郭振东，李 峰，高庆力，王耀强

(1.中交路桥建设有限公司，北京 100027；2.中交瑞通建筑工程有限公司，北京 101102；3.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870)

随着我国经济的快速发展和城镇化建设的加快，城市建设用地扩张带来的城市内涝和热岛效应日益加剧，环境污染问题已经引起了政府部门的高度关注。“海绵城市”的概念也因此提出。透水混凝土作为“海绵城市”建设中的关键建筑材料，具有减轻城市径流、改善生态环境等作用，因此成为“海绵城市”建设的重点推广内容。传统混凝土路面基本不透水，导致地下水得不到补充，同时也造成地表径流量过大，近些年的城市内涝情况明显增多。透水混凝土路面具有较高的透水性能，有效的减少了城市内涝[1]。透水混凝土的内部多孔隙结构具有一定的储热能力，对于缓解城市热岛效应有着显著的作用[2]。随着绿色建筑理念的逐步推广，透水混凝土作为传统路面的最佳替代材料之一，受到了众多国内外学者的广泛关注[3]。

目前，对透水混凝土添加外掺材料的研究较多，主要集中在研究矿物掺料、纤维掺料、聚合物类掺料等[4]。不同外掺材料对透水混凝土的各项性影响较大，考虑到不同场所应用需求及经济效益和环境问题等因素，在透水混凝土中外掺不同材料可以满足这些要求。鉴于此，该文主要概述了矿物掺合料改性透水混凝土性能的研究成果，总结了矿物掺合料的作用效果和影响规律，为工程应用矿物掺合料提供理论支持。

1 透水混凝土

透水混凝土(Permeable concrete)是由粗骨料表面包裹的浆体粘结而成的多孔轻质混凝土，可以看作是一种特殊的“骨架-空隙”结构[5]，其孔隙率是透水混凝土的重要指标参数。透水混凝土一般采用单一级配或者间断级配制备而成，不含细骨料或者含有较少细骨料。透水混凝土的这种特殊内部结构类似于蜂窝，蜂窝孔隙使其具有了透水、透气、吸声和吸热等性能[6]。其内部大量的孔隙结构使其具有较高的透水特性，但也造成了其强度相比普通混凝土较低，目前透水混凝土多用做道路铺装(轻荷载路面为主)。

透水混凝土在美国和日本等一些发达国家已经形成了商业化的发展和应用。在全球环境问题日趋严重的情况下，透水混凝土的应用研究也受到越来越多国家的重视。随着国内绿色建筑理念的推广，有关透水混凝土的试验研究已经较为丰富[7]。目前研究影响透水混凝土性能方面的因素主要有骨料种类和级配、水胶比、外掺材料、成型方式和养护方式等[8]。透水混凝土特殊的内部结构形式，在荷载作用下更容易破坏，针对透水混凝土的这种劣势，众多学者和科研人员作了大量分析试验，以制备具有高力学性能的透水混凝土。在透水混凝土中添加矿物掺合料能够有效改善其各项性能，同时采用矿物掺合料这种改性方法具有较高的应用价值，在实际工程中易于操作完成，是当前研究的热门方向。

2 矿物掺合料对透水混凝土性能的影响

矿物掺合料是一种辅助胶凝材料，在透水混凝土的制备过程中添加部分天然或人工的矿物掺合料，能够有效提高透水混凝土的各项性能[9]，同时节省水泥用量，获得较高的经济效益和环境效益。

2.1 单掺粉煤灰

作为一种传统的矿物掺合料，在透水混凝土中添加粉煤灰是十分普遍的。粉煤灰的特性导致其对透水混凝土的早期强度增长效果一般甚至具有不利影响，而对后期强度的增长具有积极作用。这是因为粉煤灰具有的火山灰效应能够降低胶凝材料早期的放热速率和放热量[10]，在养护初期，水泥水化反应产生的Ca(OH)2并不多，未能完全与粉煤灰中的SiO2和Al2O3等活性物质产生反应，随着养护龄期的增长水化反应产生的Ca(OH)2逐渐增多，粉煤灰与水泥的二次水化反应完全，进而提高了透水混凝土结构的密实度。

刘肖凡等[11]通过研究发现对于骨料粒径为5～10 mm的透水混凝土，当粉煤灰掺量为20%时，其60 d抗压强度相比28 d抗压强度提高了10.7%，粉煤灰掺量为0时其60 d抗压强度相比28 d抗压强度提高了2.1%；吴堃[12]和张炯[13]的试验表明掺入10%的粉煤灰透水混凝土，在经过100～300次冻融循环后其质量损失率和相对动弹模量损失最小；Ramkrishnan[14]研究了添加10%、15%和20%掺量的粉煤灰试验，发现透水混凝土的28 d强度相比基准组的28 d强度均降低且降幅较大，粉煤灰掺量为10%的试件抗压强度下降了45%，三组不同掺量的粉煤灰试验组在2%硫酸盐溶液中浸泡14 d后，其抗压强度损失率分别为9.1%、13.4%和13.9%，而空白组在相同条件下的抗压强度损失率为46%；Vieira[15]的研究发现掺入10%的粉煤灰时透水混凝土28 d抗压强度下降了25%，抗折强度则提高了32.9%，透水系数下降37.5%。

2.2 单掺硅灰

在透水混凝土的试验中，硅灰一般都是按内掺法添加，即用部分硅灰替代水泥掺量。同时对于掺硅灰的透水混凝土，其水胶比一般应控制在0.30～0.35之间，且需要配合减水剂使用[16]。

蒋勇[17]的研究发现随着硅灰掺量的增加，透水混凝土的抗压强度均是先提高后降低，透水系数随着硅灰掺量的增加会逐渐降低；Adil[18]研究了在给定混合物配比和掺合物的剂量下，当硅灰掺量在5.5%时可以达到最佳工作性能,透水混凝土的强度和耐久性能最优；许多学者研究了掺入硅灰的透水混凝土试验，发现硅灰的掺入对于提高透水混凝土的强度有着显著的效果，但随着硅灰掺量的增加孔隙率会降低，进而影响透水系数。硅灰的火山灰活性促进了C-S-H凝胶的产生，减少了透水混凝土的离析和泌水，提高了强度。

2.3 单掺矿渣粉

矿渣粉是一种优质的矿物掺合料，矿渣粉通常以较大掺量替换水泥制备矿渣水泥胶凝材料，而经过磨细处理后的矿渣粉则具有更高的活性，一般称为矿粉以较少掺量替换水泥。张亚茹[19]研究发现矿粉的掺入能够提高透水混凝土的强度，显著提高其抗冻性能；王钢[20]在单掺矿渣粉的试验中研究发现，当矿渣粉掺量为15%时，透水混凝土在75次冻融循环后其质量损失率为2.3%，不掺矿渣粉的对照组的损失率为3.8%。

何松松等人[21]研究发现当矿粉掺量为9%时，透水混凝土的抗压强度相比对照组增加了20.4%，矿粉掺量为11%时的弯拉强度相比对照组增加了29.9%，随着矿粉掺量的增加透水混凝土的透水系数逐渐下降；吴庆[22]采用SEM扫描电镜和XRD图谱分析发现矿粉的火山灰反应在早期，且其水化反应更彻底，使透水混凝土的结构更加密实，进而使得透水混凝土的透水性能降低，强度提高。一些研究人员采用大掺量的矿渣粉替换水泥，结果表明透水混凝土的强度会有所降低，但仍能满足一定场合的强度要求，大幅度的减少了水泥用量，产生了更高的经济效益和环境效益。

2.4 复合矿物掺合料

现在除了研究单掺矿物外掺料外，众多学者热衷于研究复掺矿物材料和其他材料，研究不同矿物掺料之间以及矿物掺料与其他掺料之间的协同作用，以期达到更优的性能。Elango[23]研究了双掺粉煤灰和石膏制备透水混凝土，结果表明双掺二者能够提高透水混凝土强度，具有较高经济效益；Bilal等人[24]研究了双掺2.6%的硅灰和偏高岭土，结果表明二者混合掺入提高了透水混凝土的抗压强度，且在硝酸铵腐蚀性溶液下抗压强度损失率最低；荀永宁[25]采用5%掺量的纳米SiO2复配20%掺量的粉煤灰，发现其抗压强度能够达到33.2 MPa，这是因为不定形的SiO2与水泥发生火山灰反应生成C-S-H凝胶，增强了透水混凝土内部的孔隙结构；Lo[26]通过研究复掺粉煤灰和稻壳灰，结果表明二者混合掺入有效提高了透水混凝土的抗压强度，且透水系数满足要求。

Ho[27]用矿渣和粉煤灰完全替代水泥作为胶凝材料，结果表明在矿渣与粉煤灰比例为7∶3时，制备得到的透水混凝土28 d抗压强度可以达到水泥透水混凝土抗压强度的90%，同时具有良好的透水性能；杨艳娟[28]的双掺粉煤灰和硅灰试验发现，在掺料总量不变的情况下，随着硅灰掺量的增加，透水混凝土的有效孔隙率和抗压强度均呈现先升高后降低的趋势；焦凯等[29]研究了在清水、氯盐和硫酸盐条件下进行冻融循环试验，发现复掺硅灰和粉煤灰具有更高的抗冻性能，主要是因为矿物掺料的物理形态是纳米微小颗粒，填充了水泥浆体的孔隙，从而提高了抗冻性能；肖力光等[30]用粉煤灰、磨细矿渣粉和硅灰一同混合掺入组成复合胶凝材料，与基准组相比其抗压强度提高了43%，抗折强度提高了26%，结果表明多种矿物复合掺入对透水混凝土的力学性能提升显著。张旭东[31]通过正交试验研究了在双掺矿渣和硅灰的条件下，不同因素对其性能的影响，发现双掺矿渣和硅灰提高了透水混凝土的强度和透水性能。

3 结论与展望

a.单掺粉煤灰对提升透水混凝土强度效果较弱，单掺硅灰或矿渣粉对透水混凝土强度提升效果显著。复掺矿物掺料、复掺矿物掺料和其他材料对透水混凝土的强度提升程度不同，单掺矿物掺料存在最佳掺量，复掺矿物掺料同样存在最佳掺量和最佳比例；单掺或复掺矿物掺料均可提高透水混凝土的耐久性能，降低透水混凝土的透水性能，对透水性能的影响主要是考虑掺料的细度和比表面积，细度或比表面积越大，对透水性能的影响越显著。

b.外掺材料对透水混凝土的力学性能和耐久性能通常是有利影响，对透水性能是不利影响。不同种类的矿物掺合料一般都存在最佳掺量，在最佳掺量条件下，透水混凝土的性能可以达到最佳，同时也能保证一定的透水性能。

c.目前研究主要集中在单掺某一类材料对透水混凝土的改性，今后研究可将多种不同材料组合添加，以充分利用各种材料的作用，通常外掺材料可以提高透水混凝土的某一项性能，针对不同场合的需求，可以有针对性的组合不同掺料，以达到预期目的。

d.对于透水混凝土的耐久性能研究较少，可以增加对耐久性能方面的试验研究，如耐流水侵蚀试验、抗硫酸盐侵蚀试验、耐磨性试验、疲劳试验和抗冲击试验等，完善透水混凝土耐久性能的评价与预测；同时对于耐久性能相关的试验多以强度的损失来评价其耐久性能，但对于透水混凝土，还应考虑透水性能的变化，所以应增加耐久性试验中透水性能的研究；现阶段研究多以单因素为控制变量试验，但在实际工程情况中，透水混凝土通常受到多因素作用，实验室研究应考虑在多因素条件下的试验分析。