韩建国
（清华大学土木工程系 北京 100084）
摘 要：随着全球城市化进程的发展，如何保障城市区域降雨期间的排水通畅、保护区域水资源和地下水位逐渐成为世界范围内普遍关注的问题。透水混凝土可在降雨过程中，将雨水原地渗透至土壤中，从而产生净化水体和保护区域水资源的效果，因而被越来越广泛地应用于建造停车场和低荷载公路路面，甚至高速公路路面。本文综述了透水混凝土的制备方法、排水方式和维护手段，并根据现场调研结果，分析了透水混凝土在应用过程中易出现的问题，旨在促进透水混凝土的性能优化和推广应用。关键词：透水混凝土；水资源保护；渗透；车辙；开裂
前言
透水混凝土（Pervious Concrete或Porous Asphalt）也被称作多孔混凝土、间断级配混凝土、开放孔隙混凝土或过滤混凝土，是指在制备过程中，通过减少或避免使用细集料，形成具有内部连通孔隙微观结构的一种混凝土，是一种具有高渗水功能的工程材料。透水混凝土的排水功能如图1所示。
依据混凝土中集料粘结用材料的不同，透水混凝土可分为透水沥青混凝土和透水水泥混凝土（如图2所示），前者以沥青（必要时可掺入改性剂）作为粘结材料，后者以水泥（必要时可掺入矿物掺和料）作为粘结材料。
（a）透水沥青混凝土
图 1 透水混凝土排水能力展示[1]（b）透水水泥混凝土
收稿日期：2014-08-17
图 2 透水沥青混凝土和透水水泥混凝土46CHINA CONCRETE 2014.10 NO.64Science & Technology科技导航当今，透水混凝土应用的主要目的是水资源、环境保护和防止城市降雨期间的洪涝灾害，其作用方式是将其表面的水分通过自身和基层原地渗透或就近渗透至土壤中，从而维护局部地区的地下水位、净化水质、减小城市排水系统的排水负荷和低洼地区的雨水聚集。当前，透水混凝土主要用于建造停车场、人行道和低交通负荷要求的行车路面（如公园、小区或停车库至主干道的道路），用于收集降雨期间降落在其表面的雨水，同时，还可收集附近普通混凝土制备的路面和停车场、草坪和屋面等排放的雨水。
除了具有渗水功能外，透水混凝土还具有增大摩擦力和吸声性能的特点。透水混凝土的优点可总结如下：
1）在城市地区的降雨期间，通过分散雨水的流向，减小城市排水管道的工作负荷并有效避免局部区域的积水，这对于人口众多、交通和地形状况复杂的大都市具有重要意义；
2）雨水通过透水混凝土向基层和土壤中渗透，可补充所在地区的地下水位，具有环境保护和调节水资源可持续发展的作用；
3）透水混凝土对雨水的就地渗透，一方面可在渗透的过程中对雨水产生净化效应，另一方面还可有效避免雨水与可污染物或被污染水体的接触，避免了雨水的二次污染；
4）降雨过程中渗透至透水混凝土基层和土壤中的水分，在晴天的时候可以部分蒸发出来，会降低城市的热岛效应；
5）透水混凝土路面可降低并吸收行车噪音、减小声污染，这对于交通流量较大、空间狭小的城市内街道周边的工作和居住环境具有重要意义[2]；
6）相对于普通混凝土，透水混凝土与车辆轮胎之间的摩擦力增大且摩擦力衰减梯度减小，同时，通过及时排放道路表面的积水，可有效减少车辆在行驶过程中的侧滑现象；此外，对道路表面雨水的及时排放，还可避免车辆在行驶过程中的泼溅现象和夜晚灯光下产生的眩光现象，提高了行车安全[3]。
透水混凝土并不是当代新科技，早在大约150年前，欧洲就开始使用多孔水泥混凝土来制备预制混凝土构件并进行房屋的建造。尤其在二战期间，因为经济的匮乏，多孔水泥混凝土由于高经济性而获得了广泛的应用。
出于水资源和水质保护的目的，1972年，美国通过了法案中规定，各州和清洁水资源法案（Clean Water Act）[4]，各大城市有义务保障被收集降雨的清洁程度。透水混凝土由于可对降雨进行就地渗透且在渗透的过程中产生过滤和净化的功能，获得了广泛的关注和应用。同时，认识到透水混凝土的抗滑、吸声和防眩光功能后，进一步加速了透水混凝土在路面建设中的应用。自1970年开始，美国的俄勒冈州、加利福尼亚州、内华达州、亚利桑那州和佛罗里达州建造了大量的透水沥青混凝土路面，例如：俄勒冈州建造了3000公里的透水混凝土路面。透水混凝土在美国得到应用后，欧洲各国也开始建造透水沥青混凝土路面，包括德国、英国、法国、意大利和西班牙等。到1992年，德国已经建造了40万平方米的透水混凝土路面，由于独特的降噪和吸声效果，德国称之为“耳语道路”。
虽然透水沥青混凝土已成功应用于高速公路的建造，但透水水泥混凝土在高速或高荷载能力路面的应用较少。这是由于透水水泥混凝土为半脆性材料，含有较大尺寸的孔隙，在荷载的作用下，由于孔隙尖端的应力集中，易于产生裂纹的扩展和破坏，从而导致路面开裂。同时，在透水水泥混凝土中使用钢筋容易产生锈蚀问题，所以其通常以素混凝土的形式出现。因此，相对于使用传力杆或连续配筋的普通水泥混凝土路面，透水水泥混凝土路面的抗荷载能力较差，如果用于制备高速或高荷载能力的路面，会导致维护工作量大、服役寿命短、经济性差。不过，随着混凝土制备技术的发展，通过增强骨料颗粒之间的结合强度、完善钢筋的保护措施以及使用纤维增韧等手段，透水水泥混凝土必然会越来越多地应用于高速和高荷载能力路面的建造[5]。
综上所述，透水混凝土的使用和技术的发展主要是满足当前对水资源和环境保护、降雨排放过程中的水质维护和防止降雨产生的城市内涝现象的需求，其次是行车安全和路面噪声的控制。透水混凝土的应用应综合考虑孔隙率-孔隙连通程度、强度、抗磨损能力、抗车辙能力、抗开裂能力之间的关系，合理的设计、制备、施工和维护是透水混凝土工作能力和服役寿命的保障。本文就透水混凝土的配合比设计、排水处理方式、维护方法和实际应用效果进行论述，旨在为透水混凝土的发展和应用提供借鉴和指导。
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科技导航Science & Technology1 透水混凝土的制备
1.1 透水水泥混凝土的制备美国混凝土协会（ACI, American Concrete Institute）的522委员会制定了透水水泥混凝土标准ACI 522R-10（Report on Pervious Concrete），其中对透水水泥混凝土主美国ASTM组织中编号为C09.49的要指标的规定见表1[6]。
委员会负责透水水泥混凝土性能测试相关标准的制定，现在已在执行的标准为ASTM C1688/C1688M、ASTM C1701/C1701M、ASTM C1747/C1747M和ASTM C1754/C1754M，分别用于测试新拌透水水泥混凝土密度和孔隙率、现场透水水泥混凝土的渗透率（Infiltration Rate）、使用冲击和磨损的方法评价混凝土的抗破坏能力（Resistance to degradation），以及硬化混凝土密度和孔隙率，现在正在制定过程中的标准是关于透水水泥混凝土抗压强度的测试方法。在美国，透水混凝土的质量由美国绿色建筑委员会（USGBC, United States Green Building Council）进行认证，该委员会使用LEED（The Leadership in Energy and Environmental Design）程序对混凝土建筑的绿色程度进行分级和评价。
透水水泥混凝土的制备通常采用波特兰水泥、矿物掺和料、开级配的集料（通常只包含粗集料、少或无细集料）和水来进行，同时还可掺入化学外加剂来提高透水混凝土的强度、调节凝结历程、降低干燥收缩和提高混凝土的抗冻融能力等。透水水泥混凝土配合比设计的目的是在保障最小浆体用量的基础上，使得制备的混凝土具有良好的新拌工作性、孔隙结构和强度。透水混凝土的配合比设计首先从浆体的用量和孔隙率开始，然后依据水胶比计算得出用水量和胶凝材料用量；再根据粗集料的粒径、粗集料的
体积分数和捣实密度来计算粗集料的用量。具体计算方法可参见ACI 522R-10标准。
需要注意的是，普通水泥混凝土的水胶比和强度关系通常不完全适用于透水水泥混凝土。这是由于虽然水胶比可以影响混凝土中净浆的强度和界面过渡区的品质，但在透水水泥混凝土中，水胶比还会产生另一种不可忽视的影响：净浆的流动性能对孔隙率的影响。在透水水泥混凝土中，如果净浆的流动性能过大，则会产生孔隙堵塞现象，同时使得孔隙堵塞处的强度增大；如果净浆的流动性不足，加上透水水泥混凝土在初始水化期间较高的蒸发速率（相对于普通水泥混凝土而言），会使得骨料颗粒之间胶结不充分而阻碍强度的发展。因此，对于透水水泥混凝土，要综合协调水胶比-流变性-强度-孔隙率之间的关系，这样才能使所制备的透水水泥混凝土一方面具有所需要的透水能力，另一方面具有良好的强度。
1.2 透水沥青混凝土的制备美国沥青路面协会（NAPA, National Asphalt Pavement Association）颁布了透水沥青混凝土的设计方法，设计、建其中对透水沥青混凝造和维护开级配沥青混凝土道路[7]，
土的原材料选择和力学性能提出了具体的要求，见表2。
透水沥青混凝土的原材料包括集料、沥青、沥青改性剂和纤维，其中后两者可依据实际情况选择使用。透水沥青混凝土的配合比设计包括四个步骤：
（1）选择原材料；（2）确定集料的级配；（3）确定最优沥青用量；
（4）考察透水沥青混凝土的抗冻融能力。
具体的计算方法和步骤可参见NAPA颁布的透水沥青
表 1 ACI 522R-10中对透水水泥混凝土主要指标的规定孔隙尺寸（mm）2～8孔隙率（%）15～35抗压强度（MPa）2.8～28排水能力L/min/m281～730底基层土壤的渗透能力mm/h≥13底基层土壤最小厚度m≥1.2透水水泥混凝土厚度（mm）停车场125～300行车道150～300集料尺寸mmW/C外加剂引气剂的使用9.5～190.26～0.40减水剂，调凝剂，增粘剂，引气剂等推荐在寒冷地区，当骨料表面的浆体层厚度大于200um时使用48CHINA CONCRETE 2014.10 NO.64Science & Technology科技导航表 2 NAPA透水沥青混凝土设计方法中对主要性能指标的规定粗集料细集料洛杉矶磨耗损失≤30%颗粒断面数量拥有两个断面的颗粒≥90%拥有一个断面的颗粒=100%针片状含量片状≤5%针状≤10%透水沥青混凝土
Cantabro 磨耗损失
沥青的流淌度
老化试验前
≤0.3%
≤20%
老化试验后≤30%
级配效果VCAMIX ≥80%≥18% VCAMIX 2 透水混凝土的排水方式 透水混凝土的使用应结合区域降雨特征和要接纳的排水面积来进行合理的布置。透水水泥混凝土的使用和设计方法可参见美国波特兰水泥协会（PCA, Portland Cement Association）颁布的基于水文学的透水水泥混凝土设计手透水沥青混凝土的使用和设计方法可参见美国沥青册[8]； 路面协会NAPA颁布的透水沥青混凝土路面手册[9]。 这里重点讨论透水混凝土路面的结构和基于不同排水量需求的排水形式。一般来说，透水混凝土路面由透水混凝土面层、基层（Subbase）和底基层（Subgrade）构成，基层通常由压实碎石构成，底基层通常由轻度压实的土壤构成，其典型结构如图3所示。基层和底基层的压实程度要依据路面荷载和排水能力要求来确定。如果底基层土壤的排水能力不能满足要求，则可通过在基层中埋设排水管 图 3 典型透水混凝土路面的结构和排水方式图 4 增设排水管道的透水混凝土路面图 5 增设蓄水井的透水混凝土路面总64期 2014.10 混凝土世界49 科技导航Science & Technology道或建立蓄水井等方式来解决，如图4和图5所示。其实，防止透水混凝土发生堵塞现象应在透水混凝土的设计阶段开始，通常采用提升透水混凝土面层的高度、在透水混凝土面层周边建造路沿、对透水混凝土面层周围的土壤进行植被维护等措施，可有效地防止外来水流所携带的细碎颗粒造成的孔隙堵塞现象。 3 透水混凝土的破坏形式 透水混凝土的破坏形式通常包括：开裂、沉降和表面磨损。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。 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。对于透水水泥混凝土，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。 5 透水混凝土的应用考察 针对透水混凝土的应用效果，作者考察了爱荷华州立大学的透水混凝土停车场以及明尼苏达州试验路的透水混凝土路面。 爱荷华州立大学建造有透水水泥混凝土停车场和透水沥青混凝土停车场，其中透水水泥混凝土停车场的一半是透水混凝土，一半是普通混凝土。作者分别在晴天和雨天对两个停车场进行了考察，如图7和图8所示。 图7显示了使用透水水泥混凝土和普通水泥混凝土建造的停车场，其中图7（a）为晴天，7（b）为雨天。由图7（a） 4 透水混凝土的维护 透水混凝土的维护包括两个方面： （1）对透水混凝土破坏区域的维护。由于施工缺陷和车辆荷载等原因，会产生透水混凝土的面层开裂和剥离现象。对于该种形式的破坏，可采取局部修复或拆除重建的方法进行维护； （2）对透水混凝土透水能力的维护。在排水过程中，水流中所携带的细小颗粒会使透水混凝土的孔隙产生堵塞，导致其排水能力逐渐下降。通常，需要以一定的时间间隔，对透水混凝土孔隙的通透性进行维护，维护周期随透水混凝土应用环境的不同而有差异。 维护透水混凝土透水能力的措施主要有两种：高压水冲洗和大功率真空吸尘。高压冲洗可将透水混凝土表面孔隙中的大颗粒冲洗出，但会驱使小颗粒进一步向内部迁移，同时过高的冲洗压力也可能损害透水混凝土本身；真空吸尘可将透水混凝土表面孔隙中的颗粒以负压的方式吸出。当前，理想的维护手段应该是两种方法的结合，一套设备既能实现冲洗又实现真空吸尘，如图6所示。 图 6 冲洗和吸尘相结合的清洗机[10]50CHINA CONCRETE 2014.10 NO.64Science & Technology科技导航（a）晴天（b）雨天 图 7 透水水泥混凝土和普通水泥混凝土停车场（a）晴天（b）雨天 图 8 透水沥青混凝土停车场可见，透水混凝土面板上出现了裂纹，而普通混凝土面板完整，这是由于透水水泥混凝土的抗弯曲变形能力较差，在车辆荷载的作用下易于产生开裂；同时，透水水泥混凝土底基层压实程度较低（出于排水目的），排水过程中由于冲刷作用引起局部沉降，因此出现了开裂现象；图7（b）显示了降雨时透水水泥混凝土和普通水泥混凝土停车场路面状况对比，可见，在降雨过程中，透水混凝土可以及时排放表面的水分，而普通混凝土的表面有积水，出现眩光现象。 图8显示了使用透水沥青混凝土制备的停车场，其中图8（a）为晴天，8（b）为雨天。总体而言，透水沥青混凝土停车场无开裂显现，但出现了车辙和沉降现象，如图8（b）所示。这是由于沥青混凝土是一个粘弹性流体，在荷载的 作用下可产生不可恢复的塑性变形，因此在荷载较大的车头和车轮处会出现沉降和车辙现象。 图9显示了明尼苏达州试验路的透水混凝土路面在使用过程中出现的破坏现象。透水水泥混凝土路面在使用过程中在车道中央部位出现了纵向裂纹，如图9（a）所示。开裂的原因与前述的透水水泥混凝土停车场相同，既有车辆荷载的原因，也有基底层向道路侧面沉降的原因。由于在路面的中央出现开裂，因此二者之中更重要的应该是车辆的荷载作用。 图9（b）显示了透水沥青混凝土路面在使用过程中的状况，可见整个路面完整无裂纹，但在车轮行驶处出现了车辙，其原因也是由于长期的车辆荷载所致。 由两种透水混凝土路面的现场考察结果可见，透水水 总64期 2014.10 混凝土世界51 科技导航Science & Technology过合理的路面高度、过滤和沉降设计，来降低透水混凝土中孔隙被阻塞的风险。 （6）相对于普通混凝土，透水水泥混凝土路面易出现开裂现象，透水沥青混凝土路面易出现车辙现象，因此应采取相应的措施，如增韧和增强等手段，来提高透水混凝土路面的抗荷载能力、耐久性和服役寿命。 致谢：感谢爱荷华州立大学（ISU: IOWA STATE UNIVERSITY）的Kejin Wang教授提供访问交流的机（a）透水水泥混凝土路面 会；感谢陪同我到现场并耐心讲解的ISU的Bob Steffes工程师和明尼苏达州DOT的Shongtao Dai博士。参考文献：[1] https://www.youtube.com/watch?v=4gRd4Jv6aZY [2] R.A. Kay, J.K. Stephens, Porous Friction Courses and Roadway Surface Noise, Federal Highway Administration, Implementation Package, 1975. [3] Maupin Jr, G W, virginia's experience with open-graded surface mix, Transportation Research Record, 1976, 595: 48-51.[4] http://www.epa.gov/oecaagct/lcwa.html#Summary [5] Pindado, M. A.; Aguado, A.; and Josa, A., Fatigue Behavior of Polymer-Modified Porous Concretes, Cement and Concrete Research, 1999, 29(7): 1077-1083. [6] ACI 522R-10 Report on Pervious Concrete (Reapproved 2011) [7] National Asphalt Pavement Association, Design, Construction and Maintenance of Open-Graded Asphalt Friction Course, Information Series 115, 2002. [8] Leming, M. L., Malcom, H. R., and Tennis, P. D., Hydrologic Design of PerviousConcrete, EB303, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, and National Ready Mixed Concrete Association, Silver Spring, Maryland, 2007. [9] National Asphalt Pavement Association, Porous Asphalt Pavements for Stormwater Management, Information Series 131, 2008.[10] http://www.bunyanusa.com/products/ （b）透水沥青混凝土路面 图 9 明尼苏达州试验路的透水混凝土路面泥混凝土路面在使用过程中，由于相对于普通混凝土的抗荷载能力较低，易出现开裂和车辙现象。因此，应通过增韧和增强等手段，来提高透水混凝土路面的抗荷载能力，并最终提高其服役能力。 结论 （1）透水混凝土的渗水功能，对于净化水质和保护区域水资源，以及缓解排水系统的排水负荷具有重要作用。 （2）透水混凝土的防滑、降噪、吸声和防眩光功能，可有效提高车辆行驶的安全性。 （3）透水混凝土的应用，应根据区域降水特征和排水面积需求，进行合理的布置和设计。 （4）在透水混凝土的制备过程中，应注意孔隙率-强度-抗磨损能力-抗开裂能力-抗变形能力的协调。 （5）透水混凝土在使用过程中，应进行定期维护，以保障其渗透能力。同时，在设计阶段就应当采取措施，通 作者简介韩建国，1974年生，高级工程师，清华大学土木工程系工学博士。现任清华大学土木工程系建筑材料研究所实验室主任。 主要从事混凝土材料性能和测试技术、工业副产品在混凝土中的再生利用等方面的研究。主持和参与企事业单位委托项目、北京市自然科学基金、国家自然科学基金、国家科技支撑计划、国家973计划和国际合作项目多项。在国内外已发表学术论文20余篇。 52CHINA CONCRETE 2014.10 NO.64 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容