再生骨料透水混凝土的強度和透水性能試驗研究*

王軍強

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，徐州221116)

1 引言

再生骨料透水混凝土是采用廢棄混凝土生產(chǎn)的骨料配制大孔隙具有一定透水功能的生態(tài)混凝土。再生骨料透水混凝土充分利用了再生混凝土和透水混凝土的功能優(yōu)勢，利用再生骨料可以變廢為寶，減少垃圾處置費用，節(jié)能減排，減少環(huán)境污染［1］;而具有有連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)的透水混凝土，連續(xù)的孔隙結(jié)構(gòu)有利雨水的滲透，應(yīng)用于小區(qū)道路，則有利排除雨天地面雨水，改善小區(qū)微環(huán)境［2－3］。再生骨料透水混凝土，在技術(shù)應(yīng)用實踐方面，需要解決再生骨料透水混凝土的配制技術(shù)理論研究、配制技術(shù)研究［4］、施工技術(shù)研究等方面的技術(shù)難題。在配制技術(shù)方面，需要確定其組分、配比、性能、強度、抗凍性、透水性等諸多方面的技術(shù)難題［5］。如何實現(xiàn)強度和連續(xù)孔隙的技術(shù)矛盾，如何解決再生骨料應(yīng)用帶來的強度降低問題，如何因地制宜地利用再生骨料配制滿足透水性設(shè)計要求的透水混凝土［6－7］，這些在理論技術(shù)研究和實踐應(yīng)用方面尚不多見，還處于應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的瓶頸階段。

2 再生骨料的性能

試驗中采用的再生骨料來源于混凝土框架結(jié)構(gòu)的拆除構(gòu)件，原生混凝土強度等級為C30－C40，鉆芯取樣實測強度為 34．7 ～40．6 MPa，經(jīng)過破碎、篩分、分級后使用。再生骨料生產(chǎn)工藝為:拆除結(jié)構(gòu)的混凝土，經(jīng)過破碎預(yù)處理;采用磁性篩分方式清除廢棄的金屬材料，接著采用雜物分選清除廢料之中的木料和塑料等;然后采用破碎機進行一級破碎處理，接著進行一級篩分;一級篩分的集料清洗凈化之后，進行二級破碎和骨料篩分分離，通過以上步驟即可生產(chǎn)出粒徑5～40 mm的再生骨料。試驗研究中采用的骨料粒徑為5～20 mm。

再生骨料的表觀密度、堆積密度、空隙率、壓碎指標等物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。不同粒徑再生骨料的堆積密度、空隙率和吸水率測試結(jié)果見表2。試驗中采用再生骨料顆粒級配見表3。同一批再生骨料表觀密度基本相同，隨著粒徑的增大，再生骨料孔隙率減小，相應(yīng)的吸水率變小，堆積密度增大。再生骨料孔隙率的大小反映了散粒再生骨料顆粒互相填充的致密程度，可作為控制骨料級配的依據(jù)。分析再生骨料的性能，對于其再生應(yīng)用于混凝土，研究其對再生骨料透水混凝土性能的影響有意義。

表1 再生骨料的性能Table 1 Performance of recycled aggregate

3 再生骨料透水混凝土的配比設(shè)計

再生骨料透水混凝土配比的設(shè)計需要滿足設(shè)計的強度和透水性要求。透水混凝土采用了再生骨料，要求混凝土具備一定的透水性能，這些因素對普通混凝土的配比設(shè)計提出了新的要求，再生骨料透水混凝土配比設(shè)計和普通混凝土配比設(shè)計是有區(qū)別的。

表2 不同粒徑再生骨料堆積密度、空隙率和吸水率Table 2 Bulk density porosity and water absorption of different particle sizes recycled aggregate

表3 再生骨料顆粒級配Table 3 Grain size distribution of recycled aggregate

根據(jù)降雨情況、小區(qū)環(huán)境和道路狀況，確定用于小區(qū)道路的透水混凝土的透水性能要求(透水量和透水系數(shù))，結(jié)合建筑再生骨料情況，確定集料堆積孔隙率要求，根據(jù)透水混凝土目標孔隙率和集料堆積孔隙率要求，確定建筑再生骨料的粒徑、級配和質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上進而確定集料和膠凝材料的用量和體積。根據(jù)混凝土強度和耐久性的要求，確定水膠比。選用外加劑，確定用水量和膠凝材料用量。檢測透水混凝土的透水性，調(diào)整優(yōu)化后進而確定滿足小區(qū)道路要求的無砂再生骨料透水混凝土配制要求。

再生骨料透水混凝土的配制流程為:透水混凝土設(shè)計透水量和透水系數(shù)確定→建筑再生混凝土集料堆積空隙率要求→建筑再生混凝土集料粒徑和級配確定→集膠比和膠凝材料用量確定→用水量確定→外加劑摻量確定→成型試件測試透水性能→調(diào)整優(yōu)化級配→確定透水混凝土施工配比。

再生骨料透水混凝土配制中考慮了再生骨料的粒徑、級配和比例、水膠比、膠凝材料摻量以及活性材料的類型和摻加比例、孔隙率要求等因素對透水混凝土性能的影響。試驗中采用的配比見表4，水膠比控制在 0．25～0．35之間。編號RPC1、RPC2、RPC3考慮骨料級配、粒徑和質(zhì)量對透水混凝土性能的影響，編號RPC4、RPC5、RPC6考慮水膠比的影響，編號RPC4、RPC7、RPC8考慮膠凝材料組成及礦物摻和料摻加比例的影響，編號RPC6、RPC7、RPC8考慮目標孔隙率的影響。

表4 再生骨料透水混凝土的配比Table 4 Proportion ratios of recycled aggregate pervious concrete

4 再生骨料透水混凝土的試驗結(jié)果分析

試驗中測試了各種編號混凝土的工作性能、孔隙率、抗壓強度、抗折強度和透水系數(shù)。

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002)［8］，測試了混凝土的塌落度、黏聚性和保水性，判定再生骨料透水混凝土的工作性能。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2011)［9］，測試了再生骨料透水混凝土的抗壓強度和抗折強度。抗壓強度采用150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試件，每組3塊。抗折強度采用150 mm×150 mm×550 mm的梁型試件。采用不變水頭方法測試透水混凝土的透水系數(shù)，通過測試透水量和時間，來測試混凝土的透水系數(shù)，進而判定透水混凝土的透水性能。

采用質(zhì)量法測試混凝土的有效孔隙率，通過測試試件浸泡在水中24 h后和48 h自然風(fēng)干飽和面干之后的質(zhì)量變化，來獲得透水混凝土的有效孔隙率。孔隙率的測試方法和步驟如下:

(1)制備150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試件3塊，在標養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護7 d;

(2)將制備好的標準立方體試件烘干到恒重，取出冷卻至室溫，測量試件尺寸，計算體積V;

(3)將試件放入水中，計量試件浸水24 h后飽和狀態(tài)下在水中的質(zhì)量m1;

(4)計量試件在飽和面干狀態(tài)時的質(zhì)量m2;

試驗結(jié)果見表5。

表5 再生骨料透水混凝土的性能Table 5 Recycled aggregate pervious concrete performance

4．1 孔隙率影響因素分析

圖1給出了不同編號再生骨料透水混凝土的目標孔隙率和實測孔隙率的變化。在目標孔隙率、膠凝材料用量相同的情況下，再生骨料的緊密堆積率對再生混凝土的實測孔隙率有影響，再生混凝土的實測孔隙率隨著再生骨料堆積孔隙率的變大而增大。目標孔隙率和實測孔隙率基本相近，變化幅度在－10% ～13%之間，主要受膠凝材料水化程度、透水混凝土收縮、徐變、混凝土內(nèi)部非貫通孔隙等因素的影響。再生骨料的級配、組成和緊密堆積孔隙率對實測孔隙率有一定影響。可見，根據(jù)透水混凝土設(shè)計目標孔隙率來調(diào)整實測孔隙率，對于控制透水混凝土的透水性能有明確效果，是設(shè)計透水混凝土的主要影響參數(shù)。

圖1 不同系列再生骨料透水混凝土的孔隙率Fig．1 Porosity of different recycled aggregate pervious concrete

4．2 強度影響因素分析

不同編號再生骨料透水混凝土的強度分布規(guī)律見圖2。在水膠比保持不變的情況下，采用間斷級配兩種粒徑編號RPC3的強度比采用單一級配的編號RPC1和編號RPC2的強度要高。在水膠比不變的情況下，透水混凝土的抗壓強度隨著骨料堆積孔隙率的增大而變小，堆積孔隙率由39．3%增加到 43．6%，抗壓強度降低了約19．2%。采用礦物摻和料，有利于改善再生混凝土的工作性能。編號RPC4、RPC7、RPC8中礦物摻和料比例分別為30%、20%、10%，摻入礦物摻和料比例為20%的RPC7的強度最高，抗壓強度和抗折強度分別達到25．9 MPa和5．73 MPa。礦物摻合料的火山灰效應(yīng)和微填充效應(yīng)可改善再生骨料透水混凝土的工作性能和骨料間的粘結(jié)，最佳摻量有利于提高強度。水膠比對再生骨料透水混凝土強度的影響和普通混凝土有些不同，隨著水膠比的增大，透水混凝土的強度有降低的趨勢，但降低的幅度沒有普通混凝土明顯，這在透水混凝土強度設(shè)計中，采用普通混凝土的水灰比定律來計算強度會出現(xiàn)較大的偏差，需要做進一步深入的研究。再生骨料透水混凝土在材料組成、微觀結(jié)構(gòu)、受力機理等方面和普通混凝土有較大的差別。

4．3 透水系數(shù)影響因素分析

實測孔隙率和再生混凝土的透水性有重要關(guān)系，再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)隨著實測孔隙率的增大而增大。實測孔隙率的增大，表明混凝土內(nèi)部形成了更多的貫通孔隙，有利于提高其透水性能，當透水混凝土實測孔隙率由13．4%增大到29．3%，透水系數(shù)增加了約1．4倍(圖4)。

圖2 不同系列再生骨料透水混凝土的強度Fig．2 Strength of different recycled aggregate pervious concrete

圖3 不同系列再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)Fig．3 Permeation coefficient of different series of recycled aggregate pervious concrete

圖4 孔隙率對透水系數(shù)影響Fig．4 The influence of porosity on permeation coefficient

實測骨料粒徑、級配和質(zhì)量組成對再生混凝土的透水性能也有影響，采用兩種粒徑級配的再生混凝土透水性最低，再生骨料之間的相互嵌入降低了骨料堆積孔隙率，影響了混凝土內(nèi)部連續(xù)貫通孔隙的形成，降低了其透水性能。膠凝材料用量和水膠比對再生骨料混凝土透水性也有影響，透水系數(shù)隨著水膠比的增大而增大。礦物摻和料的摻入對改善再生骨料透水混凝土的工作性能有利，但隨著礦物摻和料摻量的增加，透水系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢。在所分析的所有影響因素中，透水混凝土的透水性能受孔隙率影響最為敏感，研究透水系數(shù)和孔隙率的相關(guān)關(guān)系對于配制透水混凝土有重要意義。

5 結(jié)論

再生骨料透水混凝土的強度和透水性能與再生混凝土骨料的組成、級配、堆積孔隙率、水膠比和膠凝材料用量、目標和實測孔隙率等因素有關(guān)，通過試驗分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)和混凝土的孔隙率有重要的關(guān)系，其透水系數(shù)隨著目標孔隙率和實測孔隙率增大而增大。

(2)再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)隨著膠凝材料用量的增加和水膠比的降低呈現(xiàn)非線性增加的趨勢。

(3)再生骨料透水混凝土的強度和水膠比呈現(xiàn)非線性關(guān)系，需要結(jié)合骨料堆積孔隙率和目標設(shè)計孔隙率確定最佳水膠比。

(4)再生骨料透水混凝土的強度受膠凝材料用量以及礦物摻和料比例的影響，試驗中礦物摻和料比例為20%的強度最高。

(5)再生骨料透水混凝土的強度和透水系數(shù)是再生骨料透水混凝土成功應(yīng)用于工程實際的重要性能參數(shù)，在實踐應(yīng)用中需要綜合評定其性能。

(6)再生骨料透水混凝土的配制，建議水膠比為 0．25～0．35，礦物摻和料比例為 15% ～30%，目標設(shè)計孔隙率15% ～25%，透水系數(shù)1．8～3．5 mm/s，再生骨料粒徑為5 ～20 mm，堆積孔隙率≤45%。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People’s Republic of China．GB 50082—2009 Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2010．(in Chinese)

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 55—2010普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People’s Republic of China．JGJ 55—2010 Specification for mix propotion of ordinary concrete，［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2011．(in Chinese)

［3］ 王軍強．再生混凝土強度和耐久性能試驗［J］．混凝土，2007(4):53-56．Wang Junqiang．Experim entalstudy of behavior of strength and durability of recycled aggregate concrete［J］．Concrete，2007(4)，53-56．(in Chinese)

［4］ 董建綱，張吉順．預(yù)壓應(yīng)力混凝土大管樁鋼絞線與水泥漿體粘結(jié)力試驗研究［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2013，29(6):157-161．Dong Jiangang，Zhang Jishun．Bonding strength between the steel strand and cement in prestressed concrete pipe piles［J］．Structural Engineers，2013，29(6):157-161．(in Chinese)

［5］ 曹萬林，李東華，周中一，等．再生混凝土柱足尺試件軸心受壓性能試驗研究［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2013，29(6):144-150．Cao Wanlin，Li Donghua，Zhou Zhongyi，et al．Experimental Study on axial compression performance of full scale recycled concrete columns［J］．Structural Engineers，2013，29(6):144-150．(in Chinese)

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 283—2012自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．Ministry of Housing and Urban-Rural Developmentn ofthe People’s Republic of China．JGJ 283—2012 Technical specification for application of self-compacting concrete，［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2012．(in Chinese)

［7］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．CJJ/T 190—2012透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People’s Republic of China．CJJ/T 190—2012 Technical specification for permeable asphalt pavement［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2012．(in Chinese)

［8］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能試驗方法標準［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China．GB 50080—2002 Standard for test methods of common concrete mixture performance［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2002．(in Chinese)

［9］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50081—2011普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China．GB 50081—2011 Standard for test methods of mechanics performance of common concrete［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2011．(in Chinese)