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        透水混凝土路面的發展歷程
        發布時間:2016.05.07  瀏覽次數:
         
             透水混凝土是一種生態環保型混凝土,具有連續的孔隙、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展歷程、結構類型、技術特點及其應用情況等。透水混凝土路面鋪裝可以補充地下水,緩解城市內澇,吸聲降噪,改善城市熱環境,具有良好的環境效益和社會效益。對透水混凝土路面鋪裝的深入研究有助于該綠色基礎設施的應用與發展。
             隨著我國經濟的發展,城市規模的擴大和結構的變化,城鎮地表逐步被鋼筋混凝土房屋、大型基礎設施、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,對社會和生態環境產生了許多負面影響,缺乏“環境實用性”[1],尤其是城市內澇、地下水位下降、熱島效應等問題日益突出。透水混凝土鋪裝作為低影響開發(Low Impact Development,簡稱LID)措施之一,可以達到用雨水補充地下水資源;減少路面徑流,預防城市內澇的發生;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境和維護生態平衡等具有重要的現實意義,是一種與自然環境相協調的綠色基礎設施。
        1  透水混凝土發展歷程
            透水混凝土的應用始于100多年前,據V M Malhortra[2]記載:1852 年英國在建造工程中開發了不含細骨料的混凝土,即透水混凝土。美國從20世紀60年代就開始了對透水混凝土設計方法的研究。1995年,南伊利諾伊大學的Nader Ghafoori[3]闡述了透水混凝土作為路面鋪裝材料的使用技術,并對其物理性能進行了探討研究。后來,其他國家如日本、法國等也開始對透水混凝土進行研究和開發。
            我國于1993年開始進行透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究[4],并于1995年成功研制出透水混凝土。隨著透水混凝土應用范圍的擴大,從2009年開始我國出臺了一系列規范和標準,如CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》和標準圖集10MR204《城市道路—透水人行道鋪設》等。一些地區也出臺了一些地方標準,如2007年8月北京市路政局出臺了《北京市透水人行道設計施工技術指南》,2007年深圳推廣的《彩色環保透水透氣混凝土和透水透氣瀝青路面(地坪)新技術》等。
        2  透水混凝土路面結構及類型
        2.1  透水混凝土的微孔結構
            透水混凝土的特點是采用單粒級粗骨料作為骨架,水泥凈漿或加入少量細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層,形成骨架??——具有孔隙結構的多孔混凝土材料,由于集料級配特殊,形成了蜂窩狀結構,或稱為米花糖結構[5]。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而成的多孔堆聚結構,內部含有較多的孔隙,且多為直徑超過1mm的大孔,因此具有良好的透水性。
        2.2  透水混凝土路面結構
            將透水性混合料直接攤鋪在路基上,經壓實、養護等工藝構筑而成的路面即為透水混凝土路面。透水性混凝土路基應穩定、均質,以保證雨水能夠順利滲透。與傳統的封閉性路基結構相比,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構示意圖。各個結構層的功能列于表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道路、步行道、停車場、廣場等,根據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)全透水結構人行道
            當土基滲透系數>10-6m/s,且滲透面距離地下水位>1.0m,路面用于人行道時,可以采用全透水結構人行道。雨水沿面層、基層下滲,最后滲入路基中,全透水結構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,厚度不應小于150mm。例如南京白下區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構。
            2)全透水結構其他道路
            當路面用于非機動車道或者景觀硬地等其他道路時,可以采用全透水結構道路。在級配砂礫、級配碎石及級配礫石基層上增設多孔隙水泥穩定碎石基層,結構如圖3b)所示。一般多孔隙水泥穩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構,透水混凝土面層厚120mm,基層采用300mm厚的級配碎石[6]。
            3)半透水結構路面
            軸載4t以下的停車場、廣場、小區道路,可采用半透水結構透水路面,土基上方常加設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。半透水結構路面如圖3c)所示。一般穩定土基層或石灰、粉煤灰穩定砂礫基層厚度不小于180mm。
        3  透水混凝土路面的效應
        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為峰低坡緩,對于防止城市內澇有著舉足輕重的作用[7]。
        3.2  補充地下水并保障水質
            地下水是城市供水水源的重要補充,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排出,造成地下水得不到有效的補充,使地下水水位不斷降低,形成了地質學上的“漏斗型”地下水位,進而引發地面下降,沿海地區還會導致海水倒灌。另外,地表徑流過程中會攜帶大量污染物,其進入自然水體后,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定,防止水位下降,從而避免了由于地下水位下降而引發的地面下降的問題。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]的污染物去除率達到了82%,而馬里蘭州的污染物去除率高達95%?梢,透水混凝土路面對于補充地下水和保障水質起到了重要作用。
        3.3  改善生態環境
            城市不透水路面鋪裝破壞了原有的自然生物環境,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優勢,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境得到有效的保護。
        3.4  改善城市熱環境
            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造,其地面下墊層土壤中豐富的毛細水通過自然蒸發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”。
        3.5  吸聲降噪
            根據Hendrickx的研究,透水混凝土路面具有顯著的吸聲降噪作用[11]。由于透水混凝土特有的多孔結構,當聲波打在其表面時,聲波引起小孔或間隙內的空氣運動,緊靠孔壁表面的空氣運動速度較慢,在摩擦力和空氣運動粘滯阻力的作用下,一部分聲能轉變為熱能,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  透水混凝土應用情況及現存問題
        4.1  應用情況
            在日本,20世紀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”[12],著手開發透水性混凝土鋪裝,并應用于實際工程。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行了廣泛應用。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、科技、環保的理念。1979—1981年[13],法國在戴高樂機場應用透水水泥混凝土,以增加機場的滲水功能。另外,法國還將透水鋪裝應用于網球場,在法國60%以上的網球場都是采用透水鋪裝修建的。
            2004年,北京有5個示范區通過采用鋪設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[14],在奧運會廣場、停車場鋪設透水混凝土面積約 11.7萬m2。利用在賽道周邊設置截水溝等措施將經過透水混凝土過濾的雨水排入賽道內,實現場館內雨洪利用,平均每年利用雨水約12萬m3,雨水利用率約為85%,節約了賽道補水?梢哉f透水混凝土在北京已經得到了成功應用。
            上海市在新建、改建公園中積極推廣透水混凝土的應用。2010年,在整個世博園區,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、世博園區內地坪、C08廣場和非洲廣場等。經過多次降雨監測表明,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”[15]。
            鄭州在位于鄭東新區的國際會展中心停車場工程中,采用彩色透水混凝土進行鋪裝,廣場面積達17000m2,面層為40mm 厚橄欖綠透水混凝土,透水系數為1mm/s[16]。這種彩色鋪裝不僅增加了廣場的美觀度,對于預防雨洪也起到了非常關鍵的作用。
            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水池蓋板[17]。噴泉系統工作時回落的水,瞬間即可通過高透水性能的混凝土蓋板回流到水池中,不出現回流水外溢現象,增加了園林的美感和觀賞性,達到了預期的設計效果。
            此外,在國內其他一些城市,透水混凝土也得到了大量應用。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15萬m2,取得了良好的效果[6]。
        4.2  現存問題
            1)耐久性差。透水混凝土的蜂窩狀結構,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。由于透水混凝土結構松散,孔隙率大,因此易被顆粒物堵塞。然而其各種優良性狀都是依靠孔隙滲水來實現的,一旦孔隙被堵塞,其優點將得不到有效的發揮。
            3)不易維護。透水混凝土鋪裝作為新型措施,從技術層面來看還沒有有效的維護方法。如當遭遇風沙天氣后,細小的沙塵將透水混凝土孔隙占據,鋪裝滲透效果大大降低,但缺乏相應維護措施。
            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用,但在二、三線城市還沒有得到充分重視,還需要進一步加大推廣力度。
        5  結論
            進入21世紀以來,我國在透水混凝土的研究和應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出來。透水混凝土路面在生態環保方面有許多優點,如減少內澇,減輕地面徑流污染,吸聲降噪等。但在實際應用中也發現了一些問題,如耐久性差,容易堵塞,不易維護等,對這些問題進行深入的研究與技術改進,是未來相關研究者應開展的工作重點,這對于透水混凝土道路大范圍的推廣應用有著重要的作用。相信隨著研究的深入和關鍵問題的解決,透水混凝土道路的應用前景將會更加廣闊。
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