透水混凝土地坪技术在教育建筑中的应用——温州慧中公学地坪工艺研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：吴晓文（1981），男，汉族，河南焦作人，本科学历，上海慧中教育科技集团有限公司主任工程师，从事学校园区一体化设计工作。-159-透水混凝土地坪技术在教育建筑中的应用温州慧中公学地坪工艺研究 吴晓文 上海慧中教育科技集团有限公司，上海 200080 摘要：摘要：透水混凝土地坪是指用多孔混凝土工艺建造的具有透水透气性能的水泥地坪。材料是由骨料、水泥、外加剂和水组成的多孔轻质混凝土。一般不含细骨料，由粗骨料表面包覆水泥浆相互粘结形成海绵状多孔穴的蜂窝结构，具有透气、透水和重量轻的特点。温州慧中公学中学部建设项目透水混凝土分项（以下简称“慧中公学中学部项目”）充分的考虑了新教学理念下学校场地的灵活开放性、环境和谐性、安全性、全周期适用性的要求，结合学校建筑设计特点在较大的空间运用了透水混凝土地坪技术，面积占所有户外硬质铺装的 25.7%，在施工、学校交付试运行中发现透水混凝土地坪的优点与学校的要求有诸多契合点：简洁大方、通透环保、富有趣味性和装饰扩展性、安全舒适等特点；但是由于透水混凝土地坪本身材料特点以及施工品质控制问题也出现一些问题，如个别空间清理困难，不同批次骨料出现成品色差以及不同检验批抗压强度波动较大等。要建设更高品质透水混凝土地坪，就需要从工程实践中不断探索，积累技术经验，深挖材料潜力、改进施工方案。关键词：关键词：透水混凝土；排泄阈值；地坪场地环境；全周期适用性 中图分类号：中图分类号：TU986 0 引言 透水混凝土地坪技术目前在市政道路、景观园林、社区以及商业空间都有广泛的应用案例。但在教育建筑中还处于逐步的普及以及推广阶段。学校新的办学理念以及校园设计建设理念更加重视绿建、海绵城市设计要求，类似透水混凝土这种相对生态、新颖的技术也越来越多的进入校园。慧中公学中学部项目的建设实践从基层准备、施工组织等层面起步，就设计配比、制备储运、浇筑养护等专项环节展开研究探索，希望能对透水混凝土地坪在教育建筑中的推广实践有所裨益。1 慧中公学中学部项目概况说明以及分析 1.1 慧中公学中学部项目概况说明 温州慧中公学是上海慧中教育科技集团有限公司在温州筹建的 K15 民办学校，是一个“个性化培养，定制课表制+导师走班制”全新课程理念的教育综合体，各功能区以及学部经由建筑体块融合穿插。校区占地 280 亩，建筑面积 106350，其中建筑投影线外场地面积 116353，另外建筑有 2 条 110米连廊以及 52 处退台，采用透水混凝土地坪的户外楼地面共计 34702。面积大，基层条件复杂，施工作业条件不理想（有外墙交错施工）、施工气候条件差（5-7 月份）、时间进度要求高等不是诸多制约因素。图 1 慧中公学高中部校区鸟瞰效果图 1.2 慧中公学中学部项目分析 作为体量较大的分项，项目部对透水混凝土地坪校方需求以及工艺技术问题进行了系统的分析，主要分三部分进行：第一对温州市近十年来新建学校以及浙江省比较典型的新建学校走访调查，对透水混凝土地坪使用案中国科技期刊数据库 工业 A-160-例以及使用反馈信息进行收集，以获得更多的经验和信息储备，成果信息比较繁杂，经汇总和加权平均如（表 1）所示。第二是研究校方以及建筑的特点，归纳起来主要有五个要求：平整度好，简洁大方，符合一座现代学校应有的气质。安全性好，主要体现在防滑性，要符合 R12 等级的地面防滑要求，满足雨天湿润状态下仍具备较好的防滑性能，以确保学生的安全。具备一定的装饰延展性，可以通过喷绘或者安装的形式来增设文字、色彩等装饰性内容。密度小，对连廊楼板以及退台的挑板产生的静荷载小。施工方便，对圆弧边界适应性良好。综上，就建设成本和使用比例而言，透水混凝土地坪并没有太大的优势、但结合学校校方的要求以及建筑本身的特点，透水混凝土地坪却成为一个需求和适用性平衡最好的选项；2 慧中公学中学部项目基层准备技术要点分析 2.1 地坪基层特点描述 本项目的透水混凝土地坪一部分位于地面回填土之上，从场地及周边勘察报告来看，主要由第四纪覆盖层组成，虽未发现地表大面积沉降、塌陷，断裂、岩溶土洞、滑坡等影响建设的不良地质作用，但上部存在厚度较大冲积软土、表部存在厚度不等的回填土。土建回填标高 6.65m，平均回填厚度 2.76m。因此常规的素土夯实+碎石基础/级配沙石垫层做基层在长期的雨水下渗作用下存在很大的不均匀沉降的风险，破坏透水混凝土层的安定性，造成剪向开裂破坏。因此经研究决定采用现浇混凝土基层+盲管排水系统作为透水混凝土地坪的基层结构；此外，项目连廊上人板面平均荷载 2.0kN/，设计要求找平层砂浆厚度最大不超过 100mm，透水混凝土层找平厚度最大不超过 100mm，但由于建筑原始方案屋面为重竹板地坪，楼板面普遍与室内高差 200mm，个别位置低于室内地面 250mm，且有若干变形缝镀锌钢板宽度 600mm 以上，水泥砂浆薄弱附着困难。综上，本项目的水混凝土地坪基层需要采用更具有针对性的技术手段进行基层准备工作。2.2 慧中公学中学部项目基层准备技术要点 首先，对于存在不均匀沉降风险的地面基层，要首先进行素水泥地坪的施工，要符合以下技术要求：（1）素土夯实度达到 93%，敷设 200mm 细石料层，粒径5mm-16mm，使用振动压路机压实，压实度不少于 95%；（2）敷设直径 4mm 规格 150 x200mm 镀锌钢筋钢网片；（3）敷设排水盲管系统，敷设方式见 3-1 所述;（4）浇筑 C25 水沙石比 1:2：3 细石混凝土砂浆，厚度不少于 100mm，抹平保水覆盖 14 天养护。其次对于位于建筑屋面、退台上的基层，首先要进行楼面垫层和找平层的敷设，位于建筑结构的防水层保温层以上，形成基层的骨干，总体厚度 100-150mm，要满足以下技术要求：（1）C25 陶粒混凝土垫层，厚度不少于 80mm，陶粒粒径 20-60mm 以保持稳定；（2）浇筑 C25 水沙比 1:2 水泥砂浆找平层，完成面与室内高差 50-80mm，并沿建筑设计的坡向方向找坡度，坡度加大到建筑设计坡度的 1.2 倍，以抵消部分透水混凝土对水流的毛细管效应。图 2 地面基层构造示意图 表 1 十所在地学校（10 年内新建）地坪材料物料占比 种类 花岗岩 水泥地坪 沥青地坪 广场砖类 透水混凝土地坪 其他 占比 27.4%12.5%8.6%35.6%6.5%9.4%参考单价 115 元/95 元/240 元/85 元/135 元/中国科技期刊数据库 工业 A-161-图 3 楼板面基层构造示意图 以上是对两大类基层的分析以及基层准备工作技术要点描述，个别指标根据地坪的特点有所调整，为透水混凝土地坪的施工打好基础。3 慧中公学中学部项目施工技术要点 慧中公学中学部项目透水混凝土面积较大，要确保按时保质保量的交付，就需要结合学校要求以及场地施工条件、验收标准优化、明确设计配比、制备储运、浇筑养护各环节的技术要求。3.1 透水混凝土地坪设计、配比的技术要点以及调整 从透水混凝土地坪的工艺设计角度来看，要结决项目以下几个技术问题：表 2 慧中公学中学部项目透水混凝土地坪选型说明 技术参数 透水等级 骨料粒径 粗细骨料比例 防滑等级 其他 项目要求 S1 520mm 2：7 R12 （1）必须解决极端降水天气的排水问题 因为透水混凝土地坪使用毛细管来疏散雨水，但毛细管系统会对下渗到找平层水平运动雨水的产生毛细管阻滞作用。被毛细管吸纳的而不排出的雨水数量称为透水混凝土地坪的排泄阈值。解决这个问题必须合理计算确定透水混凝土试块的透水等级。根据温州地区的气象以及水文资料，年降水量 14001800mm，平均 1695mm，最大日降水量 355.9mm（1981 年），主要集中在 4-6 月的梅雨期以及7-10 月台风暴雨期，后者多强降雨，灾害性台风天气一般 5 年一遇。综合以上信息经计算，屋面以及地面路面的的透水混凝土地坪需要满足每平方不小于 45L/H 的平均排水速率，应选择透水等级 S1 级透水混凝土，孔隙率不少于 15%；此外按照地面场地散水设计预埋高密度聚乙烯（HDPE）或聚氯乙烯（PVC）等塑料排水盲管系统，干管平行于长坡方向管径不少于 100mm，支管垂直于干管方向管径不少于 75mm，间距不超过 6m，盲管开孔孔径 20mm，间距 200mm。（2）透水混凝土地坪的配比问题 透水混凝土的配比直接关系到透水混凝土的透水性、疏水性以及施工阶段的保水养护性能、结构抗压性等诸多性能，在本项目中着重就两个指标进行了适应性调整：一是改善透水性的选择了 520mm 的中等粒径骨料，细粗骨料比例降至 2：7，低于常规标准，在孔隙率和观感上找到了比较好的平衡点；为保障抗压强度和骨料间的粘合强度增加了 新2代透水砼增强剂、缓凝剂两种外加剂，避免成品掉砂或骨料脱落；第二改善水化反应条件。透水混凝土进场施工时间为 2023 年五月中旬，出现连续的高温干旱天气，透水混凝土骨料空隙大，蒸发旺盛，保水养护困难。试块试验出现粉化、反碱、骨料粘合强度差的问题。因此添加了 QC1711 水泥抑碱剂、高效减水剂，经实验上述外加剂未发现拮抗反应，养护 14 天，28 天龄期后抗压强度达到 30mpa，满足设计和规范要求。3.2 透水混凝土地坪制备储运的技术要点以及调整 由 3.1 所述内容可知，为了满足学校项目的特殊要求，在透水混凝土配比做了诸多调整，添加了若干外加剂，因此根据外加剂的理化性能，透水混凝土料的储藏，搅拌也有了相应的要求，就本项目而言，总结了以下技术、操作要点：物料经验收进场后进入专用仓库存放，防水，防潮，确保含水量稳定。使用专用搅拌机制备，每个台班必须清洗一次，以确保透水混凝土料成分性能稳定。原则上随拌随铺，拌料摊铺时间 90 分钟，最长不得超过两小时。相邻区域原则上使用同一批次验收进场的骨料，以避免出现色差。中国科技期刊数据库 工业 A-162-3.3 透水混凝土地坪浇筑养护的技术要点 透水混凝土地坪的摊铺在本项目中使用的是平振法，因为地面场地已完成排水盲管系统的敷设且地面屋面都不具备泵车等大型设备入场条件，使用了小型电动运输车转运透水混凝土料，这里主要注重基层洁净以及成品管线保护的问题。使用尼龙网片对盲管的沥水孔进行保护，避免骨料和杂物坠入盲管影响排水效率，同时设置临时物料转运通道，通道越过管线时设置保护措施。使用水枪对场地进行清洗去除浮尘、杂物保持基层干净清洁；预涂一层 C25 素水泥砂浆作为粘合层。明确摊铺的方向，平行于场地短边分段、顺次均匀摊铺，避免车辆频繁往返或者经过临时通道外的摊铺区域，严禁碾压素水泥砂浆或透水混凝土料。使用平板式振捣器按先平行后于垂直摊铺方向进行往复振捣，刮平后先碾压 2-3 遍，低频往复振捣 3-4次，简易检测振捣密度在 95%以上即为合格。透水混凝土地坪的成品养护主要是保湿养护，因为本项目部分透水混凝土地坪分布较为零散，采用了土工布无纺布的形式遮阳保水，加上减水剂的作用，保水养护七天后试块强度达到设计强度的 70%，28 天龄期后达到设计抗压强度。4 慧中公学中学部项目体现出的技术瓶颈 随着学校透水混凝土分项的陆续推进，多批次的透水混凝土地坪顺次通过现场验收，材料自身或者施工工艺上的不足也逐渐体现出来，初步总结有以下主要问题：表面强度不足的问题，因为透水混凝土材料试验比照混凝土破坏试验，其检测指标以抗压强度值为准。在实际使用中，即使试块试验合格，透水混凝土也有在局部受中等强度剪力或摩檫力的场景中产生明显的破坏的情况，例如透水混凝土地坪拖动设备时造成了较大面积的骨料脱落和白色划痕，只能用水泥浆进行简易修复。维护性问题，透水混凝土地坪在慧中公学中学部项目户外景观中是地面硬质铺装的重要组成部分，景观的苗木设计配置了大量的芒草，到秋季会产生大量的飞絮和草籽，出现透水混凝土多孔结构被堵塞的现象；此外存在植物种植土随雨水污染透水混凝土地坪，形成了土渍和堵塞；操场的人工草坪的橡胶颗粒也很容易堵塞透水混凝土地坪的毛细管。经试验验证，上述问题会明显增高透水混凝土试块的排泄阈值、降低其排水效率；但清除却比较困难，即便使用高压水枪效果也很有限。因此只能在排水盲管的干管位置增设了检修口，用于疏通较大的堵塞物，但是不解决根本问题。疏水性外加剂带来的问题，常见的疏水性外加剂包括透水混凝土增强剂和透水混凝土保护剂两种常见的类型，可以减小混凝土对水的沁润性阻力，增强透水混凝土地坪的自洁能力。但试验表明部分材料的鞋底在湿润的情况下，使用上述两种外加剂的透水混凝土的防滑等级无法达到 R12 级要求，经测试最差的情况仅为 R9 级，也就是产生了较明显的水滑现象，虽然本项目并未采用此类外加剂，但此类技术应用失误的风险是比较大的。总之，在本项目实践或者试验中发现透水混凝土地坪存在表面强度不足、维护性差、以及外加剂导致的不可控技术风险等问题，此外还存在局部少量反碱、浸水后出现大面积色差等未能查明原因的品质瑕疵。所以在运用透水混凝土地坪时要充分考虑地坪场地环境，考虑其维护性和全周期适用性，在使用外加剂要充分听取厂家意见并尽可能的做检测试验。5 结语 综上所述，经过慧中公学中学部项目的建设实践，透水混凝土地坪体现出较多的技术优势：平整度好，简洁优雅、符合建筑设计质感以及色泽要求、安全性好、质量轻密度小、施工便利等；作为一种应用比较广泛的技术，有比较成熟技术要求和操作指南。但仍需要结合学校的场所特点以及使用要求做出有针对性的技术调整以满足某些特异化的功能要求，制定合乎实际的技术方案，避免盲目套用产品的技术说明和机械照搬施工规范的通用技术要求。就项目建设成果来看，温州慧中公学中学部透水混凝土地坪建设在筹划完毕后三个月时间完成了所有工作面的摊铺做作业和规定龄期的养护，建设成果经受住了 7-9 月份最高温度 43 度的极端高温和强降雨的考验，基本做到了无脱砂、无积水、无反碱，大面积的透水混凝土地坪无明沟，无拼缝，视觉观感柔和简洁与建筑完美协调，整个校园荣获 2023 年温州十大最美校园殊荣。中国科技期刊数据库 工业 A-163-尽管如此，如本文所述，透水混凝土的运用依然纯在表面强度差、维护保养难度大以及外加剂带来的不确定风险等问题，需要进一步的探索研究，扬长避短，使其在学校建设中呈现处更加优越的效果。参考文献 1李波.游过历史的长河 法国巴黎生态校园设计J.室内设计与装修,2023(02).2米祥友.新时代中小学建筑设计案例与评析M.北京:中国建筑工业出版社,2018.3董奕宏.新时代教育背景下的教育建筑设计探究J.房地产世界,2022(7).4邹丰.探讨不同教育模式下的校园设计新模式以南京英国学校为例J.房地产世界,2022(03):78.5李波.新时代中小学建筑设计案例与评析M.北京:中国建筑工业出版社,2018.6曾路,何牟,张明华,胡婷婷,王淑萍,彭小芹.地聚物基透水混凝土的制备与性能J.材料导报,2019(7):45.7林澍祺.露骨料透水混凝土性能研究与工程应用J.福建建材,2022(12).