透水混凝土路面的發(fā)展歷程

  摘 要：

  透水混凝土是一種生態(tài)環(huán)保型混凝土，具有連續(xù)的孔隙、良好的透氣和透水性。筆者綜述了透水混凝土路面鋪裝的發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)類型、技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用情況等。透水混凝土路面鋪裝可以補(bǔ)充地下水，緩解城市內(nèi)澇，吸聲降噪，改善城市熱環(huán)境，具有良好的環(huán)境效益和社會效益。對透水混凝土路面鋪裝的深入研究有助于該綠色基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用與發(fā)展。

  隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市規(guī)模的擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)的變化，城鎮(zhèn)地表逐步被鋼筋混凝土房屋、大型基礎(chǔ)設(shè)施、各種不透水的場地和透水性極差的混凝土路面所覆蓋。其中不透水混凝土路面所占比例越來越大，對社會和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了許多負(fù)面影響，缺乏“環(huán)境實用性”，尤其是城市內(nèi)澇、地下水位下降、熱島效應(yīng)等問題日益突出。透水混凝土鋪裝作為低影響開發(fā)（Low Impact Development，簡稱LID）措施之一，可以達(dá)到用雨水補(bǔ)充地下水資源；減少路面徑流，預(yù)防城市內(nèi)澇的發(fā)生；減少路面徑流攜帶的污染物，減輕河道水體污染等目的。對改善城市的自然環(huán)境和維護(hù)生態(tài)平衡等具有重要的現(xiàn)實意義，是一種與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施。

  1  透水混凝土發(fā)展歷程

  透水混凝土的應(yīng)用始于100多年前，據(jù)V M Malhortra記載：1852 年英國在建造工程中開發(fā)了不含細(xì)骨料的混凝土，即透水混凝土。美國從20世紀(jì)60年代就開始了對透水混凝土設(shè)計方法的研究。1995年，南伊利諾伊大學(xué)的Nader Ghafoori闡述了透水混凝土作為路面鋪裝材料的使用技術(shù)，并對其物理性能進(jìn)行了探討研究。后來，其他國家如日本、法國等也開始對透水混凝土進(jìn)行研究和開發(fā)。

  我國于1993年開始進(jìn)行透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究，并于1995年成功研制出透水混凝土。隨著透水混凝土應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從2009年開始我國出臺了一系列規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》和標(biāo)準(zhǔn)圖集10MR204《城市道路—透水人行道鋪設(shè)》等。一些地區(qū)也出臺了一些地方標(biāo)準(zhǔn)，如2007年8月北京市路政局出臺了《北京市透水人行道設(shè)計施工技術(shù)指南》，2007年深圳推廣的《彩色環(huán)保透水透氣混凝土和透水透氣瀝青路面（地坪）新技術(shù)》等。

  2  透水混凝土路面結(jié)構(gòu)及類型

  2.1  透水混凝土的微孔結(jié)構(gòu)

  透水混凝土的特點(diǎn)是采用單粒級粗骨料作為骨架，水泥凈漿或加入少量細(xì)骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料顆粒的表面，作為骨料顆粒之間的膠結(jié)層，形成骨架??——具有孔隙結(jié)構(gòu)的多孔混凝土材料，由于集料級配特殊，形成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，或稱為米花糖結(jié)構(gòu)。由圖1可以看出，透水混凝土是粗骨料顆粒間通過硬化的水泥漿薄層膠結(jié)而成的多孔堆聚結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有較多的孔隙，且多為直徑超過1mm的大孔，因此具有良好的透水性。

  2.2  透水混凝土路面結(jié)構(gòu)

  將透水性混合料直接攤鋪在路基上，經(jīng)壓實、養(yǎng)護(hù)等工藝構(gòu)筑而成的路面即為透水混凝土路面。透水性混凝土路基應(yīng)穩(wěn)定、均質(zhì)，以保證雨水能夠順利滲透。與傳統(tǒng)的封閉性路基結(jié)構(gòu)相比，透水性混凝土路基是開放式的。圖2是典型的透水混凝土路面結(jié)構(gòu)示意圖。各個結(jié)構(gòu)層的功能列于表1。

  2.3  透水混凝土路面類型

  在我國，透水混凝土路面鋪裝主要用于園區(qū)道路、步行道、停車場、廣場等，根據(jù)荷載大小以及土壤滲透性的不同，將透水混凝土路面分為3種：

  1）全透水結(jié)構(gòu)人行道

  當(dāng)土基滲透系數(shù)>10－6m/s，且滲透面距離地下水位＞1.0m，路面用于人行道時，可以采用全透水結(jié)構(gòu)人行道。雨水沿面層、基層下滲，最后滲入路基中，全透水結(jié)構(gòu)人行道典型示意圖如圖3a）所示?；鶎涌刹捎眉壟渖暗[、級配碎石及級配礫石，厚度不應(yīng)小于150mm。例如南京白下區(qū)的光華路東段人行道在2008年的改造中，就采用了此種類型的透水混凝土路面結(jié)構(gòu)。

  2）全透水結(jié)構(gòu)其他道路

  當(dāng)路面用于非機(jī)動車道或者景觀硬地等其他道路時，可以采用全透水結(jié)構(gòu)道路。在級配砂礫、級配碎石及級配礫石基層上增設(shè)多孔隙水泥穩(wěn)定碎石基層，結(jié)構(gòu)如圖3b）所示。一般多孔隙水泥穩(wěn)定碎石基層厚度不小于200mm，級配砂礫、級配碎石及級配礫石基層厚度不應(yīng)小于150mm。例如西安大明宮國家遺址公園御道廣場采用的就是這種結(jié)構(gòu)，透水混凝土面層厚120mm，基層采用300mm厚的級配碎石。

  3）半透水結(jié)構(gòu)路面

  軸載4t以下的停車場、廣場、小區(qū)道路，可采用半透水結(jié)構(gòu)透水路面，土基上方常加設(shè)非透水型防滲土工布。雨水依次透過面層、基層后，沿不透水墊層的頂面排出路基之外，路基亦不受路面滲水的影響。半透水結(jié)構(gòu)路面如圖3c）所示。一般穩(wěn)定土基層或石灰、粉煤灰穩(wěn)定砂礫基層厚度不小于180mm。

  3  透水混凝土路面的效應(yīng)

  3.1  削減地表徑流

  相對于不透水路面，透水混凝土路面可以增大雨水的入滲量，使城市地表徑流系數(shù)減小，雨水匯流速度減慢，從而使城市降雨徑流總量減少、徑流洪峰延后，使洪水過程線從之前的峰高坡陡改變?yōu)榉宓推戮?，對于防止城市?nèi)澇有著舉足輕重的作用。

  3.2  補(bǔ)充地下水并保障水質(zhì)

  地下水是城市供水水源的重要補(bǔ)充，而降雨又是地下水的重要來源，但是不透水路面卻阻斷了降雨下滲，使得大部分降雨通過城市排水管網(wǎng)排出，造成地下水得不到有效的補(bǔ)充，使地下水水位不斷降低，形成了地質(zhì)學(xué)上的“漏斗型”地下水位，進(jìn)而引發(fā)地面下降，沿海地區(qū)還會導(dǎo)致海水倒灌。另外，地表徑流過程中會攜帶大量污染物，其進(jìn)入自然水體后，必定會加重自然水體的污染程度。而透水混凝土路面通過自身與地面下墊層相連通的滲水路徑使徑流滲入下部土壤，以維持地下水水位穩(wěn)定，防止水位下降，從而避免了由于地下水位下降而引發(fā)的地面下降的問題。通過下滲，路面徑流污染也可以得到削減，Tennis等[8]通過2項實驗研究表明透水混凝土有很高的污染物去除率，弗吉尼亞州[9]的污染物去除率達(dá)到了82%，而馬里蘭州的污染物去除率高達(dá)95%。可見，透水混凝土路面對于補(bǔ)充地下水和保障水質(zhì)起到了重要作用。

  3.3  改善生態(tài)環(huán)境

  城市不透水路面鋪裝破壞了原有的自然生物環(huán)境，而透水混凝土路面鋪裝因具有良好的滲水性及保濕性，既兼顧了人類活動對于硬化地面的使用要求，又能通過自身性能接近天然草坪和土壤地面的生態(tài)優(yōu)勢，減輕了對大自然的破壞程度，使透水混凝土路面以下的動植物及微生物的生存環(huán)境得到有效的保護(hù)。

  3.4  改善城市熱環(huán)境

  透水混凝土路面由于具有與外部空氣及下部透水墊層相連通的多孔構(gòu)造，其地面下墊層土壤中豐富的毛細(xì)水通過自然蒸發(fā)和蒸騰作用能夠使地表的溫度降低[10]，從而有效地緩解了“熱島效應(yīng)”。

  3.5  吸聲降噪

  根據(jù)Hendrickx的研究，透水混凝土路面具有顯著的吸聲降噪作用。由于透水混凝土特有的多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波打在其表面時，聲波引起小孔或間隙內(nèi)的空氣運(yùn)動，緊靠孔壁表面的空氣運(yùn)動速度較慢，在摩擦力和空氣運(yùn)動粘滯阻力的作用下，一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而使聲波衰減；此外，小孔中空氣和孔壁的熱交換引起的熱損失，也能使聲能衰減。

  4  透水混凝土應(yīng)用情況及現(xiàn)存問題

  4.1  應(yīng)用情況

  在日本，20世紀(jì)70年代后期為了解決因抽取地下水引起地基下沉等問題，制定了“雨水的地下還原政策”，著手開發(fā)透水性混凝土鋪裝，并應(yīng)用于實際工程。目前，透水混凝土已用在停車場、公園、人行道、高速公路的中央分隔帶及路肩等處，如在五福公園和上野不忍池公園就進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。2005年日本愛知世博會會館使用了大量的透水混凝土，以突顯生態(tài)、科技、環(huán)保的理念。1979—1981年，法國在戴高樂機(jī)場應(yīng)用透水水泥混凝土，以增加機(jī)場的滲水功能。另外，法國還將透水鋪裝應(yīng)用于網(wǎng)球場，在法國60%以上的網(wǎng)球場都是采用透水鋪裝修建的。

  2004年，北京有5個示范區(qū)通過采用鋪設(shè)透水混凝土路面的辦法，收集建筑物、庭院和道路雨水用于家庭沖廁、小區(qū)綠化和地下水回灌，在暴雨中有效地起到了利用雨水資源、減輕城市河道排水行洪壓力的作用。2008年，在奧運(yùn)會廣場、停車場鋪設(shè)透水混凝土面積約 11.7萬m²。利用在賽道周邊設(shè)置截水溝等措施將經(jīng)過透水混凝土過濾的雨水排入賽道內(nèi)，實現(xiàn)場館內(nèi)雨洪利用，平均每年利用雨水約12萬m³，雨水利用率約為85%，節(jié)約了賽道補(bǔ)水?？梢哉f透水混凝土在北京已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。

  上海市在新建、改建公園中積極推廣透水混凝土的應(yīng)用。2010年，在整個世博園區(qū)，60%以上的路面采用了透水混凝土，例如世博中心廣場、A13廣場、世博公園、世博園區(qū)內(nèi)地坪、C08廣場和非洲廣場等。經(jīng)過多次降雨監(jiān)測表明，雨水能迅速滲入地下，路面沒有積水，夜間不反光，增加了路面通行的安全性、舒適性，同時，抑制了城市“熱島效應(yīng)”。

  鄭州在位于鄭東新區(qū)的國際會展中心停車場工程中，采用彩色透水混凝土進(jìn)行鋪裝，廣場面積達(dá)17000m²，面層為40mm 厚橄欖綠透水混凝土，透水系數(shù)為1mm/s。這種彩色鋪裝不僅增加了廣場的美觀度，對于預(yù)防雨洪也起到了非常關(guān)鍵的作用。

  廣西在2011年首屆園林園藝博覽會工程中采用了透水混凝土鋪裝，鋪裝部位為濱水廣場噴泉系統(tǒng)水池蓋板。噴泉系統(tǒng)工作時回落的水，瞬間即可通過高透水性能的混凝土蓋板回流到水池中，不出現(xiàn)回流水外溢現(xiàn)象，增加了園林的美感和觀賞性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。

  此外，在國內(nèi)其他一些城市，透水混凝土也得到了大量應(yīng)用。南京在幕府西路建成第1條透水混凝土市政道路，300m長的人行道全部采用透水彩色混凝土鋪成。杭州金衙莊公園建成首條樹脂透水混凝土道路，其防滑性能好，還能夠起到很好的吸熱降溫作用。2009年西安大明宮國家遺址公園御道廣場采用大面積透水鋪裝，面積達(dá)15萬m²，取得了良好的效果。

  4.2  現(xiàn)存問題

  1）耐久性差。透水混凝土的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，使其抗壓、抗折性能較差；透水混凝土表面孔隙率大，容易受到空氣、陽光和水的侵蝕，所以其耐久性也有待提高。

  2）易堵塞。由于透水混凝土結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，因此易被顆粒物堵塞。然而其各種優(yōu)良性狀都是依靠孔隙滲水來實現(xiàn)的，一旦孔隙被堵塞，其優(yōu)點(diǎn)將得不到有效的發(fā)揮。

  3）不易維護(hù)。透水混凝土鋪裝作為新型措施，從技術(shù)層面來看還沒有有效的維護(hù)方法。如當(dāng)遭遇風(fēng)沙天氣后，細(xì)小的沙塵將透水混凝土孔隙占據(jù)，鋪裝滲透效果大大降低，但缺乏相應(yīng)維護(hù)措施。

  4）推廣力度不足。目前，透水混凝土路面已在一線城市得到有效推廣應(yīng)用，但在二、三線城市還沒有得到充分重視，還需要進(jìn)一步加大推廣力度。

  5  結(jié)論

  進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國在透水混凝土的研究和應(yīng)用方面不斷加大投入力度，許多研究項目如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。透水混凝土路面在生態(tài)環(huán)保方面有許多優(yōu)點(diǎn)，如減少內(nèi)澇，減輕地面徑流污染，吸聲降噪等。但在實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如耐久性差，容易堵塞，不易維護(hù)等，對這些問題進(jìn)行深入的研究與技術(shù)改進(jìn)，是未來相關(guān)研究者應(yīng)開展的工作重點(diǎn)，這對于透水混凝土道路大范圍的推廣應(yīng)用有著重要的作用。相信隨著研究的深入和關(guān)鍵問題的解決，透水混凝土道路的應(yīng)用前景將會更加廣闊。