透水混凝土路面的长期表现研究

施卫平，屠浩驰，李 辉，冯 蕾，阮 华

（1.宁波和邦检测研究有限公司，浙江宁波315040；2.宁波荣山新型材料有限公司，浙江 宁波315040；3.宁波工程学院，浙江 宁波315040）

透水性铺装与硬质化路面不同，可以降低市区内涝灾害发生的风险，降低城市噪音污染，增大使用舒适性，在 “海绵城市” 建设和改造过程中占据着重要地位［1］。透水混凝土是透水性铺装中最为常见的一种生态型环保材料，是由骨料、水泥、改性剂和水拌制而成的一种多孔轻质混凝土，它不含细骨料，是由粗骨料表面包覆一层薄水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构的混凝土［2］。透水混凝土具有较好的透水性，下雨时能较快消除道路、广场的积水，集中降雨时能减轻城市排水设施的负担。可是，因为透水混凝土本身存在大量的孔隙，导致强度比硬质化路面低，所以主要用于人行道、自行车道、社区内地面、园林景观道路及城市广场等区域路面的铺装。

透水混凝土在铺装养护完成、投入使用后，会因为多种因素导致路面状态恶化：环境作用、材料本身的性能变化、不恰当的铺装工艺、不合理的养护方法等等［3］。国内外对于透水混凝土的研究主要集中于透水混凝土配合比、强度、抗冻性等方面［4-6］，针对在不同的场合用途和环境作用下透水混凝土的长期表现的研究成果很少。本文通过几段透水混凝土路面投入实地试验两年前后的性能对比，研究透水混凝土在气候和路面荷载作用下的长期表现。

1 试验

1.1 透水混凝土路面设计

试验不考虑整个透水铺装路面的构造，仅针对透水混凝土路面面层，所以直接铺装在平整的水泥混凝土地面上。试验透水混凝土路面级别为C20，厚度定为100 mm，设计了三种不同组成：1）素透水混凝土路面；2）红色透水混凝土路面，在素透水混凝土路面制备过程中加入铁红；3）彩色透水混凝土路面，在素透水混凝土表层喷涂3～5 mm厚的彩色保护层。

1.2 透水混凝土原材料组成

试验中，素透水混凝土的原料组成的质量配比为：水泥∶集料∶增强剂∶减水剂 ＝9∶36∶1∶0.06，水灰比0.22。水泥是强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，集料是粒径4.5～9 mm的单级配石子，增强剂是以合金厂副产物硅灰为主的粉末添加剂，减水剂是聚羧酸系高效减水剂。红色透水混凝土所用着色剂是无机铁红，加入量为水泥质量的0.3%。彩色保护层采用单组分聚氨酯掺加有机颜料混合而成。

1.3 透水混凝土铺装施工

试验透水混凝土路段铺装施工时期在6月中旬，温度26℃，湿度75%。将物料投入到立轴强制式搅拌机中进行混合搅拌，先在集料中加30%的水搅拌1 min，然后加入水泥、增强剂和减水剂以及剩余70%水，彩色透水混凝土另加入着色剂，搅拌3 min。搅拌好的物料装载运至现场的模框中，均匀摊铺拌合物，松铺系数1.1，然后对虚铺的透水混凝土使用平整压实机振实，使其达到设计标高，最后采用磨光机收面。盖覆塑料薄膜进行养护，每天浇两次水，养护7 d后撤去表膜，喷涂聚氨酯，养护至28 d。养护期间透水混凝土路段交通封闭。

1.4 外部环境影响

试验透水混凝土路段所在当地为植物茂盛的山区，气候为亚热带季风性湿润气候，夏天高温多雨，地表最高温度超过50℃，冬季干燥寒冷，地表最低温度低于－5℃。因为试验路段集中在同一区域，并且面积不大，可以认定为所有试验路段受到同样的自然环境影响。试验路段按路面组成和路面荷载施加方式分为5块，具体见表1。行驶车辆为自重1.62 t的 SUV，行驶频率为4～6次／d，静停时间10 h／d。试验时间从 2017年 6月至 2019年 11月底，共29个月。

表1 试验透水混凝土路段分类

1.5 测试方法

透水混凝土路段的初始数据采用同条件试块，长期表现的试样采用钻芯取样，为直径90 mm的圆柱体样块。连续孔隙率、透水系数和抗压强度的测试方法按照行业标准《透水混凝土路面技术规程（CJJ／T 135—2009）》的规定进行。

2 结果与讨论

2.1 透水混凝土路面的毁坏的定性观察

29个月的时间里，透水混凝土路面在高温暴晒、紫外线、低温冰冻、台风、生物破坏等环境作用和周期性低频率的动态荷载与长期静态荷载的作用后，呈现了不同程度的失效和毁坏，直接可见的主要表现形式是裂缝、骨料剥离和堵塞。

从5个透水混凝土路段表面来看，路面的裂缝并不明显，未出现肉眼可见的大裂缝，这说明原材料组成配比和摊铺施工工艺合理，保证了透水混凝土路面的耐久性，在外部环境和荷载长时间作用下依然具有可靠的整体强度。因为透水混凝土路面的骨料与骨料之间点接触较多，5个路段都出现了不同程度的骨料剥离现象。S3路段最为严重，路面约有5%左右的面积出现骨料脱落、坑洞，S4路段最完善，仅有5处超过10 cm2的坑洞。试验路段的堵塞原因主要来自于植被，落叶、干果实和细小种子会集聚在路面孔隙中，还有一小部分堵塞物来源于行人和车辆带来的泥土细砂颗粒。从总体上看，S4和S5路段的堵塞状况要好于其他路段。

2.2 透水混凝土路面连续孔隙率变化对比

经过29个月后，不同试验路段透水混凝土路面的连续孔隙率的变化图1。从图中很明显可以看到，相较于S0试样15%的初始连续孔隙率，S3和S5路段的连续孔隙率降低幅度非常大，分别下降了40%和33%，S4路段与初始的数值齐平，S1和S2路段略微出现下降。S1、S2、S4和S3、S5对比，连续孔隙率变化差距比较明显，这就表明，相比于自然环境作用，路面载荷是透水混凝土路面的连续孔隙率出现变化的关键因素。骨料和骨料之间接触的胶结层薄弱点遭到结构性破坏，这种结构性破坏又容易发生在大孔径周围，所以孔隙被压缩、截断。

S1、S2与S4数据之间的对比，S3和S5数据之间的对比，同时说明同样的外部环境作用下，表面喷涂聚氨酯的透水混凝土表现会更好一些。因为喷过聚氨酯保护层后，透水混凝土表面更为耐磨，聚合物保护层表面和水泥水化后表面的界面张力和带电性质也有很大的不同。成型固化后的聚氨酯界面会对小粒径的沙尘和植物种子有排斥力，阻碍其进入透水混凝土孔隙中。

图1 不同试验路段透水混凝土路面连续孔隙率的变化

2.3 透水混凝土路面透水系数对比

透水混凝土路面的透水系数主要受到连通孔隙比例的影响，连通孔隙率越高，水的通过性越大，透水系数也越高。不同透水混凝土路面试验路段经过29个月后的透水系数变化见图2。相较于S0试样初始的1.4 mm／s的透水系数，S3路段下降最为严重，只有原透水系数的54%，S5路段下降了24%，其他路段下降了20%左右。可见，有低密度车辆行走的S3和S5路段的透水系数降低幅度要大于只有人行走的S1、S2和S4路段。而表面喷涂过聚氨酯的S4和S5路段，与素透水混凝土S2号 S3路段相比，并未出现透水系数变化的一致性，也就说明表面喷涂聚氨酯保护层在透水系数的长期表现方面并未有作用。

图2 不同试验路段透水混凝土路面透水系数的变化

此外，5个不同试验路段透水系数的整体变化幅度明显要大于连续孔隙率的变化幅度，这个结果的不一致性，说明在外部环境作用下，透水混凝土路面有部分连通孔隙的一端被堵塞封闭，变为半连通孔隙，水流动到这种半连通孔隙时，运动就相对停滞，就降低水的通过性，导致透水系数降低。可是，这种半连通孔隙对流动水的缓存作用，对透水混凝土调节热岛效应，减少路面积水等功能上又能起到很大的作用［7］。

2.4 透水混凝土路面抗压强度对比

力学指标是透水混凝土路面的核心指标之一，由于抗压强度和抗折强度呈线性关系，所以可以用抗压强度来方便地来表征透水混凝土路面的力学强度。因此抗压强度的等级决定了透水混凝土路面的应用场合。抗压强度维持的持续时间也决定了透水混凝土路面的维护修补和重新铺装的频率。

图3显示了不同透水混凝土路面试验路段在经过29个月后的抗压强度变化。很明显，所有试验路段的抗压强度相比于初始22.2 MPa的S0试样都出现了不同程度的下降，降低幅度最大是S3路段，下降了41%，次之是同样有车辆行驶的S5路段，下降了36%；其他只有人行的试验路段抗压强度也损失了15%以上。这说明，自然环境长期作用对透水混凝土路面结构是具有破坏作用，而路面荷载是透水混凝土路面抗压强度损失的主要原因。在车辆通过时透水混凝土路面各部分会存在比较强烈的应力应变正负交互作用，表现为既有拉应变又有压应变，既有拉应力又有压应力［8］。这种拉压交互作用使得路面结构容易沿层间接触部位发生挤推、破裂和滑移，加剧路面结构的破坏。

S5和S3，S4和S2两组数据对比结果显示，喷涂了聚氨酯保护层对降低透水混凝土路面的强度损失也有效果。

抗压试验过程中，S1至S5试样的破坏都是从底部开始的，这是因为在透水路面有动载荷时，路面底部是最大受压点［9］，所以长此以往也是底部的结构先被破坏。

透水混凝土路面的连续孔隙率变化和抗压强度变化中，都能发现在表面喷涂一层聚氨酯保护层后，路面的表现都会比不喷涂保护层好些。一方面，聚氨酯层能够阻拦盐离子的渗透，提高透水混凝土对自然环境作用的耐久性［10］。另一方面，聚氨酯保护层的作用类似于在水泥制品中添加有机聚合物改性剂的作用，它能包裹住透水混凝土表面的颗粒和硬化水泥浆体，增强两者界面过渡区的强度［11］；又使整个路面表层平面形成一个连续微弹性整体，增强抵抗路面动荷载带来的变形的能力。这为透水混凝

图3 不同试验路段透水混凝土路面抗压强度的变化

土路面在实际工程应用中提供了增强耐久性的技术方案。此外，在聚氨酯保护层加入各种颜料又能避免透水混凝土单调的水泥灰，为工程提供丰富多彩的颜色。

3 结 语

1）不同组成和路面载荷的透水混凝土路面在29个月后会出现不同程度的坑洞和堵塞，性能上表现为连续孔隙率降低，透水系数减小和抗压强度出现下降。

2）在试验区域内，自然环境对透水混凝土路面的作用有限，路面载荷是影响透水混凝土路面性能的关键因素。车辆行驶的路面连续孔隙率、透水系数和抗压强度的表现都比只有人行走的路面差。表现最差的路面，连续孔隙率下降了40%，透水系数下降了46%，抗压强度下降了41%。

3）在透水混凝土表面喷涂聚氨酯层是一种保持透水混凝土路面的性能，增强水泥基透水混凝土长期耐久性的技术方法。