1前言
随着人们对环保认识的提高、城市建设的快速发展和施工技术的进步，对透水混凝土的使用范围、技术指标和经济指标都提出了新的要求，促使透水混凝土向着高强和耐久等方向发展。现在使用的透水混凝土砖，透水性基本满足使用要求，但是强度一般都比较低，大致在5—15MPa之间。随着高层建筑的增加，公共安全问题显得越来越突出，在发生火灾或其他意外时，现有的透水混凝土砖地面无法达到载重消防车辆的通行和停放要求。而沥青硬地面虽然能够满足载重消防车辆的通行和停放要求，但是无法实现透水功能。透水混凝土砖一方面具有良好的透水性能，雨天不积水，表面不打滑，确保了游客的安全，改善了树木生长的环境；但较低的强度限制了它的推广应用。
在技术层面上，国内外透水混凝土的配制技术一直采用无砂大孔混凝土的设计思路，在混凝土配制过程中增大透水系数时混凝土强度不能满足设计要求，提高胶凝材料的用量时混凝土强度提高但透水系数又不能满足设计要求，这一矛盾一直困扰着混凝土生产企业和混凝土技术人员。本研究以克服无砂大孔透水混凝土缺陷作为研究的技术基础，在保证混凝土透水顺畅的条件下，主要解决如何提高透水混凝土的强度问题。
2混凝土透水系数的确定
2.1确定透水系数的气象依据
为了科学地将特大暴雨记录降水量、降水速度与混凝土的孔隙率、透水速度之间建立量化关系，实现透水混凝土透水功能与气象条件的协调统一，我们首先要确定透水混凝土合理的透水系数指标范围。
我国气象上规定，降雨分为小雨、中雨、大雨、暴雨。24小时降水量200毫米以上称“特大暴雨”。为预防暴雨引起的破坏，设定了暴雨预警信号，暴雨预警信号分四级，分别以蓝色、黄色、橙色、红色表示。在世界上最大的暴雨出现在南印度洋上的留尼汪岛，24小时降水量为1870毫米。我国最大暴雨出现在台湾省新寮，24小时降水量为1672毫米。这些气象规定和暴雨降雨纪录是我们确定透水混凝土合理的透水系数的依据。
2.2透水系数的确定
配制高强度绿色环保透水混凝土的目的就是在雨天快速将雨水排出，防止地面积水，国内透水混凝土的单位很多，但是没有一个单位直接将混凝土的透水性与降雨量之间建立联系，结合我国各地的雨情，参考我国最大暴雨降水量记录1672 mm，世界最大的暴雨降水量记录1870 mm。我们初步确定透水混凝土在暴雨红色预警信号时雨水能通过透水混凝土开口孔隙顺利排出，达到最大暴雨降水量时仍不积水为设计计算的技术依据。假定取我国最大暴雨降水量记录1672 mm降水在半小时到一小时内完成，则降水速度为0.46—0.93mm/s；假定取世界最大的暴雨记录降水量1870 mm在半小时到一小时内完成，则降水速度为0.52—1.04mm/s。从透水混凝土截面看，只有开口孔隙部分透水，因此混凝土开口孔内雨水的最大流动速度由降水速度除以孔隙率求得，单位为mm/s，开口孔隙率不同的混凝土合理的透水速度也不同，具体计算数据如表1所示。这样一方面可以保证大暴雨时雨水在混凝土内部能够顺利通过，另一方面可以保证有路面污物堵塞部分开口孔隙时透水混凝土仍然能够正常工作。
表1 降水速度、混凝土开口孔隙率、混凝土内水分流动速度计算表
降水速度（mm/s）
空隙率 % 0.46 0.52 0.93 1.04
15 3.1 3.5 6.2 6.9
18 2.6 2.9 5.2 5.8
21 2.2 2.5 4.4 5.0
24 1.9 2.2 3.9 4.3
27 1.7 1.9 3.4 3.9
30 1.5 1.7 3.1 3.5
33 1.4 1.6 2.8 3.2
36 1.3 1.4 2.6 2.9
 
由上表可知，透水混凝土开口孔隙率在15%--36%之间时，满足特大暴雨顺利通过的混凝土内最大水流动速度介于1.3mm/s—6.9mm/s之间。我们定义单位面积上水流过混凝土的速度为透水系数，单位取mm/s。也就是说，当混凝土的强度满足地面交通承载能力时，只要透水混凝土实际的透水系数大于上表对应数据，均能满足特大暴雨时路面不积水的要求。这样我们就科学地在特大暴雨记录降水量、降水速度与混凝土的孔隙率、透水速度之间建立了量化关系，实现了透水混凝土透水功能与气象条件的协调统一，确定了透水混凝土合理的透水系数指标范围。
3定量预留贯通开口孔隙设计法
3.1设计的理论基础
透水混凝土作为一种承压材料，其强度的形成大体可分为两部分：一部分是由粗集料形成的骨架提供，因为石子的强度大于混凝土的设计强度，因此透水混凝土在工作状态时集料都具有足够的强度；另一部分来源于硬化浆体和粗集料之间的界面粘结，粘结强度主要来源于水泥水化形成的C-S-H凝胶，活性较高的掺合料水化形成的凝胶，填充于孔隙中的超细矿物掺合料等组成。当透水性混凝土受到外力作用时，主要通过粗集料之间的胶结点传力，由于浆体胶结层很薄，浆体和粗集料界面之间的胶结面积很小，混凝土破坏时主要是集料颗粒之间的传力浆体破坏，从而使混凝土散裂，失去强度，所以我们在配合比设计时重点考虑粗集料之间的粘结面积、胶凝材料的水化强度和界面粘结强度。
根据以上理论，我们认为透水混凝土的强度与水泥强度、胶凝材料用量、用水量和凝胶孔之间满足以下规律：
f =σ×（0.23 C/W-0.27)
f---混凝土设计强度值
σ---水泥理论强度值，由水泥实测强度求得σ=R28/0.19
C ---单方混凝土水泥用量
W---混凝土单方用水量
0.27---水泥浆体凝胶孔孔隙率
3.2定量预留贯通开口孔隙配合比设计思路
无砂大孔透水混凝土用于粘结粗集料的只有水泥浆，粘结面积很小，因此强度较低。当水泥浆体的量增加时，浆体较稀，在成型时由于振动和自重的作用流到粗集料的下侧，使混凝土的下侧空隙被浆体堵塞，虽然强度增加但是由于形成底部封闭的杯形开口孔隙使透水系数下降，使强度与透水系数之间存在矛盾。
为克服以上矛盾，我们提出定量预留贯通开口孔隙设计法进行透水混凝土的配合比设计，设计思路：先用一个十升的筒测出饱和面干状态时单粒级石子的容重和空隙率。在配制透水混凝土时，可以认为混凝土体积与粗集料自然堆积体积相同，石子的堆积密度数据就是配制1m3透水混凝土所用的粗集料重量用量。空隙部分被区分成两部分，一部分由水泥混合砂浆填充，一部分作为开口孔隙用来透水，胶凝材料和其它组分的所占的体积由石子空隙减去预留贯通开口孔隙之差求得。
本研究提出在透水混凝土配合比设计时，首先测出石子的空隙率，根据透水要求定量预留满足混凝土透水所需要的贯通开口空隙。其次根据强度要求准确计算水泥、掺合料、外加剂和水的用量，最后根据预留孔隙的大小用粗集料空隙率对应的体积数减去水泥、掺合料、外加剂、水所占空隙体积和预留开口孔隙体积值，其差值即细集料体积准确数值。利用这种体积组成模型进行透水混凝土配合比设计的方法叫做定量预留贯通开口孔隙设计法。在透水混凝土生产时采用二次投料工艺将各种原材料拌制成水泥混合砂浆，使粗集料颗粒表面由一层粘度较大的水泥混合砂浆包裹(约5--10mm)；成型时将内核含粗集料的颗粒碾压互相粘结起来，形成贯通开口孔隙，在胶凝材料用量相同的情况下，既保证了透水贯通开口孔隙又扩大了粗集料之间的有效粘结面积，增加了混凝土的强度。
3.3透水混凝土配合比设计
3.3.1配制强度的确定
按现行规范
fcu.p=fcu.o+1.645σ确定
3.3.2石子用量的确定
根据透水混凝土所选用的粗集料，在以上研究的基础上，我们测出石子的堆积密度，即得到每方透水混凝土粗集料用量数值。
3.3.3胶凝材料用量的确定
依据多组分混凝土理论公式：
f =σ×（0.23 C/W-0.27)
当设计强度、工作性、水泥、耐久性指标确定后，将各参数代入上式，以求得水泥用量C，为降低水泥水化热，采用掺合料等活性等填充替换建立联立方程，计算求得水泥与掺合料的准确用量，实现了掺合料品种和用量的合理选择，使水泥与掺合料的掺量达到最佳。
等填充替换C0 = u1C+u2F+u3K
等活性替换C0 = α1C+α2F+α3K
最小用量条件C+F+K ≥ 300
最多用量条件C+F+K ≤ 600
3.3.4外加剂用量的确定
外加剂：按厂家推荐掺量确定
胶粉：推荐掺量为胶凝材料0.5—3.0％
3.3.5用水量的确定
用水量 W= 0.23C×β×(1-n）
C-----单方混凝土胶凝材料用量
β----掺合了的需水量系数
n-----外加剂的减水率
由于砂石吸水率的变化，计算用水量在实际生产中要经常调整，而用水量直接水泥混合砂浆均匀包裹住粗集料颗粒为准。
3.3.6砂子用量的确定
采用定量预留贯通开口设计法配制的透水混凝土最大的特点就是在混凝土配制时加入适量的砂子，假定预留开口孔隙为x%，则砂子的体积用量Vs为石子空隙率对应的体积减去每立方混凝土中胶凝材料、外加剂和水分所占体积以及x%预留孔隙的体积数。
4定量预留贯通开口孔隙透水混凝土的施工
4.1搅拌工艺
为了使我们设计的定量预留贯通开口孔隙透水混凝土能够顺利施工，在生产时采用水泥砂浆裹石工艺，具体过程：将粗集料、细集料、水泥、掺合料、外加剂、胶粉加入搅拌机，干拌30秒，然后加入拌和水，搅拌180秒，使预拌的干硬性混凝土拌和物在粗集料表面包裹一薄层（5—10mm）水泥混合砂浆。由于混凝土拌合物含适量细集料和胶粉，这样制得的混凝土拌和物表面的水泥砂浆层厚度及粘结强度均明显提高。预防了无砂大孔透水混凝土由于水泥浆体太薄粘结面积太小影响混凝土强度的不足，同时胶粉的掺加大大提高了水泥混合砂浆的粘结力，有效提高了混凝土的强度。
4.2贯通开口孔碾压成型
为预防由于振捣引起石子表面水泥混合砂浆包裹层的脱落，采用碾压成型工艺保证贯通开口孔隙的顺利形成。预拌的混凝土拌合物由自卸车运输到施工现场后采用机械摊铺，碾压成型后相互粘结而形成开口孔隙均匀分布的蜂窝状结构，保证混凝土透水顺畅，实现粘结强度高且透水系数大。这种工艺能明显提高混凝土的强度，其主要原因就是由于石子表面较厚的水泥砂浆包裹层经过碾压成型后，使粗集料接触面之间的双凹粘结面由双尖角变为双元弧，根据格里菲斯理论，混凝土粘结界面为圆角时受力接触面抵抗破坏的能力远远大于受力接触面为尖角的材料，使透水混凝土的强度大大提高。另一方面，由于胶粉的掺加和粗集料接触面之间的圆弧形双凹粘结面的形成，使水泥混合砂浆更加牢固地粘结在石子表面，减少了浆体的下沉，使透水混凝土贯通开口孔隙顺利地形成，预防了无砂大孔透水混凝土由于浆体下沉堵塞底部影响透水的不足。
5工程应用
在以上研究的基础上，我们在2007年3月26日配制了透水混凝土试件，送中国建筑科学研究院建材所进行检测，混凝土试件的透水速度达76mm/s,抗压强度达29 MPa、30MPa，孔隙率为25%、28%，抗冻融循环50次，克服了无砂大孔透水混凝土强度不高、耐久性差的缺陷，达到研究设定的的目标。
经过试验室试配，中国建筑科学研究院检测验证后，我们配制了透水混凝土进行了小面积工程试验，混凝土强度在28天检测时达到C25，经过几次降雨证明，雨水能迅速渗入地下，保持了土壤的湿度。该试验路面没有积水，夜间不反光，增加了路面的安全性和通行舒适性。使用后可以起到调节空间温度和湿度，改善城市热循环，缓解热岛效应的目的。绿色环保透水混凝土的大孔隙率能降低车辆行驶时的路面噪音，创造舒适的交通环境。大量吸附城市污染物，减少扬尘污染。并且易于维护，空隙不会破损、不易堵塞。可以根据需要设计图案，充分与周围环境相结合，小面积工程试验非常成功。在小面积试验成功后，我们在2007年6月至2008年7月期间进行了奥林匹克森林公园南园、北园门区工程施工，现在工程已经竣工，经过了监理、业主、检监测部门的检测和验收，通过2008年奥运会及近一年的使用，效果良好，得到了各界人士的好评。
6、结论
2009年6月28日，由北京市住房和城乡建设委员会主持召开《高强透水混凝土的研究与应用》成果鉴定会，以中国工程院唐明述院士为主任的鉴定会专家组在听取了课题组报告，经质询、讨论，形成如下鉴定意见：本项目系统研究了透水混凝土的设计参数、配比设计方法、透水混凝土几何模型和体积组成、强度提高的技术机理及实施措施，配制的C25透水混凝土已成功应用于奥林匹克国家森林公园停车场和地面工程施工，为该类工程中的大量推广应用创造了条件。
（1）透水参数的确定，科学地将降水量记录、降水速度与混凝土的孔隙率、透水速度之间建立了量化关系，实现了透水混凝土透水功能与降水量的协调统一。
（2） 通过合理的体积组成模型，科学地解释了无砂大孔透水混凝土强度与透水系数之间的矛盾产生的内在原因。
（3）提出定量预留贯通开口孔隙设计方法，建立了混凝土透水系数和贯通开口孔隙之间的量化关系，在配合比设计中实现了降雨速度和透水速度的协调统一，确保了混凝土透水指标的实现。
（4）在胶凝材料用量不变的条件下，提出通过掺加适量细集料和胶粉后，可以扩大石子之间的粘结面积和粘结力，提高了透水混凝土的强度。
（5）采用水泥砂浆裹石及碾压工艺实现预留贯通开口孔隙成型工艺，形成了成套的技术规程。
本项目的研究成功，为绿色环保路面创造了有利条件，具有明显的社会效益及环境效益，其成果达到国际先进水平。