张丽刘良森张静芳邱冠雄（天津工业大学，天津300387）
摘要：介绍了透水性混凝土路面的透水机理，对粗骨料级配、骨灰比、水灰比、细集料用量、搅拌工艺及铺装工艺等因素对透水性能的影响进行分析。并在此基础上介绍了透水性混凝土在净化水质、减轻城市热导效应、消除噪声污染和改善光环境方面的作用，为高质量透水性混凝土地砖的研发和进一步推广应用提供一些参考。
关键词：透水混凝土；透水性；净化水质；城市热岛效应；
消除噪声随着人们环境意识的增强，传统混凝土硬化路面的危害性越来越受到人们重视。不透水路面使得城市雨水不能顺利地回归自然，造成地下水补充大量减少而城市大面积积水；弱化城市环境的呼吸功能，造成热岛效应、扬尘和噪音加剧，恶化城市小气候，降低城市的舒适度；影响地面的生态系统和树木的生长。而透水性路面则很好地解决了这些问题。德国从上世纪60年代起就采用透水材料铺装路面，并计划于2010年把全国城市90％的路面改造为透水路面。1979年美国佛罗里达州首次使用无砂多孔混凝土建成具有透水性的停车场，并于1991年在佛罗里达州成立了“透水性波特兰水泥混凝土协会”，对透水性混凝土的使用提供技术指导。1987年日本研究者开始申请将透水混凝土路面材料用于公园内的道路、广场等实际工程。随着我国对环境问题的日益关注，透水性路面也在各大中型城市得以推广应用。目前出现的路面透水材料主要包括经过特殊工艺配置获得的具有一定透水性的水泥混凝土（或混凝土砖）、沥青混凝土、陶瓷基砖、砂基砖、粉煤灰基砖、复合砖等。由于水泥制品造价低廉、性能稳定，因而透水性水泥混凝土近年来得到了普遍推广。本文对透水性混凝土的功能加以概述，以期为高质量透水砖的研发提供参考。
1透水性能
透水性混凝土（或砖）是采用特殊级配的骨料、水泥、胶结剂、外加剂和水等经特定工艺制成。其骨料间以点接触形成混凝土骨架，骨料周围包裹一层均匀的水泥浆薄膜。骨料颗粒通过硬化的水泥浆薄层胶结而成多孔的堆聚结构，内部含有大量的连通孔隙。在下雨或路面积水时，水能沿着这些贯通的孔隙通道顺利地渗入地下或存于路基中[1]。原材料的性能及其配比（包括骨料级配、骨灰比、水灰比等）、制作工艺、施工及铺装工艺都对透水性混凝土（或砖）的孔隙率有一定影响，进而影响该材料的透水性能。
透水性混凝土内部的孔隙由粗骨料搭接而成。粒级太小的骨料与水泥砂浆拌合后极易形成封闭孔隙,在很大程度上减少了成品连通孔隙率；透水系数随着骨料粒径的增大而逐渐增大，但粒级过大的骨料容易由于裹浆量少且薄而导致透水混凝土的强度无法达到理想要求；骨料越粗糙，骨料粒径连续、大小不同，可以有效地提高骨料之间的接触点数量，从而提高其强度，但透水性会相应降低。
一般认为，细集料易堵塞内部孔隙，造成透水系数下降。但也有研究者认为，细集料在透水混凝土中不但起到了增大骨料粘结面从而增加强度的作用,还起到了改善拌和物和易性、增加保水能力的作用，同时对透水系数影响不大。
骨灰比的大小决定了透水砖能够达到的强度的最大值,又对透水系数产生一定的影响。随着骨灰比增大透水混凝土砖的强度降低而透水系数增大。
水灰比要求既要能够完全润湿水泥，使其较好的包裹骨料，又要保证水泥浆体不流淌、保留孔隙即可。采用普通搅拌法配置的透水砖的透水性明显大于水泥裹石法，然而前者的强度却比后者低近1倍[1]。采用普通搅拌法时，水泥浆未能充分包裹石子表面或包裹层不均匀，所以骨料颗粒间空隙较大，颗粒接触点粘结强度薄弱，最终体现出透水混凝土的透水性较高而强度却很低，而不能满足工程应用中对透水混凝土的力学性能要求。
透水砖铺装工艺同普通路面砖有很大的区别，在铺装中特别要注意的是保持其特殊的透水特性。能否达到最佳透水效果很大程度上取决于铺装工艺的合理性。为了获得较好的透水效果，在铺设时其缓冲层一般直接采用中砂，具有较好的受压缓冲能力；下层采用开放式透水性路基，使用窄级配（骨料粒径大致在7mm～40mm）、高骨灰比和低水灰比的混凝土[2]。
用透水性铺装代替不透水铺装可以有效缓解城市不透水硬化地面对于城市水资源的负面影响，可以使雨水迅速下渗到垫层下，路面不产生任何积水。。透水性路面兼有良好的渗水性及保湿性,能有效地缓解城市排水系统的泄洪压力。有研究表明[3]，透水砖在使用2年后仍有良好的透水效果，能够满足30年一遇的60min降雨的渗水需求；透水砖铺装地面的渗透效果随着使用期限的加长而有所减弱。这一方面是由于在长期使用过程中,汽车、行人的碾压造成垫层密度变大,减小了垫层的透水系数，另一方面是由于灰尘、垃圾等杂质在透水砖面上的长期堆积堵塞了透水砖表面的孔隙,影响了透水砖的雨水瞬时下渗速度。作为交通干道的透水砖路面的透水性能的减弱程度比非交通干道的要快。在人行道、居民小区等处使用的透水砖在初始铺装时透水效果明显，且在使用2年后仍能维持较佳的透水效果，能满足日常的降雨透水需求。
2净化水功能
随着城市不透水面积的大幅增加，在暴雨的淋洗冲刷作用下，大气、地面和地下的污染物进入周围的江河、湖泊、水库和海洋等水体造成污染。透水性混凝土孔隙率大、透水性好且吸附力强，可以用于污水的净化。若透水性混凝土采用本身具有特殊大孔结构的骨料，骨料本身具有吸附性，同时也增大了混凝土的内表面积。这样不仅增大了混凝土与水接触的表面积，而且可以大大增加混凝土自身的吸附性能[4]。因此，具有一定污染负荷的污水，经过透水性混凝土的吸附和过滤后，可以得到初步的物理净化。物理净化一般可作为污水的初期处理，进一步处理还有赖于化学净化。混凝土中的水泥在水化过程中，及浸泡在水中都会不断溶解出Ca（OH）2，产生混凝土絮凝沉淀，从而起到净化水的作用。陈志山等[5]研究表明，通过在生态混凝土中掺加缓凝性的净水材料或铝离子和镁离子，都可以去除污水中氮、磷等营养物质，进一步提高净水效果。经过化学净化后，污水中的悬浮物会有明显的降低，但是可溶性营养物质的浓度降低不明显。这就需要进一步进行生物净化。透水性混凝土的天然孔隙是诸多生物的理想栖息地，巨大的表面积为生物提供了广阔的生存空间。日本大成建设(株)技术研究所[6]将大孔混凝土作为生物载体投放在水质污浊的小河中，研究发现，不论大孔混凝土的外壁面和中心部的内壁面均有大量的生物种群栖息，形成了生物膜。这些生物种群在生长的同时，吸收并分解了污水的有机物（BOD）和营养物质氮磷等，从而降低了污水的污染负荷。另外，作为生物载体，透水性混凝土不会导致生物变异，所以也可通过接种经过筛选和驯化的微生物，来提高其净化效果。
目前存在的主要问题[4]是：①污水中含有大量的固体颗粒物，很容易堵塞生态混凝土的孔隙，使其净水功能降低。解决这一问题可采用设置前置沉淀池或反冲洗装置的方法，或可以在混凝土表面增加一层透水性良好小粒径材料。②混凝土在流动的水中钙离子容易大量流失，使水泥的水化产物分解，从而可以造成混凝土强度的降低。解决方法是可采用加入镁、铝离子或其他外加防水剂，来延缓钙离子的溶出，且镁、铝离子本身具有很好的净水作用。城市污水中都不同程度的含有硫酸盐，在缺氧条件下，污水中的硫酸盐在硫酸盐还原菌和硫氧化菌的作用下会使混凝土石膏化，从而使混凝土逐步崩裂破坏。另外，污水中的各种有机物在好氧菌的作用下，会生成许多有机酸，从而降低了混凝土的碱度和强度。如何解决这一问题还需要做进一步研究。
3减轻城市热岛效应
透水砖使得雨水能够迅速地渗入地表，还原成地下水，使地下水资源得到及时补充，提高地表的透水、透气性，保持土壤湿度，改善城市地表生态平衡。由于透水性铺装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,雨过天晴以后,透水性铺装内部及下垫层中的水分在太阳辐照作用下,吸收的能量使地砖内部水分变为水汽,水汽通过地砖表面的直接蒸发和地砖中的空隙扩散逸出地砖表面。水分蒸发要吸收大量的热量,因而使得地砖表面温度和近地层空气温度均得到降低。地表温度的减小会明显降低地表对外界的长波辐射作用,从而减轻夏季地面铺装对行人的烘烤感,改善夏季城市热环境，消除热岛效应。观测数据显示，在高温季节，透水路面的地表温度比不透水路面要低2℃～5℃；在干燥季节，透水路面的地表湿度比不透水路面要高1%～3%。2004年天津大学建筑学院博士后流动站王波等[7]模拟太阳辐照及自然风的作用,
开展对不同孔隙率透水性地砖含水蒸发的相关试验研究,探讨了孔隙率、材质及表面颜色对透水地砖蒸发强度及表面温度的影响。结果表明，就同种材料的透水砖而言，孔隙率直接影响透水地砖的表面温度及其变化，孔隙率越大,单位体积的含水量越大，蓄热能力越强,表面温度随时间升高的速率越小,最终的温度越低；对于孔隙率相近的混凝土透水砖、粉煤灰透水砖和陶瓷透水砖而言，其表面温度变化趋势基本一致,但前期陶瓷透水砖表面温度较低，但其升温速率大于粉煤灰透水砖和混凝土透水砖，其表面温度在4.5h后逐渐超过粉煤灰砖，6h后超过混凝土透水砖；孔隙率越大,单位体积的含水量越大,初期的蒸发强度越大，随着辐射时间的增加，蒸发强度曲线总体呈下降趋势，最后趋于一致；混凝土透水砖的蒸发强度曲线下降很快，陶瓷透水砖前期的蒸发强度曲线基本保持平直,随后下降并与混凝土透水砖蒸发强度趋同，而粉煤灰透水砖蒸发强度始终低于陶瓷透水砖，其内部水分不易蒸发，存留的水增加了粉煤灰透水砖的蓄热能力，因此，其表面温度不易升高。
4消除噪声
透水性混凝土具有密集的“蜂窝”状结构。当声波打在透水性铺装表面上时，声波引起透水性铺装内部小孔或间隙的空气运动，紧靠孔壁表面的空气运动速度较慢，由于摩擦和空气运动的黏滞阻力，一部分声能就转变为热能，从而使声波衰减；同时，小孔中空气和孔壁的热交换引起的热损失，也能使声能衰减[8]。由于城市高层建筑以及高架道路的不断增多，再加上穿过市区的飞机噪声，这些声源较高的噪声，从城市上空投射到透水性铺装表面上，根据上述原理，透水性铺装依靠其特有的吸声降噪机理对城市声环境起到明显的改善作用。普通的非透水性硬化广场地面只能将声波重新反射，起不到吸声降噪的作用。另一方面，透水性铺装的多孔结构能使在其上行驶车辆的轮胎噪声降低，进而对降低交通噪声也是有利的。通过改变骨料、胶结材料的性能和产品的厚度及施工工艺，能进一步提高透水性混凝土的消音特性。
从地面铺装入手，利用多孔透水性混凝土铺装材料的多孔结构吸声降噪，此举为噪声控制提供了新的思路。西安公路交通大学曾对多孔沥青混凝土路面的吸声性能进行相关研究，1996年以来，我国先后在杭州-金华段高速公路和320国道上铺设多孔透水性沥青试验路面,使用及测试证明该种路面在降低交通环境噪声方面具有明显的优势。研究表明，多孔混凝土试样的吸声系数与材料的孔隙率及频率有关；孔隙率是影响材料吸声性能的首要因素；随着孔隙率的增大,多孔混凝土试样的吸声系数的峰值增大,峰值对应的共振频率向高频扩展；吸声系数的峰值往往出现在500Hz～800Hz范围内，1250Hz附近吸声系数曲线出现低谷,随后吸声系数又有上升的趋势；不同孔隙率多孔混凝土试样的吸声系数低频差别不大,差异主要体现在中高频段[9]。王波等研究得出多孔混凝土吸声性能随着孔隙率及频率而变的规律及经验公式,为治理不同频率环境噪声、选择不同孔隙率规格的多孔混凝土提供借鉴。综合考虑吸声效果和路用性能要求,多孔混凝土孔隙率推荐选用15%～20%。
多孔混凝土的研究和应用在我国是新生事物。该材料属于刚性颗粒状多孔吸声材料,与传统柔性纤维状吸声材料相比,多孔混凝土材料力学性能良好,不易变形,抗腐蚀耐候性强,适于户外露天使用。多孔混凝土除了用于传统硬化路面的铺装外,还可以尝试作为公路声屏障以及室内声学设计方面的吸声选材。
5改善光环境
透水性铺装表面由于孔隙的存在使得投射到表面上的光线产生扩散反射,因而避免了光滑地砖或石材常出现的由定向反射而造成的眩光,雨天不透水地面聚集的水面同样会产生眩光,这种眩光在夜间的车灯照耀下特别严重,这是造成夜晚雨天行车交通事故多的重要原因之一。透水性铺装由于及时消除表面积水,因而克服了行车“漂滑”、“飞溅”、“夜间眩光”等不透水地面所带来的缺陷,对城市交通安全也是有利的。
6结束语
在GB/T50378-2006《绿色建筑评价标准》对场地的铺装要求中，明确地提出要推广透水材料：公共建筑方面“室外透水地面面积比大于等于40%”，在住宅区“室外透水地面面积比大于等于45％”。增强地面透水能力，对储留地下水、滋养草木、降尘、防噪、净化空气、调节气候等都起着十分积极的作用。在目前的城市化建设中，透水性路面已在大型城市得到推广应用，而在中小型城市还没有得到充分重视，还需要进一步加大推广力度，从而为改善我国的生态环境做出一定贡献。
参考文献：
[1]姜德民，程海丽，高振林.透水性混凝土路面砖的研制[J].新型建筑材料，2003（3）.
[2]李伟.生态混凝土透水砖的研发及应用[J].砖瓦，2007（7）.
[3]张文静，丁跃元，张书函.混凝土透水砖透水持久性的研究[J].新型建筑材料，2006（6）.
[4]陈庆锋.生态混凝土在城市面源污染控制中的应用初探[J].上海环境科学，2005，24（5）.
[5]陈志山.生态混凝土净水机理及其应用[J].科学技术与工程，2003，3（4）.
[6]陈志山.生态混凝土净水机理和存在问题[J].给水排水，2001，27（3）.
[7]王波，霍亮，高建明.透水性地砖蒸发试验研究[J].四川建筑科学研究，2004，30（3）.
[8]王波，李成.透水性铺装与城市生态及物理环境[J].工业建筑，2002，32（12）.
[9]王波，霍亮，高建明.多孔混凝土铺装吸声性能试验研究[J].四川建筑科学研究，2004，30（4）.
欧进地坪专业生产透水混凝土胶结剂
