凝土的抗冻性能越差。主要原因是孔隙率越大，孔隙中可冻水越多，导致冻融条件下混凝土的强度损失越严重。在相同孔隙率条件下，水灰比越大，冻融循环后质量损失也越大。主要原因是水灰比越大，混凝土中连接骨料的胶凝材料含量越小，形成一个脆弱点，在冻融循环时胶凝物质表面会被破坏，质量损失增大，进而影响其抗压强度。

Kevern John T和Wang Kejin[22]对生态透水混凝土现场浇筑过程进行的一系列孔隙系统特性试验，采用压力、体积、Chace和空气孔隙分析仪的空气测试方法对透水性混凝土拌合物样品进行了评价。同时对硬化混凝土样品的透水孔隙率、透水性、空气孔隙率（采用ASTM C457规定方法）和冻融循环（采用ASTM C666A规定方法）进行了测试，并对试验结果进行了比较，提出了透水混凝土冻融防护孔隙系统的确定方法。

此外，对应用于道路路面的透水性混凝土，耐磨性也是需要研究的部分，但目前国内外对此研究较少，也是日后需要关注的方向。

2.3 生态透水性混凝土孔隙碱度及降碱措施研究

生态性透水性混凝土呈现的碱性主要来源于水化后产生的大量Ca（OH）2，生产水泥的原料和煤燃烧带入的Na、K离子，外加剂引入的以及骨料中的碱。导致生态透水性混凝土孔隙碱度升高的主要是可溶性碱，而非可溶性的碱对孔隙内水环境基本没有影响。正常的透水性混凝土孔隙碱度非常高，对于周围的生态环境影响较大，同时孔隙中种植的植物也难以生存。对于有绿化要求的城市路面来说，需要研究透水性混凝土的降碱措施。

Celine Cau Dit Coumes[23]对硅酸盐水泥内部碱度的发展过程进行了研究，得出碱度发展过程可分为3个阶段：第1阶段是易溶的碱性溶液处于主导地位，混凝土的pH值高达13左右；第2阶段是由于Ca（OH）2的溶解，混凝土的pH值得到了中和，约为12.5；第3阶段的碱度是由混凝土内部的钙硅比决定的，在水化后期，水化产物基本为C-S-H凝胶，而凝胶存在一个极限的碱度，低于这个碱度凝胶就会发生分解，释放出Ca（OH）2。这个极限碱度受钙硅比的影响，且比值越小，碱度越低。

李晓东等[24]对降低生态透水混凝土砖基架的pH值、Ec值的方式进行了筛选研究，并配制抗逆性强的地被植物，优化施工方法，研制出可以应用于立体绿化墙面和屋面绿化施工用的植被砖，为立体绿化提供一种方便、快捷、低成本的施工方式。结果表明：通过浸泡水洗的方法可以达到降低混凝士pH值和Ec值的效果。

Taylor[25]通过在水泥中掺入粉煤灰等掺合料来降低多孔透水性混凝土孔隙中水溶液的pH值，主要是利用掺合料的火山灰反应活性来消耗孔隙水环境中的碱性物质，达到降碱的目的。试验表明，低钙粉煤灰可降低水泥水化后的碱性物质数量，但是当粉煤灰掺量超过50%时混凝土孔隙中水溶液的pH值仍超过12。

刘正龙和陆采荣[26]用低碱度硫铝酸盐水泥配制了生态混凝土，其内部pH值降低至8.9左右，可以满足植物生长的要求。

目前来说，对于硅酸盐水泥制备透水性混凝土，大部分采用掺入粉煤灰和矿粉，或者加入硫酸亚铁溶液等外加剂进行降碱，但是这种方法得到的混凝土要么碱度不够，要么强度明显降低。然而若是使用特种水泥（硫铝酸盐水泥），虽然强度可以达到要求，碱度也可降低，但成本较硅酸盐水泥比明显增高，无法大规模应用于城市工程中。

3 透水性混凝土的应用

透水性混凝土由于其良好的透水性以及吸附性，大多应用于城市道路路面、市政工程坡面结构、河流两岸护坡结构。自20世纪80年代以来，西欧、北美、日本等地已经开始将透水性混凝土应用于城市建设。国内从20世纪90年代开始了对于透水性混凝土的研究设计，利用透水性混凝土良好的生态相容性，在路面、岸滩边坡等处进行了应用，缓解了生态压力。

北京市石景山区的9条奥运道路在改造中使用了环保型透水砖，不仅改善了奥运场馆周边的道路设施，而且实现了雨水回收，1年可节水约1.2万m3。陈耀和郑靖靖[27]采用坡面与透水性混凝土相结合的方式，通过现场浇筑，设置100 mm厚的混凝土层，并铺设50 mm厚度的土层。该工程的应用对于河道边坡进行了有效加固，减少了水土流失。此外，混凝土的透水性保证了水体与空气的流通，维持了自然生态。透水性混凝土内部的高孔隙率，使得水体内部部分微生物吸附于此，达到了水体净化的目的。此外，2010年在上海西站综合交通枢纽南广场临时站前广场采用的透水混凝土，28 d抗压强度达到C20，透水系数大于3 mm/s，透水性能良好，改善了交通枢纽的地面状况。

在美国，透水性混凝土通常用于雨水径流管理，典型应用是停车场、道路，在某些情况下，应用于管理控制雨水容量低的道路。道路路面是日本透水性混凝土的典型应用，根据目前的政策，日本的所有人行道将被透水性混凝土系统取代，可提高安全性和驾驶舒适性。

此外，透水性混凝土开始作为一种吸声材料，应用于路面地基，来应对当前城市的噪声污染问题，目前这种应用更多的处于研究的阶段。Gerharz[28]发现4~8 mm聚集体适合于生产用于吸声目的的透水性混凝土。Marof等[29]研究了集料尺寸和级配的影响，认为使用适当的混合集料生产的透水性混凝土可以提高吸声效果。Khankhaje等[30]使用不同尺寸的油棕榈仁壳（KS）和蛤壳（CS）部分替代天然粗骨料，并验证使用KS和CS生产更清洁、更安静的透水性混凝土路面是可行的。

4 透水性混凝土存在的问题

透水性混凝土因为其良好的透水性、水体净化能力，因此在河道边坡工程、市政坡面结构等方面有着广泛的应用前景。目前，透水性混凝土由于其强度等问题，还未在大型工程开展全面的应用，主要存在以下方面问题亟待解决：

（1）配合比的设计方法是生态混凝土配合比设计的难点。行业内还没有一个统一的标准来对生态混凝土配合比进行设计，目前试验室制备透水性混凝土仍采用试错法进行试验。因此，各个试验室采用不同方法制备的透水性混凝土并没有可以比较的价值。

（2）现场施工的质量控制是生态透水性混凝土进行规模化生产的难点。由于环境的差异以及设备的不同，导致现场浇筑与试验室制备的生态透水性混凝土性能有着较大的差异。

（3）生态透水性混凝土由于其特殊的孔隙结构，导致其强度较传统混凝土低。如何保持其透水性的同时，获得更高强度的混凝土，从而能大规模应用于大型工程。

5 结语

生态透水性混凝土在道路路面雨水管理以及河岸护坡等方面发挥了一定的作用，较好地改善了生态环境。但生态透水性混凝土由于其自身的结构缺陷带来的较低强度以及较差的耐久性，使其无法得到广泛应用，大部分只是制作预制件，而在大型工程中现场浇筑透水性混凝土的应用较少。生态透水性混凝土在我国的研究仍处于起步阶段，还有大量的问题亟待解决，在人们对于生活环境和绿色生态持续关注的大环境下，透水性混凝土的发展潜力巨大，在解决了自身的缺陷问题以后，将会在更广泛的领域中得到应用。