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        透水混凝土应用及病害防治

        [关键词]透水混凝土;病害;开裂;骨料级配

        1透水混凝土简介

        透水混凝土是由单一或不连续级配的粗骨料、水、水泥和适量外加剂拌制而成的一种多孔轻质混凝土,它不含或者尽可能少含细骨料,由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构,也可称多孔混凝土、间断级配混凝土、开放孔隙混凝土或过滤混凝土,是一种改善城市生态环境的环保型建筑材料。目前在城市中较多的用在城市广场、停车场、园林工程中的轻荷载道路、人行道、树池、步行街、居民小区内等道路路面。

        2透水混凝土材料的组成

        2.1集料

        碎石的性能指标应符合《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)中的二级要求。选用质地坚硬、耐久、洁净的碎石料,粒径按照设计需求一般选用2.4mm~4.75mm、4.75mm~9.5mm、9.5mm~13.2mm,应根据透水混凝土设计的孔隙率、强度及透水系数等指标进行实验后最终确定碎石粒径。集料的选择也要考虑透水混凝土使用功能要求,比如花岗岩集料较好的抗冻融性和较高的强度,因此温度较低的北方城市透水混凝土集料首选花岗岩,尽量不选吸水性强的石灰岩集料;在保证较大孔隙率的前提下,白云岩、花岗岩能够更高的抗压强度。而采用石灰岩和砾石集料的混合料经冻融循环容易破坏;如果集料的吸水性较好那么该集料的抗冻融性相对就会较差。

        2.2水泥

        水泥:水泥作为混合料的粘结层,对透水混凝土的质量起至关重要的作用。一般采用强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,质量应符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)。

        2.3外加剂/改性剂

        应符合《混凝土外加剂》(GB8076-2008)的规定。在混合料中掺入适量的外加剂可改善胶结料的强度、耐久性、耐候性、初凝时间、坍落度等性能。外加剂的种类及掺量应该根据设计和施工的需求确定。

        2.4水

        普通自来水即可用。一般末经过滤的混浊的地下水或使用过的不洁水,不能利用,应符合《混凝土拌合用水》(JGJ63-2006)的规定。

        3透水混凝土地面排水方式及应用

        3.1透水混凝土地面排水方式

        透水混凝土应用的主要目是为了防止城市降雨期间的洪涝灾害,保护城市生态环境并合理利用雨水资源,雨水通过透水地面下渗至土壤中或者通过透水地面下层设置的雨水收集系统进行收集,常见的有以下几种排水方式:3.1.1全部自然下渗。其表面的水通过透水混凝土面层自身和透水碎石基层结构直接渗透至土壤中如下图1所示。可以补充城市地下水位、通过土壤自身净化水质、降低城市热岛效应。最重要的功能是可防止城市在雨季时的洪涝灾害,也能够使土壤中的水分通过透水混凝土地面(以下简称透水地面)自然蒸发出去,从而达到维护城市生态平衡的目的。3.1.2自然下渗与收集相结合。当通过自然下渗无法满足排水要求时,可在基层中设置雨水收集系统,通过自然下渗和雨水收集系统相结合的方式进行排水。雨水通过埋设在基层中收集系统合理的排放到雨水管网中或对雨水进行收集、净化、存储,待缺水季节再充分利用。该种排水方式主要应用在雨水量较大的城市。3.1.3雨水全部收集。透水地面基层以下有市政管线、构配件等不宜被雨水浸泡的构筑物时,在透水混凝土底基层和土基层之间铺设一层防渗膜并埋设排水管道,防渗膜可阻止雨水下渗至土基层,雨水通过防渗膜和排水管道排至市政雨水管道,或者通过埋设的排水管道将雨水进行收集、净化、存储,待缺水季节再充分利用。

        4常见病害防治

        由于透水混凝土存在诸多优点,被广泛应用于城市建设中,其施工工艺流程也比较成熟,但在施工、使用及维护过程中如果处置不当将会产生诸多的缺陷,因此我们要掌握常见的病害防治知识,提高其价值功能,使之更好的为城市建设服务。以下我们将对透水混凝土常见的病害及防治做简要的分析和阐述。

        4.1透水地面板底脱空

        透水混凝土地面的土质底基层和碎石基层由于考虑能够具有更好的渗水效果,其压实度一般较低,材料一般呈现颗粒状态(中粗砂和单一级配碎石为主)。并且处于长期浸水状态,土质底基层经过长期浸泡容易沉陷,碎石基层随之下沉,最终导致出现板底脱空现象、面层沉陷及开裂等一系列问题,解决此类问题一般从以下几方面考虑。(1)从设计阶段考虑:对渗水性能不好土基层采用中粗砂进行换填,提高基层压实度等方式处理;或者改变透水地面的排水方式,将表面的水通过透水面层和碎石基层直接渗透至土壤中的渗水方式,改为碎石基层下铺设防渗土工膜和雨水收集管,使雨水通过收集管汇入既有市政排水管道,防止雨水渗入土基层造成基层下沉。(2)从施工阶段考虑:严格按照设计的要求施工,保证透水地面基层、过滤层、底基层的原材料合格,并严格按照设计要求的压实度进行压实,保证各结构层之间的压实度合格。(3)由于透水地面板底脱空而导致地面沉陷和开裂的现象,要及时进行修复,以防止透水地面进一步破坏;如果情况严重需要拆除重建。

        4.2透水面层开裂

        导致透水混凝土开裂的因素较多,比如透水混凝土抗弯曲能力差、透水地面板底脱空、超荷载行车等。由于透水混凝土材料本身的脆性,抗弯曲变形能力较差,面层在受到外界较大荷载作用时,透水混凝土面层自身容易出现裂缝。正是由于透水混凝土自身的这种特性,目前透水材料多用于荷载较低的地面。解决此类问题主要有以下几种方法:(1)适当增加透水混凝土面板的厚度。这种方法简单但是效果不明显,尤其是抗弯曲能力提高有限,并且成本增加较多,所以一般很少用此种方法。(2)在透水砼级配中增加小粒径骨料的比例,透水混凝土抗压、抗弯强度均有一定程度增长,但是随着小粒径骨料的增加透水混凝土的孔隙率则将随之降低,排水性能随之下降。抗压强度和孔隙率一般成反比关系,孔隙率越高抗压强度则越小。要综合考虑设计、施工以及后续的使用要求等因素,合理的选取集料的级配。在保证透水混凝土的孔隙率、透水系数、强度等级等各项性能指标的同时适当增加小粒径集料的比例。(3)在透水混凝土中加入钢筋网片、钢纤维或者其他强度高并且耐腐蚀性好的材料,可提高透水混凝土抗弯曲能力,增强其韧性,防止透水混凝土脆性破坏。目前国内已有在透水混凝土中加入聚丙烯仿钢纤维(简称为PPTF)来增加其韧性和强度,具有很好的防开裂效果。

        4.3透水混凝土堵孔

        透水混凝土中存在的孔隙有三种形式:闭口孔隙、不连通的开口孔隙和连通贯穿的开口孔隙。真正起到排水作用的孔隙是连通贯穿的开口孔隙,雨水通过连通贯穿的开口孔隙渗入基层和底基层中。堵孔主要是指透水混凝土中连通贯穿的开口孔隙被部分或全部封堵而影响其透水功能。施工阶段造成堵孔主要有以下几种原因。(1)混合料选取骨料级配不合理,其中的细集料偏多,或者骨料为连续级配,导致混合料摊铺后很难形成连通贯穿的开口孔隙。选取骨料时要选用单一粒径或者间断级配的骨料,不能采用连续级配的骨料。(2)透水地面施工时振捣方式不合理,过度振捣容易导致混合料离析和浆体下沉,形成水泥浆体封底,造成孔隙堵塞。若振捣不足,则容易导致骨料不密实,抗压强度低。因此透水混凝土一般采用专用的低频振动压实机,或采用平板振动器振动和专用滚压工具滚压。用平板振动器振动时避免在一个位置上持续振动,使用振动器振捣,采用专用低频振动压实机压实时应辅以人工补料及找平。(3)混合料拌合时添加的外加剂不合理。减水剂对混合料影响较大,特别是高效减水剂,减水剂用量较高时,拌合物浆体流动性增大容易造成骨料的离析,浆体下沉,造成封堵孔底。经过多次试验发现,减水剂用量如果超过水泥用量的2%则透水砼混合料容易产生离析现象,浆体下沉造成堵孔,降低透水混凝土的综合性能。因此在使用减水剂时,一定要控制好减水剂的用量,或者用增强剂代替减水剂,并且需要通过试验验证减水剂或增强剂与水泥的适应关系;使用增强剂代替减水剂能够更有效的提高拌合物坍落度,并且能够减小坍落度的损失,同时还可使骨料具有更高的挂浆性能。

        4.4养护阶段渗水能力减弱

        在使用和维护阶段由于透水地面环境中不可避免的会有一些尘土、落叶、小粒径碎石、砂土、油污、腐蚀的植物等外界污染物会随着雨水流进透水混凝土的孔隙中,久而久之会减弱透水混凝土的整体渗水能力。如果外界环境好,空气清洁,透水地面经常保持清洁干净则可降低堵孔的概率,但是透水地面在使用过程中不可避免的会造成渗水能力减弱,这就需要利用后期的养护手段解决此类问题。目前常养护手段主要有以下几种:(1)及时清扫透水地面上的杂物,保持透水地面处于清洁状态,可有效的减缓透水地面堵孔。(2)当进入透水混凝土孔隙内的颗粒状、粉尘状杂物不能通过清扫的方法排除时,这就要采取吸尘的方法将孔隙内部的杂物“吸出来”。每隔固定时间或者根据实际堵塞情况,利用大功率真空吸尘器对透水地面进行吸尘,透水混凝土孔隙中的颗粒状、粉尘状杂物以负压的方式被吸出来。(3)也可以采用高压水冲的方式将透水混凝土孔隙内的颗粒状、粉尘状杂物冲洗出来或冲洗下去,颗粒状杂物一般会被冲洗出来,粉尘状杂物一般会被冲下去。其中清扫、吸尘、高压水冲三种方法相结合的维护方式是目前效果较好的养护手段。但是现在还没有能彻底解决混凝土堵塞的办法,还需要广大的工作人员进一步探索研究。

        4.5冻融破坏

        当透水地面处于较低温度且处于水饱和状态时,孔隙中的水由液态变为固态会出现冻融现象,对混凝土产生破坏。冻融主要是由于水的物理性能造成的,主要发生在寒冷地区。因此,在冬季来临之前及时疏通透水混凝土中被堵孔隙,使孔隙中的水及时通过基层、底基层渗入地下或及时排入收集系统,保证透水地面有良好的渗水性能,避免透水混凝土中存在积水,是防止冻融破坏的有效手段。另外透水混凝土在拌制过程中加入适量引气剂,能够使骨料表面的水泥浆包覆层中引入均匀分布的微小气泡,可提高其抗冻融能力。虽然加入引气剂是提高透水混凝土抗冻耐久性有效手段,但引气剂掺入的同时会导致透水混凝土的耐磨性、耐腐蚀性等能力的降低,应根据设计和施工的要求并经试验后确定用量。

        4.6面层磨损、集料剥离

        透水混凝土面层磨损、集料剥离通常情况下由两种原因造成,一种是由于其表面受到较大摩檫力,如车辆刹车时轮胎与面层的摩擦、外界重物的冲撞等。针对此类种情况,在日常使用和管理过程中要严禁超过透水地面允许荷载的车辆通行,并避免超荷载物体在透水混凝土面上堆放等控制措施。另一种原因是透水混凝土结合料的配合比不合理或者所用原材料、外加剂质量不合格导致面层混合料中集料颗粒之间的结合强度过低,在外力的作用下很容易出现集料剥离的现象。这种原因是设计或由于施工不当造成的。针对这种情况,在设计和施工阶段要制定科学合理的配合比并且要选用质量合格的原材料和外加剂,严格控制好施工过程的每一个环节。此外,在透水结合料中加入增强剂可保持混合料中骨料表面被浆体包裹的稳定性,可提升混合料的抗压强度和结合强度,也可提高混凝土的抗耐磨性、抗冻融性、耐久性。在透水混凝土结合料中加入橡胶也可以提高其耐磨性能。

        5结语

        虽然透水混凝土前期的建设投入与后期的维护成本较高,但是透水地面带来的直接和间接效益是显著的。透水混凝土在缓解和消除城市雨季洪涝灾害、减小地表水径流量、补充地下水、净化水质,缓解城市热岛效应、吸收并降低城市噪音、保护城市生态环境等方面的效益是非常可观的。

        参考文献

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        [3]高润东,李向民,许清风,杜敏山.聚丙烯仿钢纤维(PPTF)透水混凝土试验研究[J].新型建筑材料,2015(3

        [4]张长弓.空隙率与连通空隙率对沥青混合料性能的影响研究[D].西安:长安大学,2016.

        作者:郭培林 单位:中国建筑第七工程局有限公司

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