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透水混凝土的应用与发展

1  前言

在我国, 城市道路、 人行道、 广场等城市设施无论是在设计还是在施工上, 历来都强调要求密实而不透水, 这曾被视为不变的准则, 我们不难从现在城市地面铺筑材料及工艺上得以验证, 例如在城市广场、 商业街、 人行道、 社区活动区、 停车场等地面的铺设材料几乎全是由花岗岩、 大理石、 釉面砖、 水泥混凝土等不透水的材质组成。可以说这种地面铺设观念在我国诸多城市中已达泛滥的地步。不透水地面铺设被认为是城市环境工程的典范, 其实这种地面会给城市环境带来很多危害。例如, 雨天特别是是暴雨天气, 排水不畅通的地面易形成路面积水, 使交通不便,雨水只能通过排水设施排入河流, 大大加重了排水设施的负担, 不透气的路面很难与空气进行热量、 水分的交换, 缺乏对城市地表温度、 湿度的调节能力, 产生所谓的/ 热岛现象0。为克服传统混凝土的缺点, 人们研究开发了透水混凝土。透水混凝土又称多孔混凝土, 是由粗骨料、 水泥和水拌制而成的一种多孔轻质混凝土, 它不含细骨料, 由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构,故具有透气、 透水和重量轻的特点, 透水混凝土在美国从 20 世纪七八十年代就开始研究和应用, 不少国家都在大量推广, 以改变过去破坏城市生态的地面铺设。


2  透水混凝土与传统路面的相比的优点

传统路面大多采用沥青、 混凝土、 石板材或水泥砖铺设, 故被称为硬质路面。它的优点是整齐耐用, 最大的缺点是不透水, 排水要靠地下污水管道, 降雨时雨水直接作为污水被处理,阻断了雨水对地下水的补充, 不利于地下水的生成。雨水、 污水在路面易淤积, 溶入城市污染物后严重影响城市卫生。此外, 硬质路面会吸收、 储存并反射太阳的热量, 会使地面平均温度升高, 加剧城市热岛效应的形成, 易引起环境和生态负效应,不利于生态平衡和环境保护。而透水混凝土路面则具有以下

功能:

(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0;

(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0功能; 改善城市地表植物和土壤微生物的生存条件和调整生态平衡 ;

(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)防止路面积水和夜间路面反光, 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;

(6)大量的空隙能吸附城市污染物粉尘, 减少扬尘污染;

(7) 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。


3  透水混凝土目前研究现状及应用情况

国外在透水混凝土方面的研究比较早, 据附属于 CAN2MET 的 V1M1 Malhortra 的文献中记载: 1852 年在英国建造二栋房子的时候, 在很难取得细骨料的情况下, 人们就开发了不含细骨料混凝土。后来, 这种混凝土在 1950 年被作为 5 层建筑的预制混凝土构件的建筑材料加以使用, 得到了发展。由于这种混凝士是由普通混凝土中去除细骨料而成的, 水灰比介于 0 1 38 至 0 1 52之间比较恰当, 因此, 不含细骨料混凝土的强度介于114MPa 至 13 1 7MPa 之间, 比普通的混凝土低, 只能当作间隔材料使用。但是, 这项技术传到北欧后, 在挪威及瑞典等寒冷地区使用含有很多独立空隙的轻型骨料从而降低其导热率, 在建筑中可作为壁材使用。随后, 这项技术因其在资源、能源方面的有效性, 于 1968 年左右传到加拿大等北美地区。1973 年, 由 CANMET 制定了关于不含细骨料混凝土的规范,V 1 M 1 Malhortra 将自己的研究以及过去文献上所记载的归纳起来, 为世界提供了有关各种强度、静弹性系数、干燥收缩、冻结融解、透水性、热的性质、及不含细骨料混凝土的最合适的文献。


在美国, 透水混凝土一般不含细骨料, 称为无砂混凝土。关于透水混凝土的研究始于 1956 年, G 1 W 1 Washa 应用了使用轻量骨料的透水性混凝土, 有效地发挥了其绝热性及透水性并进行了报导。佛罗里达、 新墨西哥和犹它州己将无细骨料混凝土作为路面面层材料用于停车区路段, 佛罗里达 sarasota 教堂停车场, 路面混凝土由 I 型波兰特水泥, 粒径 6- 2 1 5mm 骨料及引气剂拌和而成。为增大集料间的枯结强度, 在混合料中加入一种获专利的添加剂- 水性环氧聚乙烯基丙烯酸乳液, 集浆比为 3/ 1, 混合料用螺旋机拌和, 铺路机摊铺后, 用压路机压实棍凝土, 28 天抗压强度达到 2612MPa。与普通混凝土相差无几。佛罗里达沿海地区共修建了 53 座无砂混凝土停车场。


4  透水混凝土路面施工工艺

透水混凝土路面的施工工法与普通混凝土路面相比非常相似, 但是透水混凝土由于自身材料的特殊性, 受原材料、 搅拌、 运输、 养护及一些外界条件影响非常大。所以必须对其一系列的过程进行严格的控制。


411  原材料管理

保持原材料的质量稳定是保证混凝土质量的重要条件。施工部门对原材料不仅要有专人采购, 而且要有专人管理, 并有固定堆放地点。采购人员应有采购和向施工队材料管理人员交接的记录。各种原材料要有明显的标牌, 标明材料名称、品牌、 厂家和来料日期以及将要使用的部位。袋装的不同粉状材料, 堆放时应有分界标志, 以免用错。购进的原材料都必须抽取有代表性的试样, 进行严格复检。砂石含水率应每班检测两次, 并及时报告。施工前, 至少要准备两个料堆, 使其中一个料堆在使用前排干水分。距底部 300mm 以下的集料不得使用, 这样既可减少集料含湿量的变动, 又可避免带出泥土。集料的堆放场地应当有夯实或抹灰的地面, 以免增加集料中的含泥量或惰性粉细料。


412  搅拌

透水混凝土不能采用人工搅拌, 应根据工程量的大小, 配置不同容量的机械搅拌器。因透水混凝土属干料性质的混凝土, 其初凝快, 运输时间应尽量短, 故搅拌机最佳的设置地点是施工现场的中段。机械搅拌器的一定范围内的地面处, 应设置防止水和物料散落的接料设备(如方型板式斗类) , 以保护施工环境的卫生, 减少施工后的清理工作。搅拌时按物料的规定比例及投料顺序将物料投入搅拌机, 先将胶结料和碎石搅拌约30 秒后, 使其初步混合, 再将规定量的水分 2~ 3 次加入, 继续进行搅拌约15-20分钟。注意事项:(1)施工现场须专人负责物料的配比。( 2) 严格控制水灰比, 即控制水的加入量, 水在搅拌中分 2~ 3 次加入, 不允许一次性加入。( 3) 为使物料搅拌均匀, 适当延长机械搅拌时间, 但不宜过长。


413  运输

现场搅拌的混凝土的输送可有多种方式, 与浇筑方式有关。最常用的输送方式是通过吊斗、 溜槽、 手推车、 皮带运送机, 机动翻斗车等输送。通过短的皮带运送机或溜槽连接搅拌机和混凝土泵是较理想的方式。由于运距较短, 车运方式对混凝土影响不会太大, 但是要尽量保持不要让车有过大的颠簸,因为透水混凝土土容易产生沉浆现象。由搅拌站集中搅拌的混凝土有较可靠的质量。用搅拌车输送时, 在搅拌站的搅拌机中的搅拌时间可缩短到15min, 输送距离以不超过 40min 的运程计算。国外使用液体超塑化剂普遍采用后掺法或分次掺法, 作法是在拌和物出机前掺入一部分高效减水剂, 到工地卸料前再加入其余高效减水剂, 并在加入高效减水剂后继续搅拌至少 1min 后卸料。这样, 高效减水剂的总用量会稍多些。如搅拌站未采取这种高效减水剂分次掺入法, 则在搅拌车卸料前, 应先检测拌和物的工作性。发现稠度过大, 可向搅拌车中补掺少量高效减水剂, 切忌加水。


4 14  浇筑

由于透水混凝土拌和物比较干硬, 用一般的铺路机铺平即可。在浇注之前, 路基必须先用水湿润, 原因是透水混凝土中的搅拌用水量有限, 如果路基材料再吸收其中部分拌和水, 就会加速水泥的凝结, 减少用于路面浇注、 振捣、 压实和接缝的时间, 并且快速失水会减弱骨料间的粘结强度。在炎热气候下或夏季, 浇筑的混凝土中温度很高, 水分蒸发速度加快, 对混凝土性质很不利。失水造成的裂缝宽度可达 0 1 1- 3mm, 长度最长可达1 m 以上。美国混凝土协会认为, 在下列温度和湿度的联合作用下, 混凝土有出现塑性开裂的危险:

(1)410C , 相对湿度小于 90%;

(2)350C , 相对湿度小于 70%;

(3)240C, 相对湿度小于 30%。

因此应避免在高温或者干燥的条件下浇注, 并且要加强养护。


4 15  振捣

透水混凝土中的水泥浆量有限, 只够包裹骨料颗粒, 因此在浇注过程中不宜强烈振捣或夯实。一般采用平板振动器来轻振铺平后的透水性混凝土混合料, 但必须注意不能使用高频振捣器, 因为它会使混凝土过于密实而减少孔隙率, 并影响透水效果。同时高频振捣器也会使水泥浆体从粗骨料表面离析出来, 流入底部形成一个不透水层, 使材料失去透水性。


4 16  辊压

振捣以后, 应进一步采用实心钢管或轻型压路机压实压平透水性混凝土拌和料, 考虑到拌和料的稠度和周围温度等条件, 可能需要多次辊压, 但应注意, 在辊压前必须清理辊子并涂油, 以防粘结骨料。


4 17  养护

透水性混凝土由于存在着大量的孔洞, 易失水, 干燥很快,所以养护非常重要。尤其是早期养护, 要注意避免混凝土中水分大量蒸发。通常透水性混凝土拆模时间比普通混凝土短, 如此其侧面和边缘就会暴露于空气中, 应用塑料薄膜及时覆盖路面和侧面, 以保证湿度和水泥充分水化。透水性混凝土应在浇注后 1 天开始洒水养护, 洒水养护时, 应每隔 2- 3m 处就洒水养护, 每天至少洒水四次。淋水时不宜用压力水直冲混凝土表面, 这样会带走一些水泥浆, 造成一些较薄弱的部位, 可采用直接从上往下浇水。若遇到夏季干热天气, 可在浇注后 8h 开始洒水养护, 并且要增加洒水次数, 以免过早失水。另外还可以考虑其它养护法, 例如可以用草帘、 麻袋或混凝土专用的覆盖物, 但切记不可用塑料薄膜和细砂作为表面覆盖物, 因为塑料薄膜对水灰比小的混凝土的强度负面影响很大, 而砂子会阻塞透水混凝土的孔隙。透水性混凝土的湿养时间应不少于 3- 7天, 养护期间, 混凝土表面不得见干。


5  透水混凝土的应用与市场推广前景

随着我国经济的发展和城市建设步伐的加快, 不透水路面给城市生态环境带来的负面影响也为之加大。透水性混凝土作为一种道路材料, 已日益受到人们的关注。20 世纪 90 年代以来, 国内对透水混凝土路面材料开始进行了研究, 但目前为止还没有大面积应用。如果能够采用优化骨料、 调整配比, 掺入矿物细掺料、 增强剂等方法提高透水混凝土的强度及耐久性, 那么这种环保型地面材料必将得到进一步的推广应用。