透水混凝土分析介绍综述.doc

-_ 《新型土木工程材料》 课程考试作业 学院： 专业： 班级： 姓名： 学号： 得分： 2016年4月 透水混泥土性能与应用综述 摘要：城市化进程加快促进了人们物质生活的提高，但同时也带来了一系列的问题：如何保障城市区域降雨期间的排水通畅、保护城市区域区域的水资源和地下水资源，这些问题在世界范围内都引起了关注。透水混凝土在降水过程中能将雨水原地渗透到土壤中，从而产生了净化水体和保护水资源的效果，因此其已经得到了广泛的应用。本文综述了透水混凝土的发展历史、国内外研究概况，以及其具体的实际应用，最后还谈了其在应用领域存在的不足，旨在促进混凝土的性能优化和推广应用。 关键字：透水混凝土；排水性能；实际应用；缺陷 Abstract：The high speed of urbanization not only promoted the improvement of peoples material life , but also brought a series of problems , how to protect the water supply and drainage in urban areas during rain unobstructed , water and groundwater resource protection has become a problem worldwide. Pervious concrete in situ precipitation in rainwater infiltration into the soil , resulting in purified water and protection of water resources effect has been widely used. This paper reviews the development history of domestic and international research profiles, as well as specific practical application of pervious concrete , and finally talk about its shortcomings in the application domain .The purpose of writing this article is promoting and optimizing the performance of concrete application. Keywords: Pervious Concrete；Drainage performance；Practical application；defect 0. 引言 透水混凝土在习惯上有许多的称呼：多孔混凝土、无砂混凝土、大孔混凝土、多孔连续绿化混凝土等。其中国内和国外有不同的定义，在我国透水混凝土被定义为：“由水泥、粗集料和水拌和而成的无砂混凝土”；而在欧美一些发达国家透水混凝土被描述为：“一种由水泥结合而成的开放级配混凝土”和“拥有20％以上连通孔隙的混凝土”。 相对于传统的路面硬化铺装，透水性混凝土道路的铺设带来了很多优点： (1)透水性好，用其来铺装路面，能够使雨水快速渗入地面，及时的补充地下水，这样既能缓解城市道路的排水压力，又能使地下水得到补充； (2)降噪能力强，由于透水混凝土的结构多空隙，其可以吸收车辆在行驶过程中产生的噪声，减少城市污染； (3)缓解“城市热岛”，透水性地面由于自身一系列与外部空气及下部透水垫层相连通的多孔构造，在降雨过后，透水性地面下垫层土壤中丰富的毛细水通过自然蒸发和太阳辐射作用下的蒸腾作用使地表的温度降低。 1. 国内外透水混凝土研究与应用的现状 1.1国外研究概况 早在一百多年前，国外就已经有使用透水混凝土的记载了VMMalhortra记载[1]：在1852年，由于英国在建造工程中缺少细骨料，于是工程师们开发了不含细骨料的混凝土，即透水混凝土。 在那以后，在欧美日等发达国家，以透水混凝土为代表的各种透水工程材料得到了广泛推广应用。早在20世纪70年代，发达国家先后开始研究排水性沥青混凝土路面(Drainage As—phahPavement简称DAP)技术。继而对以透水混凝土为代表的各种透水工程材料进行系统开发应用研究。美国环境保护署大力向北美地区推广使用这一技术，特别是暴雨频发的地方。 德国从20世纪80年代起就致力于对不透水路面的改造，其目标是在不久的将来，把全国城市90％的路面改造为透水路面。日本在20世纪70年代后期提出了“雨水的地下还原政策” [2]，用于解决因抽取地下水而引起地基下沉等问题，着手开发透水性混凝土铺装，并应用于实际工程。1987年大阪近畿大学土木工程系教授玉井元治在胶结材中掺用了高分子树脂和微细骨料来制备透水性混凝土并申请了专利。目前，日本在配合比设计、施工、养护、管理等方面已形成国家级的标准规范，正在大力地推广应用[3]。从理论研究到应用开发，从原材料品质到设计方法，从施工工艺到设备选型，从技术规范到法律法规，开展了一系列推广工作，DAP技术得到广泛应用。目前，日本全国各种车用道路(包括高速公路)、步行道、建筑物外部各种广场、体育设施场地、公园和公共绿地等都广泛采用透水工程材料铺装。从2001年至今凡是新的市政建设项目和改造翻修项目全都采用透水工程材料。 1.2国内研究概况 由于我国城市化建设起步较晚，所以透水混凝土在我国的研究长期处于空白阶段。但后来随着改革开放后，城市建设加快，对这方面的研究增多，我国也进行了一些开创性的研究。1995年，中国建筑材料科学研究院率先在国内成功研制出透水混凝土，随后，清华大学的杨静等人在试验中还加入了6％硅粉、增强剂等矿物细掺料和外加剂，以改进其微观结构，提高水泥黏结剂黏结强度。使透水混凝土28 d抗压强度可达50 MPa，抗折强度达6 MPa[4]。其渗透性、抗磨损、耐久性也非常好。此外，中南大学的陈瑜、长安大学的郑木莲等人分别从矿物掺合料和外加剂的作用效果、透水混凝土的强度发展关系、弹性模量的测试方法、透水混凝土的最佳配制条件等方面进行了大量深入的研究，为改善透水混凝土的力学性能发挥了重要作用。在其应用方面：透水混凝土已经在北京奥林匹克公园和上海世博园区等很多实际工程中得到应用，其优良的透水性能和质朴美观的视觉效果，使之成为工程应用领域中的一个亮点，并推动了透水混凝土在我国研究及应用的热潮。 2. 性能研究 2.1透水性能 图 1透水混凝土良好的透水性能 透水混凝土，顾名思义，就是可以将水透过路面的混凝土。所以作为路面材料，透水混凝土的一个重要特性就是排水。在下雨的天气里，雨水落到透水混凝土地面，并渗入到路面的内部结构，通过路面内部的连通空隙流走，这样的话，雨水就不会再路面形成有害的水膜，使得路面长期处于良好状态。因此路面和车辆的轮胎得到了充分的接触，避免车辆在雨天高速行驶产生水漂的情况，行车安全性得到了提高。 长安大学的郑木莲[1]等人渊以孔隙率和渗透系数为指标，定水位试验方法，研究透水混凝土排水性能，研究结果表明：有效孔隙率随全孔隙率的增大而增大，有效孔隙率与孔隙率的比值亦随之增大，其相互之间存在相关性良好的二次项关系；但是，随着空隙率的增大，其抗压强度逐渐降低，而且抗压强度与全空隙率的相关性优于有效空隙率，见公式： ne=-0.1661n02+12.745n0-209.61R=0.9848 nen0= -0.0591n02+5.0122ne-6.684(R=0.9748) 式中：ne-孔隙率 ne-有效孔隙率 fe,7=-0.3806ne+17.058（R=0.6831） fe,7=-0.7545ne+30.873（R=0.8928） 式中：fe,7-透水混凝土7弯曲强度 n0-孔隙率 ne-有效孔隙率 美国的Liv M．Haselbac[6]等人，通过建立砂层覆盖透水混凝土表面的系统模型，模拟雨水径流在透水混凝土受到污染或小孔受阻的情况下，积极径流、被动径流对其渗透率的影响，并提出了关系方程： keef=(Ptop/100)ksand keef-有覆盖层的混凝土有效渗透率； Ptop-试件1/4上层平均孔隙 ksand-砂层渗透率 在日本，为了解决由于粉尘和泥沙的堵塞，造成的透水路面透水功能下降的问题，一般采用压力为4~7MPa的小型高压清洗机清洗路面，或采用高压清洗和真空吸附结合的方法恢复，这样可以使透水功能恢复到初期的80％[7]。 2.2抗冻性 透水混凝土与传统的混凝土相比抗冻性能十分优越，当遇到低温时混凝土发生冷缩，使混凝土发生变形。由于透水混凝土的空隙较多，变形发生时空隙的收缩抵挡住了大部分的缓和了大部分的变形，因此即使在低温时透水混凝土也能抵挡住破坏。 从理论上讲，透水混凝土在抗冻性与水灰比有关，假设在浆骨比相同的情况下，如果此时的水灰比出现增大的趋势，其抗冻性也会出现提高的趋势，但是这样的对比关系是有限度的，一旦水灰比超过了0.31的范围，耐冻系数就会不断降低；水灰比相同时，水泥浆量越高，混凝土耐冻系数越大。无砂透水混凝土中的孔隙比较大，是水泥石的几倍，其不仅仅可以承受结冰现象下的膨胀，还使得其表现出良好的抗冻性特点，但是值得注意的是在此过程中，总会有部分水分会向毛细孔慢慢移动，出现膨胀压力和渗透压力，从而导致混凝土内部结构出现损害，严重的情况甚至会出现裂缝，久而久之，将会出现混凝土毁坏的现象[8]。 基于上述研究成果，以0.31水灰比、（4.75～9.5）mm粒径骨料的分配来实现配置过程，使得其孔隙率为22%，透水系数可达7mm/s，抗压强度超过20MPa，在经过50多次的冻融循环时，其耐冻系数可以保持在80%左右。在整个试验的过程中，混凝土28d抗压强度达到C28d的水平，此时车辆的噪音可以保证一定程度的降低，即使出现降雨情况，也不会出现积水现象。 2.3吸声降噪性 透水混凝土还有一个环境有好的特性就是它吸收噪声的能力，由于其结构上面多孔，当有声波入射到表面时，一部分被反射，另一部分则透入到内部向前传播。由于孔隙中空气运动的黏滞作用和摩擦力使一部分将声能转变为热能而消耗掉。另一部分声波反射后，经过材料内部回到表面，有些声波回到空气中，有些又反射回材料内部，如此反复，直到平衡，以达到吸声降噪的效果[9]。 透水性混凝土的吸声效果可用吸声系数(即材料表面吸收的声能与入射的声能的比值)来表示，吸声系数的大小与材料的孔隙率、粗骨料级配、试件厚度等及频率有关。韩国的SeungBumPark等人采用再生骨料取代普通碎石骨料配制，以研究透水混凝土的吸声特性与孔隙率的关系，试验对比发现，当目标孔隙率为25％时，吸声效果最佳。高建明等人深入研究发现，随着设计孔隙率的增大，透水混凝土试样的吸声系数峰值对应的共振频率向高频发展，综合平均吸声系数逐步增加；在孔隙率相近的情况下，随骨料粒径的增加，其综合平均吸声系数有降低的趋势；在孔隙率、粗骨料级配相同的条件下，试件厚度越小，其吸声系数峰值所对应的共振频率越高。此外，对于透水混凝土道路，其吸声降噪性能还与路面的自振特性及其阻尼比密切相关。 3. 透水混凝土的应用 目前透水混凝土在国外已经有了非常广泛的应用，见下表： 表格 1透水混凝土的应用[10] 住宅道路（Residential roads） 停车场（Parking lots） 网球场（Tennis courts） 天井（Patios） 减噪工程（Noise barriers） 游泳池平台（Swimming pool decks） 水上娱乐中心（aquatic amusement centers） 人工沙洲（Artificial reefs） 3.1在道路上的应用实例 图 2透水混凝土的实际应用 在日本，20世纪70年代后期为了解决因抽取地下水引起地基下沉等问题。制定了“雨水的地下还原政策”，着手开发透水性混凝土路面铺装．并应用于实际工程。目前，透水混凝土已用在停车场、公园、人行道、高速公路的中央分隔带及路肩等处．如在五福公园和上野不忍池公园就进行了广泛应用。2005年日本爱知世博会会馆使用了大量的透水混凝土．以突显生态、科技、环保的理念。1979—1981年[11]，法国在戴高乐机场应用透水水泥混凝土，以增加机场的渗水功能。另外，法国还将透水铺装应用于网球场。法国60％以上的网球场都是采用透水铺装修建的。 2004年，北京市有5个示范区通过采用铺设透水混凝土路面的办法，收集建筑物、庭院和道路雨水用于家庭冲厕、小区绿化和地下水回灌，在暴雨条件下有效地起到了利用雨水资源、减轻城市河道排水行洪压力的作用。2008年，在奥运会广场、停车场铺设透水混凝土面积约11.7万m2，利用在赛道周边设置截水沟等措施将经过透水混凝土过滤的雨水排入赛道内，实现场馆内雨洪利用。平均每年利用雨水约12万m3，雨水利用率约为85％，节约了赛道补水[12]。可以说透水混凝土在北京已经得到了成功应用。 上海市在新建、改建公园中积极推广透水混凝土的应用。2010年，整个世博园区60％以上的路面采用了透水混凝土，例如世博中心广场、A13广场、世博公园、世博园区内地坪、C08广场和非洲广场等。经过多次降雨监测表明，雨水能迅速渗入地下，路面没有积水，夜间不反光，增加了路面通行的安全性、舒适性，同时，抑制了城市“热岛效应”[13]。 郑州市在位于郑东新区的国际会展中心停车场工程中，采用彩色透水混凝土进行铺装。广场面积达17 000 m2，面层为40 mm厚橄榄绿透水混凝土，透水系数为1 mm／s[14]。这种彩色铺装不仅增加了广场的美观度，对于预防雨洪也起到了非常关键的作用。 广西省在2011年首届园林园艺博览会工程中采用了透水混凝土铺装，铺装部位为滨水广场喷泉系统水池盖板。喷泉系统工作时回落的水，瞬间即可通过高透水性能的混凝土盖板回流到水池中，不会出现回流水外溢现象，增加了园林的美感和观赏性，达到了预期的设计效果。 此外，在国内其他一些城市，透水混凝土也得到了大量应用。南京市在幕府西路建成第1条透水混凝土市政道路。300 m长的人行道全部采用透水彩色混凝土铺成。杭州市金衙庄公园建成首条树脂透水混凝土道路，其防滑性能好，还能够起到很好的吸热降温作用。2009年西安市大明宫国家遗址公园御道广场采用大面积透水铺装，面积达15万m2，取得了良好的效果。 3.2应用中存在的问题 3.2.1透水混凝土易遭到破坏 透水混凝土的破坏形式通常包括：开裂、沉降和表面磨损。 a) 开裂通常是由于超重的车辆荷载、排水过程中底基层局部冲刷导致的基层和面层支撑不足、气温变化产生的面层涨缩等；沉降通常是由于排水过程中对底基层的冲刷或底基层周围的侧压力损失所致；表面磨损通常是由于局部摩擦力过大（如车辆急刹车）或面层的粗集料颗粒之间结合强度太低所致。 b) 透水混凝土的另一种破坏形式是冻融破坏，这是由于透水混凝土中含有大量的孔隙，在水饱和的状态下，在冻融过程中，液态水至固态水的相变过程中产生的体积膨胀可产生破坏作用。但对于透水混凝土面层而言，由于其本身和下方基层、底基层的高透水能力，透水混凝土路面很难处于水饱和状态，因此，通常不需要担心抗冻融问题。对于透水混凝土，在制备过程中使用引气剂，在粗集料表面的水泥净浆覆盖层中引入均匀分布的一些小气泡，可有助于提高其抗冻融能力。 3.2.2 易堵塞，不易维护 易堵塞。由于透水混凝土结构松散，孔隙率大，因此易被颗粒物堵塞。然而其各种优良性状都是依靠孔隙渗水来实现的，一旦孔隙被堵塞，其优点将得不到有效的发挥。不易维护。透水混凝土铺装作为新型设施。从技术层面来看还没有有效的维护方法。如当遭遇风沙天气后，细小的沙尘将透水混凝土孔隙占据，铺装渗透效果大大降低，但缺乏相应维护措施。 4. 总结 透水混凝土从他的诞生到现在已经有100多年了，但是由于他的性能不断改善，有对环境十分有好的特性使其在欧美、日韩等一些发达国家快速发展，但是因为我国对透水混凝土的研究起步比较晚，关于透水混凝土的理论研究与应用工作有待完善，许多机理还有待阐明，在今后的研究工作中还需要对以下几点加以研究： (1)加强对透水混凝土材料的内部结构进行系统研究，采用合理的模型解释其使用性能及物理力学性能，以提高透水混凝土抗压，抗折强度及耐久性。 (2) 对透水混凝土在透气、透水、吸声降噪、净化水体等方面的生态环保指标进行现场试验研究，以拓展其在生态环保领域的应用。 (3) 分析透水混凝土透水功能下降的原因及影响因素，研究相应的解决办法并分析其可行性。 (4)制定有关透水混凝土配合比设计、施工、养护、管理等方面的国家级规范标准，以便在全国范围内推广应用。 参考文献： [1] MALHOTRA V M Advances in concrete technology 1993(03) [2] 霍亮 透水性混凝土路面材料的制备及性能研究[学位论文] 2004 [3] 张贤超 透水混凝土性能研究综述 2010 [4] 刘丹丹 透水性混凝土路面性能综述 2013 [5] 郑木莲，王崇涛，王秉纲 路用多孔混凝土排水性能[期刊论文]-长安大学学报（自然科学版） 2007(5) [6] HASELBACH L M;VALAVALA S;MONTES F Permeability predictions for sand-clogged Portland cement pervious concrete pavement systems 2006(81) [7] 透水性コニクリ一ト铺装-特许PERMEACON [8] 韩歆 透水混凝土的性能和应用现状综述[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版） 2015(5) [9] 高建明,张金花,王修田 多孔混凝土的吸声性能研究[会议论文] 2007 [10] Paul D. 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