外掺材料对透水混凝土性能影响的研究进展

摘   要：透水混凝土是“海绵城市”理念中的重要一环，对于减轻排水系统负担、缓解城市热岛效应、吸声降噪等具有积极作用。外掺材料的不同直接影响透水混凝土的力学性能、透水性能、抗冻融性能等，基于此，叙述了传统化学外加剂、复掺矿物掺合料和化学外加剂、树脂类聚合物改性剂、增强增韧材料对透水混凝土性能的影响，并对其研究方向进行了展望。

关键词：透水混凝土；外掺材料；传统外加剂；树脂类聚合物；增强增韧材料

0   前言

      随着现代混凝土技术的不断提升，高性能、智能型、生态环保型混凝土逐渐成为研究热点。其中，作为生态环保型混凝土之一的透水混凝土，因其具有较高的透水性、透气性，在路面、河岸等工程中得到了广泛应用，甚至在非土木工程领域的水处理工程中也得到了一定的研究与应用。

相对于普通混凝土来说，透水混凝土一般不含砂，主要是通过水泥浆体与骨料的相互黏结形成的一种多孔状混凝土，主要优点有：①自身孔隙大、透水性、透气性高，适合微生物生存与栖息；②透过的水流入地下，实现对水的二次利用，实用且环保。缺点是强度低，一般适用于非承重型的工程中，如公园路面、停车场等。鉴于不同使用场景、性能需求以及对经济效益、环境效益的考虑，在透水混凝土的制备过程中，往往需要添加不同的外掺材料。基于此，本文叙述了国内外学者关于外掺材料对透水混凝土性能影响的研究，并对今后透水混凝土外掺材料的研究方向进行了展望。

1   透水混凝土的作用

1.1   减轻排水系统负担

暴雨后，城市产生内涝的现象屡见不鲜，如采用透水混凝土路面，其特殊的孔隙结构使得雨水能够快速渗入地下，避免内涝现象的发生，从而减轻路面排水系统的负担。

1.2   缓解“热岛效应”

城市“高温化”也称为“热岛效应”，铺设透水混凝土路面，可利用其多孔构造使得垫层土壤中的毛细水在降雨后通过自然蒸发等蒸腾作用达到降温效果，有效缓解“热岛效应”。

1.3   吸声降噪作用

交通噪声污染日益严重，使用达到路用强度和耐久性要求的透水混凝土，可起到吸声降噪的作用，减少噪声污染。主要原理是声波通过孔隙传播到混凝土内部，使部分声能转换为热能并最终消化。

1.4   改善生态环境

透水混凝土在路面、护坡中得到了大量的应用，在兼顾使用要求的同时，还具备改善地面和地下动植物、微生物生长的条件，从而改善生态环境。

2   透水混凝土目前存在的不足

2.1   易产生堵塞现象

由于透水混凝土的孔隙率相对较大，长时间使用容易出现孔隙被堵塞的现象，导致其透水性能下降。

2.2   缺乏维护措施

对于透水混凝土的孔隙堵塞现象，目前暂时没有较好的方法进行清理；另一方面，缺乏相应的日常维护措施也是导致透水混凝土孔隙堵塞的原因之一。

2.3   力学性能和耐久性能不佳

由于透水混凝土特殊的结构特征，其抗压强度、抗折强度等力学性能欠佳，且易受到空气、水等其他物质的侵蚀，耐久性也有待提高。孔隙率较大是导致透水混凝土强度欠佳的原因之一。此外，原材料品质、配合比设计、搅拌及成型工艺、环境气候等也是影响透水混凝土强度的主要因素。

3   不同外掺材料对透水混凝土性能的影响

3.1   传统化学外加剂

外加剂作为继水、水泥、砂、石之后不可或缺的混凝土的第五组分，其重要性不言而喻。因此，研究外加剂对透水混凝土制备、性能、应用等方面的影响意义深远。减水剂是最常用的一种化学外加剂，可以直接减少混凝土用水量，从而提高混凝土强度，一般减水剂与其他化学外加剂（如增稠剂、引气剂等）复掺可以达到协同效应。国内外众多学者的研究成果都为用于透水混凝土的化学外加剂掺量和种类的选择提供了理论依据和新的思路。

杭美艳研究表明，通过掺加0.3%聚羧酸型减水剂、1.0%早强剂和0.1%增稠剂后，透水混凝土的强度显著提高，同时还增加了孔隙率。

      曲广雷将聚羧酸型减水剂和一种荷叶疏水剂添加到透水混凝土中，发现包裹骨料的胶结层表面会形成一种特殊的憎水膜，对水有排斥作用，可以使孔道内的水更加顺畅地通过，透水系数可以达到4.11 mm/s；同时，还可以提高透水混凝士的强度（抗压强度28.7 MPa、抗折强度4.47 MPa）。SHU、BONICELLI在透水混凝土中加入了减水剂、增稠剂、引气剂等组分，发现增稠剂的掺入提高了混凝土的耐磨性，引气剂的掺入不仅对透水混凝土的性能没有负面影响，而且提高了其抗冻融性能。

掺加传统化学外加剂的透水混凝土的性能明显高于普通透水混凝土，减水剂、增稠剂、早强剂都有助于提高透水混凝土的强度和透水系数。其中，增稠剂的加入不仅对拌和物的黏结力有较大影响，同时还增加了透水混凝土的耐磨性；引气剂的加入有助于提高透水混凝土的抗冻融性能，此外，水下透水混凝土工程还可以掺入抗分散剂来解决水下成型时浆体下沉及离析的现象，主要是利用抗分散剂的双电层压缩、电位中和以及高分子链的架桥作用产生絮凝现象，从而提高水泥浆体的抗分散性。

3.2   复掺矿物掺合料和化学外加剂

相对于单掺化学外加剂来说，在透水混凝土中掺加矿物掺合料的最大优点是在提高性能的同时节约成本，且其在实际工程应用中的性价比较高。

3.2.1   复掺粉煤灰和化学外加剂

粉煤灰作为火山灰质材料之一，与水泥水化产物发生二次水化反应，生成难溶于水的水化硅酸钙凝胶，这样不仅降低了溶出的可能，还能提升混凝土内部的致密性，进而提高混凝土的力学性能和耐侵蚀性能。

      大量研究表明，粉煤灰等量取代水泥可以提高透水混凝土的强度，但是，粉煤灰对混凝土的早期强度不利。此外，采用粉煤灰还可以提高透水混凝土的抗冻性能。粉煤灰的掺入改变了透水混凝土的内部化学组分，优化了其内部结构，对强度、抗冻性能等产生了有利影响。因此，复掺粉煤灰和化学外加剂可进步一提高透水混凝土的性能。

3.2.2   复掺硅灰和化学外加剂

已有研究表明，硅灰的掺入能明显改善混凝土拌和物的和易性，尤其是包裹性和黏结性，且对早期强度的提升较为有效，掺量为5%~6%时性能最佳。复掺减水剂和硅灰，透水混凝土的抗压强度可达25 MPa以上，且对透水系数几乎无影响。复掺硅灰和增塑剂时，透水混凝土也表现出较好的渗透性、耐磨性和冻融耐久性，且比普通透水混凝土具有更好的抗疲劳性能。

      张勇研究发现，复掺2%可再分散乳胶粉（主要成分是乙烯/醋酸乙烯共聚物）和5%硅粉，透水混凝土的28 d强度增加了47.91%。

      吴正光采用0.15 mm硅藻土复配5%硅灰、0.4%高效减水剂和0.3%葡萄糖酸钠后，发现透水混凝土的抗压强度得到提升，且孔隙率均满足要求，葡萄糖酸钠的掺入产生了吸附及络合作用，使透水混凝土的结构更加密实。

      ZAETANG用再生骨料代替天然骨料，将硅藻土和浮石作为天然轻骨料，且都和增塑剂搭配使用，结果表明，透水混凝土的强度和耐磨性都得到了提高。

综上所述，矿物掺合料和化学外加剂的多组分掺入不仅可以促进材料的资源化利用、降低成本，同时还能提升和优化透水混凝土的性能，符合我国可持续发展战略的要求。

3.3   树脂类聚合物改性剂

树脂改性水泥材料具有优异的防水性、黏结性和抗酸碱腐蚀性。近年来，树脂类聚合物改性透水混凝土受到了国内外学者的关注。

      万讳、蒋友新、李珍淑等利用环氧树脂制备透水混凝土，研究表明，环氧树脂能够有效提升透水混凝土的力学性能和抗冻性能。

      孙铂在混凝土中添加了高强树脂黏结剂，研究表明，透水混凝土的黏结力得到了提高。

      目前，树脂类聚合物透水混凝土已在国内诸多公园、小区路面中得到了应用。

3.4   增强增韧材料

3.4.1   橡胶粉

将废弃轮胎经加工后掺入透水混凝土中可以改善透水混凝土的性能。目前，已有较多关于橡胶改性透水混凝土的研究。

      杨春峰、吴春雷研究发现，橡胶能够有效提升透水混凝土的力学性能。

      GESOGLU研究发现，橡胶粉可以提高混凝土的耐磨性能和抗冻性，原因在于橡胶粉本身具有良好的韧性，能够对冻融过程中产生的应力起到缓冲作用，降低由冻融作用引起的负面效应；同时，橡胶粉在水泥中可以发挥一定程度的引气作用。

      于永霞研究了氯离子对透水混凝土渗透腐蚀情况的影响，结果表明，5%~10%的橡胶骨料能有效提升透水混凝土的抗腐蚀性能，原因在于橡胶骨料的掺入提高了混凝土的密实度。

3.4.2   纤维

王金龙、高润东将聚丙烯仿钢纤维作为透水混凝土的外掺材料，研究发现，当掺量为3 kg/m3时，透水混凝土的力学性能最佳，抗压和抗折强度分别为 13.7 MPa、2.6 MPa，透水性也满足工程实际应用的要求。聚丙烯仿钢纤维的优势在于它避免了聚丙烯纤维和钢纤维的缺点，既不易发生团聚，也不会由于锈蚀而降低水泥浆体的强度。

      朱峰在透水混凝土中掺入聚丙烯腈纤维和塑钢纤维，结果表明，透水混凝土的强度提高了30%，抗冲击性能提高了60%，抗冻性能提高了55%，抗冻等级达到了D250，研究结果为聚丙烯腈纤维和塑钢纤维在寒冷地区透水混凝土中的应用和推广创造了条件。

      HESAMI采用0.2%玻璃纤维、0.5%钢纤维以及0.3%聚苯硫醚纤维改善透水混凝土的力学性能，研究表明，掺钢纤维混凝土的抗压强度提升率最高，为37%；玻璃纤维对抗拉强度的提升效果最好，为31%；聚苯硫醚纤维对抗弯强度的提升效果最好，为69%。

      WU研究了聚丙烯纤维、增稠剂、乙烯-醋酸乙烯酯乳液等对透水混凝土性能的影响，结果表明，即使在孔隙率较高的情况下，透水混凝土仍可以获得更高的强度和更好的冻融耐久性。

综上所述，增强增韧材料目前使用较多的是橡胶粉和纤维，且取得的效果都较好。但其他类型的增韧增强材料目前研究较少，后续可从建筑废料入手进行研究，实现材料的二次利用，变废为宝。

4   结论与展望

（1）传统混凝土化学外加剂和矿物掺合料在透水混凝土中的应用已比较成熟，出于对进一步优化透水混凝土性能的考虑，近年来，树脂类聚合物以及增强增韧材料改性透水混凝土受到了关注。

      （2）树脂类聚合物改性透水混凝土具有良好的力学性能和透水性，这主要得益于聚合物本身良好的黏结性和韧性等特点。

      （3）增强增韧材料以橡胶粉和纤维为代表，橡胶粉属于废料再利用，具有良好的经济效益和环境效益；纤维是提升透水混凝土抗拉强度的重要外掺材料。

      （4）目前，透水混凝土的外掺材料多为多种材料复合掺入，在实际工程应用中，施工操作较繁琐，需分别计算外掺材料的使用量。因此，后续可以考虑将多种材料复合形成产品，便于后续更方便快捷地投入生产使用。

      （5）关于废料应用于透水混凝土仍需更深入的研究，以进一步提高透水混凝土的性能；同时，应发掘更多的材料种类，在提供优良性能的同时，创造更大的环境效益和社会效益。