透水混凝土地面的发展过程

透水混凝土路面的发展历程　
摘 要：透水混凝土是一种生态环保型混凝土，具有连续的孔隙、良好的透气和透水性。笔者综述了透水混凝土路面铺装的发展历程、结构类型、技术特点及其应用情况等。透水混凝土路面铺装可以补充地下水，缓解城市内涝，吸声降噪，改善城市热环境，具有良好的环境效益和社会效益。对透水混凝土路面铺装的深入研究有助于该绿色基础设施的应用与发展。
随着我国经济的发展，城市规模的扩大和结构的变化，城镇地表逐步被钢筋混凝土房屋、大型基础设施、各种不透水的场地和透水性极差的混凝土路面所覆盖。其中不透水混凝土路面所占比例越来越大，对社会和生态环境产生了许多负面影响，缺乏“环境实用性”]，尤其是城市内涝、地下水位下降、热岛效应等问题日益突出。透水混凝土铺装作为低影响开发（Low Impact Development，简称LID）措施之一，可以达到用雨水补充地下水资源；减少路面径流，预防城市内涝的发生；减少路面径流携带的污染物，减轻河道水体污染等目的。对改善城市的自然环境和维护生态平衡等具有重要的现实意义，是一种与自然环境相协调的绿色基础设施。
1　 透水混凝土发展历程
透水混凝土的应用始于100多年前，据V M Malhortra记载：1852 年英国在建造工程中开发了不含细骨料的混凝土，即透水混凝土。美国从20世纪60年代就开始了对透水混凝土设计方法的研究。1995年，南伊利诺伊大学的Nader Ghafoori阐述了透水混凝土作为路面铺装材料的使用技术，并对其物理性能进行了探讨研究。后来，其他国家如日本、法国等也开始对透水混凝土进行研究和开发。
我国于1993年开始进行透水混凝土与透水性混凝土路面砖的研究，并于1995年成功研制出透水混凝土。随着透水混凝土应用范围的扩大，从2009年开始我国出台了一系列规范和标准，如CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》和标准图集10MR204《城市道路—透水人行道铺设》等。一些地区也出台了一些地方标准，如2007年8月北京市路政局出台了《北京市透水人行道设计施工技术指南》，2007年深圳推广的《彩色环保透水透气混凝土和透水透气沥青路面（地坪）新技术》等。
2　 透水混凝土路面结构及类型
2.1　 透水混凝土的微孔结构
透水混凝土的特点是采用单粒级粗骨料作为骨架，水泥净浆或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面，作为骨料颗粒之间的胶结层，形成骨架­­——具有孔隙结构的多孔混凝土材料，由于集料级配特殊，形成了蜂窝状结构，或称为米花糖结构[5]。由图1可以看出，透水混凝土是粗骨料颗粒间通过硬化的水泥浆薄层胶结而成的多孔堆聚结构，内部含有较多的孔隙，且多为直径超过1mm的大孔，因此具有良好的透水性。

2.2　 透水混凝土路面结构
将透水性混合料直接摊铺在路基上，经压实、养护等工艺构筑而成的路面即为透水混凝土路面。透水性混凝土路基应稳定、均质，以保证雨水能够顺利渗透。与传统的封闭性路基结构相比，透水性混凝土路基是开放式的。
2.3　 透水混凝土路面类型
在我国，透水混凝土路面铺装主要用于园区道路、步行道、停车场、广场等，根据荷载大小以及土壤渗透性的不同，将透水混凝土路面分为3种：
　　1）全透水结构人行道
当土基渗透系数>10－6m/s，且渗透面距离地下水位＞1.0m，路面用于人行道时，可以采用全透水结构人行道。雨水沿面层、基层下渗，*后渗入路基中，全透水结构人行道典型示意图如图3a）所示。基层可采用级配砂砾、级配碎石及级配砾石，厚度不应小于150mm。例如南京白下区的光华路东段人行道在2008年的改造中，就采用了此种类型的透水混凝土路面结构。
2）全透水结构其他道路
当路面用于非机动车道或者景观硬地等其他道路时，可以采用全透水结构道路。在级配砂砾、级配碎石及级配砾石基层上增设多孔隙水泥稳定碎石基层，结构如图3b）所示。一般多孔隙水泥稳定碎石基层厚度不小于200mm，级配砂砾、级配碎石及级配砾石基层厚度不应小于150mm。例如西安大明宫国家遗址公园御道广场采用的就是这种结构，透水混凝土面层厚120mm，基层采用300mm厚的级配碎石[6]。
3）半透水结构路面
　 轴载4t以下的停车场、广场、小区道路，可采用半透水结构透水路面，土基上方常加设非透水型防渗土工布。雨水依次透过面层、基层后，沿不透水垫层的顶面排出路基之外，路基亦不受路面渗水的影响。半透水结构路面如图3c）所示。一般稳定土基层或石灰、粉煤灰稳定砂砾基层厚度不小于180mm。

3　 透水混凝土路面的效应
3.1　 削减地表径流
相对于不透水路面，透水混凝土路面可以增大雨水的入渗量，使城市地表径流系数减小，雨水汇流速度减慢，从而使城市降雨径流总量减少、径流洪峰延后，使洪水过程线从之前的峰高坡陡改变为峰低坡缓，对于防止城市内涝有着举足轻重的作用[7]。
3.2　 补充地下水并保障水质
地下水是城市供水水源的重要补充，而降雨又是地下水的重要来源，但是不透水路面却阻断了降雨下渗，使得大部分降雨通过城市排水管网排出，造成地下水得不到有效的补充，使地下水水位不断降低，形成了地质学上的“漏斗型”地下水位，进而引发地面下降，沿海地区还会导致海水倒灌。另外，地表径流过程中会携带大量污染物，其进入自然水体后，必定会加重自然水体的污染程度。而透水混凝土路面通过自身与地面下垫层相连通的渗水路径使径流渗入下部土壤，以维持地下水水位稳定，防止水位下降，从而避免了由于地下水位下降而引发的地面下降的问题。通过下渗，路面径流污染也可以得到削减，Tennis等通过2项实验研究表明透水混凝土有很高的污染物去除率，弗吉尼亚州的污染物去除率达到了82％，而马里兰州的污染物去除率高达95％。可见，透水混凝土路面对于补充地下水和保障水质起到了重要作用。
3.3　 改善生态环境
城市不透水路面铺装破坏了原有的自然生物环境，而透水混凝土路面铺装因具有良好的渗水性及保湿性，既兼顾了人类活动对于硬化地面的使用要求，又能通过自身性能接近天然草坪和土壤地面的生态优势，减轻了对大自然的破坏程度，使透水混凝土路面以下的动植物及微生物的生存环境得到有效的保护。
3.4　 改善城市热环境
透水混凝土路面由于具有与外部空气及下部透水垫层相连通的多孔构造，其地面下垫层土壤中丰富的毛细水通过自然蒸发和蒸腾作用能够使地表的温度降低[10]，从而有效地缓解了“热岛效应”。
3.5　 吸声降噪
根据Hendrickx的研究，透水混凝土路面具有显著的吸声降噪作用[11]。由于透水混凝土特有的多孔结构，当声波打在其表面时，声波引起小孔或间隙内的空气运动，紧靠孔壁表面的空气运动速度较慢，在摩擦力和空气运动粘滞阻力的作用下，一部分声能转变为热能，从而使声波衰减；此外，小孔中空气和孔壁的热交换引起的热损失，也能使声能衰减。
4　 透水混凝土应用情况及现存问题
4.1　 应用情况
在日本，20世纪70年代后期为了解决因抽取地下水引起地基下沉等问题，制定了“雨水的地下还原政策”，着手开发透水性混凝土铺装，并应用于实际工程。目前，透水混凝土已用在停车场、公园、人行道、高速公路的中央分隔带及路肩等处，如在五福公园和上野不忍池公园就进行了广泛应用。2005年日本爱知世博会会馆使用了大量的透水混凝土，以突显生态、科技、环保的理念。1979—1981年，法国在戴高乐机场应用透水水泥混凝土，以增加机场的渗水功能。另外，法国还将透水铺装应用于网球场，在法国60％以上的网球场都是采用透水铺装修建的。
2004年，北京有5个示范区通过采用铺设透水混凝土路面的办法，收集建筑物、庭院和道路雨水用于家庭冲厕、小区绿化和地下水回灌，在暴雨中有效地起到了利用雨水资源、减轻城市河道排水行洪压力的作用。2008年[14]，在奥运会广场、停车场铺设透水混凝土面积约 11.7万m2。利用在赛道周边设置截水沟等措施将经过透水混凝土过滤的雨水排入赛道内，实现场馆内雨洪利用，平均每年利用雨水约12万m3，雨水利用率约为85％，节约了赛道补水。可以说透水混凝土在北京已经得到了成功应用。