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因为蜂窝状的地面可以有效地改变地表的热量平衡，自然打通地面上下的水分和热量的流通，在地面水分蒸发中，使地表温度降低3-4摄氏度。
同时可渗透路面好处较多:
首先城市可以蓄存大量的雨水，缓解城市日益突出的“热岛效应”，改善城市环境质量；
其次还可以减缓对下游江河湖泊的压力，也减少了城市受涝和洪涝灾害发生的频率[2]。
最重要的是它不会造成路面积水，使雨天行车产生“漂滑”、“吃溅”、“夜间眩光”等现象，从而保证行车的安全性。
由以上的分析可见，现在需要一种能满足路用性能，同时又能与自然环境协调共生，为人类构造舒适生活环境的路面铺装材料。
透水性混凝土是一种生态型环保混凝土，它是一种经过特殊工艺制成的具有连续空隙的混凝土[3]。
它既有一定的强度，又具有一定的透气透水性，可以很好的缓解不透水铺装对环境造成的影响。
与不透水的混凝土路面铺装材料相比，它的优点具体表现在以下几个方面[1,4]：
透水性铺装对于地下水资源保护的作用；
透水性地面在吸声降噪方面的作用；
透水性地面对于城市热环境的改善作用；
透水性地面铺装对于城市地表土壤生态环境的改善作用；
透水性铺装在水体净化及缓解地表径流方面的作用。
我国虽然在透水铺装上有所研究，比如透水沥青的研究取得了一定的成果，但对透水性混凝土的研究和应用还处在起步阶段，与国外相比还有很大的差距。
从研究的角度来看，开展透水性混凝土的研究有利于缩短我们与发达国家混凝土研究水平的差距，有利于拓宽我国混凝土的应用前景；
从环境保护的角度看，有利于改善城市的环境和维护生态平衡，符合世界发展的趋势。
由此可见，开展透水性混凝土材料的研究有重大的现实意义。
1.2 透水混凝土的基本概念
透水混凝土由于使用习惯不同而有多种名称，中文部分有无砂混凝土、多孔混凝土、多孔连续绿化混凝土、大孔混凝土等，英文部分有porousconcrete，perviousconcrete以及nofinesconcrete等。
透水性混凝土是一种生态型环保混凝土，它是一种经过特殊工艺制成的具有连续空隙的混凝土，它既有一定的强度，又具有一定的透气透水性。
透水馄凝土的特点是采用单粒极粗骨料作为骨架，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，形成骨架一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。
由于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，但同时强度比普通混凝土低。
另外，由于原料的特性，透水混凝土制品的表面都相当粗糙。
透水混凝土的强度主要是依靠包裹在骨料表面的硬化的水泥浆体将骨料粘结而形成，另外同时还存在着骨料之间的嵌挤、机械咬合的作用。
按实际使用情况，透水混凝土可分为两大类:
一是直接摊铺在路基上的透水混合料，经压实、养护等工艺构筑而成的透水混凝土路面；
二是由透水混凝土经特定工艺和模具成型的混凝土制品，然后再将它们铺装在透水路基上，称作透水性铺装。
1.3 国内外透水性混凝土研究现状
与国外蓬勃开展的透水性混凝土铺装材料的研究情况相比，国内对透水性混凝土铺装材料的研究明显不足，对高强高性能透水性混凝土的研究就更为欠缺，应用技术水平也较低。
这和我国作为一个混凝土应用大国的地位极为不相称。
这种情况也不适应世界环境保护，可持续发展的趋势。
20世纪90年代，国内对透水性混凝土开始进行研究，但是由于其抗压强度（不超过20MPa）较低，人们的认识、地基状况、施工方法等原因限制，透水性混凝土的应用范围受到影响。
经过各高校、科研机构以及透水混凝土生产厂家的大量研究，合理使用混凝土外加剂，采用高活性硅灰材料，调整骨料级配等方法，提高了透水混凝土强度。
近几年，在国内一些科研院所、大学开展了一些透水性混凝土的研究工作。
中国建筑材料科学研究院在原国家建筑材料工业局的资助下，与1993年开始进行《透水混凝土与透水性混凝土路面砖的研究》，1995年开始在试点工程中应用，得到用户好评。
1998年通过部级鉴定（建材鉴字[1998]第27号），专家委员会一致认为“透水性混凝土路面砖的技术性能达到国际先进水平”[5]。
目前已在北京、上海、山东、山西等地推广应用，受到市政工程设计与建设部门的青睐。
由此可见，透水性混凝土路面有望在北京奥运工程中大量应用。
本世纪初，我国相继开展透水混凝土的应用。
杭州市除运河治污工程外，从2005年开始在城市市政建设中大规模推广使用透水工程材料。
据不完全统计，至2007年杭州市铺设透水混凝土面积达30万m2。
北京市仅在奥运场馆建设中铺装透水工程材料达10多万m2。
在奥运公园水环境设计思路的讨论会上，一位专家提出，奥运公园最重要的设计之一，应是让地面具有很好的雨水回渗功能。
上海在新建改建公园中积极推广透水材料铺装，2010年举办的上海世博会工程、特奥会训练基地建设大量采用透水混凝土铺装。
建设部也在大力推广透水混凝土材料，这标志着城市建设逐步走出硬化的误区，向人们展示一种全新的，具有环境、生态、水资源保护功能的地面铺设。
中国建筑材料科学研究院水泥新材所的王武祥对透水混凝土砖作了较多的研究，取得了一定的成果。
他对透水砖的透水机理、种类、强度和透水性及经济效益进行了研究和分析。
其透水混凝土的抗压强度为5-20MPa，抗折强度为1-4
MPa，孔隙率5%-30%，透水系数为1.0-15.0mm/s[6]。
清华大学的杨静，蒋国梁采用小粒径骨料,矿物细掺料和有机增强剂等方法，提高透水混凝土道路材料的强度，研制出了力学性能符合国家建材行业标准要求，同时具有良好透水性的混凝土道路材料。
采用矿物细掺量，并配合使用高效减水剂，制得的路面砖抗压强度可以达到35MPa以上；
利用有机增强材料，使透水性混凝土材料的抗压强度达到40MPa以上[7]。
但是，国内对透水性混凝土的胶结材特性，集料级配及配合比设计方法和成型方法以及透水系数的测定还没有系统的研究和相关的文章，对透水性混凝土的生态环保效益的研究也是空白。
这些问题的解决对透水性混凝土材料的应用和推广是十分有利的。
由于透水混凝土路面材料具有以上诸多生态方面的优良特点，在人类寻求与自然协调、维护生态平衡和可持续发展的思想指导下，欧美、日本等一些发达国家开始研究开发透水性路面材料，并将其应用于广场、步行街、道路两侧和中央隔离带、公园内道路以及停车场等。
这就增加了城市的透水、透气空间，对调节城市微气候、保持生态平衡起到了良好的效果。
以日本、美国为代表的国家是世界上透水性混凝土路面材料研究与应用较为先进的国家和地区。
在这些国家，高强型透水性混凝土的研究与应用也走在世界前列。
在美国，透水性混凝土一般不含细骨料，称为无细集料混凝土。
美国的佛罗里达，新墨西哥和犹它州已将无细集料混凝土作路面面层材料用于停车区路段，大多数工程建在佛罗里达州。
无细集料混凝土在该州得以广泛应用有3个原因:
由于地理位置的原因，佛罗里达州容易出现由暴雨引起的骤发洪水，无细集料混凝土路面可以有效的缓解这种过大的径流量；
②州法规规定雨水需就地滞留并让其流回地下水系统中去；
③普通混凝土上铺无细集料混凝土表层后，可少设雨水沟渠和蓄水设施，从而可极大提高其成本效益[1]。
佛罗里达州推广的另一个无细集料混凝土项目称为“透水性混凝土”，它由单一粒径的粗集料、普通水泥和水制成，不需添加剂。
据一获批准生产该混凝土的公司介绍，这种混凝土拌和分两个阶段。
首先，在高速旋转的搅拌机中制备水泥浆，然后在普通故事搅拌机中将水泥浆和粗集料拌和，成品混凝土塌落度为零，用摊铺机摊铺后再碾压，并用聚丙烯薄膜覆盖进行湿养护。
到目前为止，在佛罗里达的西部和东部沿海地区共修建了53座无砂混凝土停车场。
由于对无细集料混凝土的大量的需求和这种路面结构的普及，该州在1991年专门成立个“普通水泥透水协会”的协会，这个协会可提供技术和材料销售服务[2]。
日本是个降雨量较多的国家，同时又是一个道路交通发达的国家。
汽车的刹车效果会因为雨水形成的水膜而减弱，容易引起交通事故。
另一方面，车辆在路面上行驶时产生的噪音是城市噪音污染的主要来源[8]。
为了解决这些问题，安全、快速、环保的行车路面的研究被提到议事日程上来。
在这种背景下，在近裴地方建设局对1987年近裴技术事务所为中心开发的排水性路面上进行了透水性路面的施工铺装。
施工时问是1993年6月，地点是日本和歌山B.P地区，并在施工通车后的3个月对路面的透水性，混和料的老化性，路面温度及噪音量进行了追踪调查和评价。
结果证明这种路面有利于雨水还原地下，降低路面温度和汽车产牛的噪音[9]。
而对由于粉尘和泥沙的堵塞，造成的透水路面透水功能的下降，日本采用的恢复透水能力的方法是:
采用压力为4-7Mpa的小型高压清洗机清洗路面，或采用高压清洗和真空吸附复合的方法恢复，这样可以使透水功能恢复到初期的80%[1]。
在法国已广泛开展用多孔混凝土作路边排水和硬路肩得试验，相比之下美国开展的还不够广泛。
为防止水泥路面卿泥的需要促使其在水泥板与路肩联接处铺设多孔贫混凝土基层，这种基层也可用来迅速排除路面结构中的水。
透水混凝土由5-20mm轧制碎石、少量砂（每立方米混凝土含100.4-301.75kg）、普通矿渣水泥或火山灰矿渣水泥及饮用水拌制而成。
为增加抗冻融能力，掺入引气剂。
其水灰比0.36-0.55之间。
多孔混凝土的摊铺由两台边摊铺机和一台滑模摊铺机完成，碾压设备需根据摊铺层厚度及合适的密实度要求选用。
在摊铺和碾压后，采用在表面罩一层乳液进行养护。
Missoux和Merrien两人用孔隙率为15%-30%的透水性混凝土做试验得出，其28天抗压强度一般在14Mpa以下，渗透率分别为每平方米每秒2.1和2.9立方米。
在法国60%的网球场是用透水性混凝土修建的。
另外，法国还将透水性混凝土大量用于网球场，其国内60%的网球场是用透水性混凝土修建的。
除此之外，透水性混凝土还用在护坡绿化地带，对河道两岸的生态环境创造良好的生态环境[10]。
透水性混凝土也是有缺陷的，如在英国，一些工程师利用无细集料混凝土的排水特性，采用整层摊铺的办法，在诺丁汉郡铺筑了一段长183毫米的复合式路面。
其结构为:
面层为50毫米厚无细集料混凝土；
面层下层为正常密度普通混凝土层，厚203毫米；
并用单层金属网加强；
基层由50毫米粒径的级配干燥石灰石组成，厚203毫米，其上还覆盖一层防水聚乙烯薄膜。
开始这段试验路段工作性能良好，然而10年后，试验路被认为是失败的。
某些因素（如冻融循环和水力抽吸，或这两者的结合）构成路面破坏的可能原因，加之该路段位于农村，大量农用机具的行走，使无细集料混凝土的孔隙率被尘土填塞，路面积水，最终导致表面松散剥落[11]。
2 透水混凝土对原材料的选择
2.1 水泥
研究混凝土的结构破坏特征可以发现，较低强度等级的水泥石与粗骨料界面的粘结强度往往是混凝土中最薄弱的环节[12]。
由于骨料的强度远高于混凝土的强度，因而结构的破坏常常是发生在骨料界面间的水泥石层中。
可见水泥的活性、品种、数量是决定混凝土强度的关键因素。
所以，透水混凝土要采用强度较高、混合材料掺量较少的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥标号最好在32.5级以上。
水泥浆的最佳用量以能在集料表面形成约0.5-1.0mm厚的均匀水泥浆膜为宜，并以采用最小水泥用量为原则。
本研究使用水泥为PO（42.5），性能检测如下：
根据GB/T1345-2005《水泥细度检测》，GB/T208-2014《水泥密度检测》检测可得所用水泥性能指标如表2-1所示。
表2-1 水泥性能指标
项目
密度
（kg/m3）
细度（负压筛法）
0.045mm筛孔（%）
0.08mm筛孔（%）
28d强度
（Mpa）
测定值
2.88×
103
31.2
3.4
44.1
2.2 粗集料
粗集料的性能对透水性混凝土性能起着至关重要的作用，因此对集料的颗粒直径、级配、颗粒形状及强度的要求是十分严格的。
粗集料的级配是控制透水性混凝土质量的一个重要指标。
若集料粒径过大，则堆积骨架中含有大量的空隙，当浆体使用量相同时，透水系数大，强度偏低；
反之，虽然强度较高，而透水性极差[19]。
考虑到试验条件的限制等各种因素，本论文主要研究所采用的粗骨料为碎石，其粒径有两种，分别为5-10mm、10-15mm。
检测性能结果如下：
根据GB/T14685-2011《建设用卵石、碎石》检测可得试验所用骨料性能指标如表2-2所示。
表2-2 粗集料性能指标
含水率
（%）
紧密堆积密度（kg/m3）
表观密度
（Kg/m3）
空隙率
压碎指标
10~15mm
5~10mm
0.20
1.68×
1.81×
2.65×
37
3.9
2.3 外加剂
本次研究主要采用PC型减水剂（减水率为46%，固含量为18%），主要检测其与水泥的适应性好坏。
检测结果如下：
根据标准JC/T1083-2008《水泥与减水剂相容性》检测，并将所得数据进行图表分析可得图2-1
图2-1 外加剂与水泥适应性
由图2-1分析：
①在测量过程中，没有把握好时间，导致会有误差。
②从图中可以看出，当时间越长，流动度会越来越不好,当时间达到一定值后，最后基本保持不变。
3 透水混凝土的配合比设计
3.1 配合比设计方法
与普通混凝土不同，透水混凝土配合比设计时，首先考虑的是孔隙率（填浆量）。
一般以骨料被浆体包裹，没有较多水泥浆流出为恰当，常见方法有质量法、体积法和比表面法。
以下为几种方法的优缺点，如表3-1。
表3-1 各种配合比设计的优缺点
配合比法
优点
缺点
质量法
简化配合比设计计算，易于现场拌合施工
填浆量大小没有可供依循的目标。
体积法
控制填浆体积，有助于目标孔隙率计算。
填浆量增大时，实测孔隙率与目标孔隙率落差增大。
比表面法
与传统混凝土骨料由浆体包裹的理论相符。
必须先计算各骨料比表面积，浆膜厚度需试验多次。
根据表3-1中所述透水混凝土的各种配合比设计优缺点及结合其结构特点，为了更好的与工程实际相结合，优化配合比方案，本研究采用了体积法[20]。
3.2 体积法设置配合比
根据透水混凝土所要求的孔隙率和透水的特性，则可以将体积法理解为:
集料在紧密堆积的情况下，被水泥等胶结材均匀的包裹粘结在一起，凝固后形成了多孔堆聚的结构，其剩余的空隙变成了混凝土内部连通的孔隙[13]。
透水混凝土配合比参数主要有强度，目标孔隙率、水灰比等。
透水性混凝土配合比参数有强度，目标孔隙率、水灰比。
透水性混凝土的强度受多种因素的影响，有原材料的性能（如水泥品种与标号、集料品种与级配、外加剂性能等）、水灰比、孔隙率、成型方法和养护条件等方面的影响。
在实际应用中，根据透水性混凝土用途的不同对强度有不同的要求。
本次研究主要针对C10的透水混凝土（主用于路面）。
由于本次研究的透水混凝土主要用于路面，考虑到强度和透水性的前提下，孔隙率为15%-20%为宜。
由于考虑到试验的限制和时间的有限,本次研究的透水混凝土的目标孔隙率主要定为15%[18]。
透水性混凝土的水灰比决定着浆体流动性。
当水灰比大则浆体流动性大，被包裹的集料表面光滑，但浆体易滴淌，聚积在试件的底部，不利于连通孔隙的形成，从而会降低混凝土的透水性。
当水灰比太小，水泥浆则过稠，水泥浆较难均匀地包裹在粗骨料颗粒表面，不利于强度的提高。
合适的水灰比能使得混凝土拌和物有金属光泽，而不会积聚在集料下面[14]。
由于本次研究的透水混凝土主要用于路面，通过查阅资料可知透水混凝土的最佳水灰比范围为0.20-0.45。
考虑到混凝土的强度和透水性，可以通过试拌成型后检测其性能以此来确定本次研究的透水混凝土的最佳水灰比。
（1）配合比计算
由于己知石子的紧密堆积密度为1.68×
103kg/m3,石子的紧密空隙率为V=37%，取透水混凝土的目标孔隙率P=15%，则有:
1m3混凝土中石子的质量为Mg=1680kg
V水泥+水=V一P=37%-15%=22%
由此可知1m3混凝土中水泥浆的体积为220ml
由于水泥密度为2.88×
103kg/m3,最佳水灰比范围为0.20-0.45，则有：
由以上①和
两公式可得配合比，如表3-2。
表3-2 配合比
W/C
Mc（kg）
Mw（kg）
Mg（kg）
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
402
368
340
316
294
276
80
92
102
111
118
124
1680
（2）试拌与调整及最佳水灰比的确定
根据表3-2的配合比进行混凝土的试拌，发现W/C=0.35左右时状态最好（拌和物粘结，且有金属光泽）[15]，几种状态见表3-3。
表3-3 水灰比的拌合状态
拌合物状态
分散
粘为整体，有部分分散
粘聚性较好
粘聚性好，浆体较多
根据试拌后的混凝土各状态可知，水灰比为W/C=0.35左右时，拌合物的粘聚性较好且浆体能够均匀的布满在粗集料表面。
所以以W/C=0.35出发，再次试拌混凝土，并对该水灰比进行微调，从而确定最佳水灰比。
由微调结果可知，水灰比为W/C=0.34时，此时的混凝土状态为最佳状态，所以该透水混凝土的最佳配合比为：
Mc=294kgMw=99.2kgMg=1680kg
4 透水混凝土基本性能检测
4.1 不同水灰比对透水混凝土的影响
根据最佳水灰比，进行跳桌试验，以此数据为标准将其他水灰比通过加入减水剂方式调整至最佳状态[16]。
如下表4-1为调整结果：
表4-1 各水灰比材料用量及流动度值
材料用量（g）
减水剂用量（g）
流动度值（mm）
0.34
Mc=500，Mw=170
134
Mc=500，Mw=150
1.0
400
0.3
127
0.5
Mc=500，Mw=125
108
1.2
120
1.3
Mc=500，Mw=100
2.5
137
2.4
对于标准水灰比W/C=0.34而言，由表4-1可知W/C=0.30时，减水剂用量为0.5g，其浆体流动度值可达到与标准水灰比的浆体流动度值相同，所以可知此水灰比下的减水剂最佳掺量为0.1%。
以此类推，可知水灰比为W/C=0.25时的减水剂最佳掺量为0.26%；
水灰比为W/C=0.20时的减水剂最佳掺量为0.48%。
由表4-1检测结果可知，不同水灰比的配合比，如表4-2。
表4-2 配合比
w/c
Mad（kg）
99.2
1.93
0.96
普通混凝土成型采用振动成型，其目的是使混凝土尽可能密实，以增加强度和提高耐久性。
而透水性混凝土因其特殊内部构造导致其成型工艺与普通混凝土方法有所不同，经过研究和查阅文献对比，本次研究采用压制成型工艺[17]。
a水灰比为0.20
b水灰比为0.25
c水灰比为0.30
d水灰比为0.34
图
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