再生骨料透水混凝土強度及透水性能試驗

陳守開，楊 晴，劉秋常，郭 磊，汪倫焰

再生骨料透水混凝土強度及透水性能試驗

陳守開1,2，楊 晴1,2，劉秋常1，郭 磊1,2，汪倫焰1,2

（1. 華北水利水電大學水利學院，鄭州 450011； 2. 河南省水環境治理與生態修復院士工作站，鄭州 450002）

利用再生廢棄混凝土骨料制備透水混凝土是目前研究的熱點和趨勢，其中強度和透水性是其關注及目前亟待突破的關鍵性能。以廢棄的預制混凝土梁構件為再生骨料來源制備透水混凝土，并以水膠比0.3，砂率10%為基準，設計6組配合比，并通過標準養護下的立方體試塊試驗，研究了單一因素下再生骨料透水混凝土的孔隙率、透水性及其強度性能，其范圍分別為孔隙率17.8%～23.8%，滲透系數0.27～0.57 cm/s以及抗壓強度4.0～9.63 MPa。結果表明，再生骨料透水混凝土基本性能夠滿足要求，其中內摻粉煤灰能大幅提高其抗壓強度，提高約44%，外摻鋼纖維提高透水性，摻入萘系高效減水劑及硅粉的效果不明顯。此外，再生骨料透水混凝土的毛細吸水過程與普通混凝土類似，即前期吸水快，后期趨于平緩。

混凝土; 性能；抗壓強度；再生骨料透水混凝土；摻合料及外加劑；透水性；孔隙率；毛細吸水

陳守開，楊 晴，劉秋常，郭 磊，汪倫焰. 再生骨料透水混凝土強度及透水性能試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(15)：141－146. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.018 http://www.tcsae.org

Chen Shoukai, Yang Qing, Liu Qiuchang, Guo Lei, Wang Lunyan. Experiment on strength and permeability of recycled aggregate pervious concrete[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 141－146. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.018 http://www.tcsae.org

0 引 言

2012年4月，在《2012低碳城市與區域發展科技論壇》中，“海綿城市”概念首次提出。城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。提升城市生態系統功能和減少城市洪澇災害的發生。由于透水混凝土具有連續孔隙率和高透水性，可以廣泛應用于海綿城市的建設當中。此外，還可將其應用于江、河、湖、海等水域和沿岸，起到固沙土、固堤岸、透水作用。

利用再生骨料制備透水混凝土（以下簡稱再生透水混凝土）不僅可以發揮透水混凝土的功能優勢（如透氣性、透水性、吸聲、隔熱等優點），還能夠減少建筑垃圾的填埋堆放和天然骨料的消耗。國內外已有一些再生透水混凝土的研究，如孫家瑛等[1]研究了再生集料透水性混凝土的物理力學性能和耐久性能，指出隨著集料粒徑增大或集灰比的提高抗壓和抗折強度均降低，透水性能增加。Zaetang等[2]利用再生粗骨料（粒徑4.75～9.5 mm）制備透水混凝土，結果表明隨著替代率的增加，再生骨料透水混凝土抗壓強度先增加后降低，100%再生骨料透水混凝土的抗壓強度與普通透水混凝土基本相同，而劈裂抗拉強度略低于普通透水混凝土。Güneyisi 等[3]研究不同再生粗骨料取代率對透水混凝土性能的影響，并運用GLM-ANOVA進行方差分析，認為影響透水混凝土性能的2個主要因素是再生骨料取代率和水灰比，對于強度、干密度、孔隙率而言，前者影響程度大于后者；對于透水性能和耐磨性而言，后者影響程度大于前者。Sriravindrarajah等[4]研究了不同膠凝材料（水泥、礦渣）、齡期（7、28 d）、骨料（花崗巖、再生混凝土骨料）、骨料粒徑（5～13 mm、13～20 mm）以及試件類型（邊長150 mm立方體、φ100×200 mm）對透水混凝土性能的影響，結果表明：混凝土抗壓強度主要依賴于其內部的孔隙，隨著骨料粒徑的減小，孔隙率降低，強度增加；在一定孔隙率下，摻入再生骨料導致透水混凝土強度降低，但是對孔隙率和透水性能無顯著影響；（再生骨料）透水混凝土的抗壓強度與孔隙率及透水系數與孔隙率的關系均服從指數分布。

目前國內外學者關于摻合料及外加劑對再生透水混凝土性能的影響方面尚缺乏系統的研究。為能夠改善再生透水混凝土的性能，本文以再生透水混凝土的強度和透水性為目標，分別研究了粉煤灰、硅粉、萘系高效減水劑和鋼纖維的影響。此外，以往對普通混凝土毛細吸水過程試驗研究較多，鮮有學者對再生透水混凝土有相關研究。本文參考已有經驗，自制毛細吸水裝置，開展了透水混凝土的毛細吸水試驗。

1 試驗設計

1.1 原材料

試驗所需的原材料及來源：①拌合水：自來水；②細骨料：粗砂，細度模數MX=3.34；③天然粗骨料（natural coarse aggregate, NCA）：天然碎石；④再生粗骨料（recycled coarse aggregate, RCA）：將混凝土框架結構的拆除構件人工破碎剔除鋼筋后，經顎式破碎機進行破碎后人工篩分后得到，粗骨料的基本性能指標見表1；⑤膠凝材料包括水泥（P.O 42.5普通硅酸鹽水泥），粉煤灰（II級），硅粉（SiO2＞95%）；⑥鋼纖維：剪切型鋼纖維，波浪形，長度為30 mm，等效直徑0.6 mm；⑦減水劑：萘系高效減水劑。由表1知，RCA的表觀密度和堆積密度比NCA低，含水率和壓碎指標高于NCA，其中10 min的吸水率約是NCA的12倍，這一結果與現有研究成果相符[5-6]。由于再生粗骨料制備工藝流程嚴謹，RCA的含泥量相比NCA低。粗骨料的性能指標均滿足現行規范的指標要求，可以用于配置混凝土。

表1 粗骨料的基本性能Table 1 Basic properties of coarse aggregates

1.2 配合比

根據現有規范及研究，設計再生透水混凝土的水膠比為0.3，砂率10%[7-10]。以100%再生粗骨料制備的透水混凝土（再生透水混凝土）為基準，在不改變水膠比與砂率的前提下，分別設計了5種透水混凝土：①普通透水混凝土（全部采用天然骨料）；②粉煤灰等量取代20%水泥；③硅粉等量取代6%水泥；④萘系高效減水劑取水泥質量的1%；⑤外摻鋼纖維量為水泥質量的3%。為減小再生粗骨料高吸水性的影響，采用增加附加水量補償的方法[11]，附加水量由再生粗骨料10 min吸水量確定。

透水混凝土配合比見表2。表中，NPC表示天然骨料透水混凝土，RPC表示再生骨料透水混凝土，SP、FA、Si、SF分別表示RPC摻入萘系高效減水劑、粉煤灰、硅粉和鋼纖維。

表2 透水混凝土的配合比Table 2 Mix proportions of pervious concrete

1.3 試驗內容及方法

1.3.1 攪拌與成型工藝

試件的制作與養護均在室內進行。試驗采用人工拌制混凝土，試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，共6組，每組9塊。制作流程如圖1。試件成型1 d后，放入溫度（20±2）℃，濕度98%以上的養護室養護28 d。

圖1 透水混凝土制作流程圖Fig.1 Flow chart of production of pervious concretes

1.3.2 強度孔隙率及透水性能試驗

抗壓和劈裂抗拉強度參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）[12]執行，孔隙率及透水性能試驗參照《透水水泥混凝土路面技術規程》（CJJ/T 135-2009）[13]執行。

1.3.3 無損傷再生透水混凝土毛細吸水試驗

毛細吸水作為水分在非飽和建筑材料中的主要傳輸方式，是影響結構長期性能（如耐久性能）的關鍵因素[14]。在前人混凝土毛細吸水試驗研究[14-18]基礎上，針對透水混凝土自制毛細吸水裝置，如圖2所示。試驗步驟：1）試件尺寸為150 mm立方體，標準養護28 d取出，將試件放入鼓風干燥箱（105±5）℃中干燥至恒重，冷卻至室溫后，除測試的對立面以外其余2個側面用環氧樹脂密封，然后采用電子天平（精讀0.01 g）稱質量，室內溫度設置為（20±2）℃，濕度為50%±2%；2）將試件的吸水面向下，置于自制毛細吸水裝置內，然后向容器內加水至標記高度，利用支撐架控制水面淹沒試件底面的高度為5 mm；3）每組3個試件，每個試件記錄2個面，每個面布置5個測點。從水達到標記高度時為起始時間，然后每間隔5 min對試件吸水高度進行拍照讀數，共進行6次，即30 min；4）連續吸水30 min后取出，用濕布將試件與水接觸面上的多余水分擦去，然后稱質量。

圖2 毛細吸水試驗裝置圖Fig.2 Capillary water absorption test device

2 試驗結果與分析

2.1 摻合料及外加劑對再生透水混凝土28 d強度的影響

透水混凝土的28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗結果見圖3。本次試驗測得的透水混凝土抗壓強度在4.0～9.6 MPa，文獻[19-20]中推薦的透水混凝土圓柱體抗壓強度范圍為3.5～28.0 MPa，依據國際標準（ISO/DID 7034）得到相對應的標準立方體抗壓強度為3.9～35 MPa，本次試驗結果與之相符。

圖3 摻合料及外加劑對透水混凝土28 d強度的影響Fig.3 Strengths at 28 days of pervious concretes containing cementing materials and admixture

由圖3可知，RPC的抗壓強度、劈裂抗拉強度分別為6.7和1.13 MPa，高于NPC的4.0、0.59 MPa。與普通混凝土不同，透水混凝土的強度主要取決于骨料之間極薄的水泥漿層及其與骨料的粘結性[21-23]，骨料本身強度對其影響不大。因此，試驗結果顯示再生透水混凝土強度高于普通透水混凝土可以歸結為：1）由表1可知，本次試驗采用的天然骨料含泥量相比再生骨料大，一定程度上影響骨料間水泥基強度的發展；2）試驗中采用附加水的方法減小了再生骨料高吸水率的影響，這部分附加水使再生透水混凝土內部能保持一定濕度，起到“內養護”的作用[11,24]，有利于再生透水混凝土強度的發展；3）再生粗骨料多孔隙特性及其表面比較粗糙[25-26]，增加了骨料與水泥漿間粘結強度。

與RPC相比，內摻粉煤灰可有效提高透水混凝土的抗壓強度，提高約44%，達到9.63 MPa；萘系高效減水劑及硅粉對再生透水混凝土抗壓強度的改善不顯著，鋼纖維的摻入會導致再生透水混凝土抗壓強度降低。摻合料及外加劑的使用均會對劈裂抗拉強度產生不利影響，其影響程度為：減水劑、粉煤灰＜硅粉＜鋼纖維，如內摻硅粉可降低26%，原因可能是：摻入硅粉產生火山灰反應，所生成的膠凝體雖可填充再生透水混凝土內部孔隙，改善其受力分布，但膠凝體吸水后會產生一定的體積膨脹，增大了再生透水混凝土的內部應力，導致應力集中[7,9]，從而影響再生透水混凝土劈裂抗拉強度的發展。

再生透水混凝土典型破壞形態見圖4。在混凝土立方體抗壓試驗過程中，加載初期，試件表面少量顆粒出現掉落，未發現有裂縫。隨著荷載增大，試件內的應力不斷增加，初始出現的裂縫靠近試塊的側表層，沿斜向往上、下端發展至加載面處轉向試件角部。隨著荷載的繼續增加，裂縫逐漸在試件內部發展，表面混凝土開始大量剝落。再生混凝土試塊的破壞斷面主要為2處：一是再生骨料表面弱硬化水泥漿體，二是再生骨料與新拌水泥漿之間的界面過渡區。

圖4 再生透水混凝土28 d典型破壞路徑Fig.4 Typical crack path of RPC at 28 d

實測劈裂抗拉強度與抗壓強度的比值（拉壓比）范圍為9.5%～16.9%，平均值13.5%。文獻[2]和文獻[21]中測得的拉壓比均值分別為13.1%、14.4%，與文獻[27-28]中總結的（再生）透水混凝土拉壓比范圍（9%～14%）基本一致。

2.2 孔隙率與透水系數

透水混凝土28 d的孔隙率、透水系數及相互關系見圖5－圖7。本次試驗測得的透水混凝土孔隙率與透水系數范圍分別在17.8%～23.8%、0.27～0.57 cm/s，與透水混凝土滿足滲透性要求下推薦的孔隙率、透水系數范圍一致[19-20]，并且滿足《透水水泥混凝土路面技術規程》（CJJ/T 135-2009）中連續孔隙率及透水系數的要求（V≥10%，k≥0.05 cm/s）。

由圖5-圖6可知，與RPC相比：

1）NPC的孔隙率和透水性能都有所下降，透水系數降低了約41%。分析原因認為：再生粗骨料表面比較粗糙及顆粒形狀不規則，有利于增加混凝土內部孔隙，提高透水性能。

2）摻入鋼纖維可有效提高再生透水混凝土的孔隙率與透水性能，孔隙率23.8%，透水系數0.57 cm/s，提高幅度分別為16%、24%，這也是導致鋼纖維再生透水混凝土強度低的主要原因。

3）粉煤灰的摻入雖然能提高抗壓強度，但會降低孔隙率與透水性能，降低幅度分別為12%、37%，這是由于：①水泥水化產生的Ca(OH)2吸附到粉煤灰顆粒表面，與粉煤灰中SiO2、A12O3等硅酸鹽玻璃體發生二次水化反應，生成鈣礬石、水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠，可顯著改善混凝土的孔結構，減小孔徑并降低孔隙率[7-8,10]；②再生粗骨料多孔隙特性及其表面比較粗糙，粉煤灰中的微細顆粒滲入其中，隨著后期水化反應，增大了水泥基與再生粗骨料界面過渡區（ITZ）的粘接強度[29]；③已有研究表明，粉煤灰活性較水泥低。再生透水混凝土“內養護”作用促進了粉煤灰的火山灰效應。

4）內摻硅粉或摻入萘系高效減水劑對再生透水混凝土孔隙率及透水性的改善作用不顯著。如內摻硅粉提高孔隙率6.6%，但透水性略有降低，摻入萘系高效減水劑則是透水系數提高4.3%，但孔隙率略有降低。

圖5 摻合料及外加劑對透水混凝土孔隙率的影響Fig.5 Effect of pervious concretes containing cementing materials and admixture on its total void

圖6 摻合料及外加劑對透水混凝土透水系數的影響Fig.6 Effect of pervious concretes containing cementing materials and admixture on its water permeability

圖7 孔隙率與透水系數關系圖Fig.7 Relationship between total void and water permeability of pervious concretes

由圖7可知，透水系數隨著孔隙率增大而增大，二者呈指數關系，這與普通透水混凝土描述的基本一致[30]，也與現有再生透水混凝土的研究結論相符[2-3,21,31]，但本文實測值略低，這是由于試驗時為保證新拌混凝土和易性而添加10%粗砂填充了部分孔隙所致。

2.3 無損傷再生透水混凝土毛細吸水過程

再生透水混凝土無損傷狀態下的毛細吸水過程為：再生透水混凝土在毛細管吸附力的作用下，吸水過程在前期曲線呈線性增長，后期曲線趨于平緩，與普通混凝土的規律[14,16-17]相似，其毛細吸水高度和吸水時間之間的關系如公式（1）所示。

式中H為再生透水混凝土的毛細吸水高度，cm；T為毛細吸水時間，min；a,b為擬合參數。

由圖8可知，在吸水前30 min，再生透水混凝土的毛細吸水高度H和吸水時間T呈冪函數分布。摻入鋼纖維在整個毛細吸水過程的吸水高度明顯高于RPC，摻入硅粉、粉煤灰和萘系高效減水劑后的吸水高度與RPC基本相同，各處理毛細吸水高度與吸水時間的擬合方程見表3。與RPC相比，硅粉和粉煤灰的摻入顯著增加累積毛細吸水質量，而摻入鋼纖維對吸水質量影響甚微，減水劑的使用會明顯減小吸水量（圖9）。試驗得到毛細吸水高度最大值19.4 mm，毛細吸水最大浸入量為0.01 g/cm3，摻20%粉煤灰再生透水混凝土的吸水高度約13.5 mm，吸水質量約28 g，這個數值在量級上與現有普通混凝土毛細吸水試驗的成果[14,17]一致。

圖8 毛細吸水高度與吸水時間的關系Fig.8 Relationship between capillary absorption time and absorption height of pervious concretes

表3 毛細吸水高度與吸水時間擬合參數表Table 3 Fitting parameters of capillary absorption time and absorption height

圖9 再生骨料透水混凝土30 min毛細吸水質量Fig.9 Cumulative capillary absorption quality of RPC in 30 min

3 結 論

本文研究了天然骨料透水混凝土及再生骨料透水混凝土的孔隙率、透水性及強度性能，其中重點分析了粉煤灰、硅粉、萘系高效減水劑及鋼纖維對再生骨料透水混凝土的改性作用，并開展了透水混凝土的毛細吸水試驗。基于以上數據，得出結論如下：

1）再生骨料透水混凝土的強度、透水性符合規范要求，且本文試驗結果優于同配比條件下天然骨料透水混凝土，即：RPC的抗壓強度、劈裂抗拉強度分別為6.7和1.13 MPa，高于NPC的4.0、0.59 MPa，因此采用再生骨料制備透水混凝土從其性能上而言是可行的。

2）粉煤灰能夠提高再生骨料透水混凝土抗壓強度（提高幅度約44%，達到9.63 MPa），但同時會降低其孔隙率及透水性；鋼纖維能夠顯著提高其孔隙率及透水系數（孔隙率與透水系數分別達到23.8%、0.57 cm/s），但抗壓強度反而降低；硅粉及萘系減水劑對再生透水混凝土性能有一定的改善作用，但不顯著。

3）在無損狀態下，再生骨料透水混凝土毛細吸水前30 min內，其毛細吸水高度和吸水時間成冪函數關系，毛細吸水的過程與普通混凝土類似，即：在前期曲線呈線性增長，后期曲線趨于平緩。鋼纖維能夠有效提高毛細吸水高度，但對吸水質量影響小；硅粉、粉煤灰和萘系高效減水劑對其吸水高度影響不明顯，但硅粉和粉煤灰會顯著增加毛細吸水質量，而減水劑會降低吸水量。

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Experiment on strength and permeability of recycled aggregate pervious concrete

Chen Shoukai1,2, Yang Qing1,2, Liu Qiuchang1, Guo Lei1,2, Wang Lunyan1,2
(1. School of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China; 2. Water Environment Governance and Ecological Restoration Academician Workstation of Henan Province, Zhengzhou 450002, China)

To prepare pervious concrete with recycled concrete aggregate is a hot point and the trend of the current research, while strength and water permeability are the key performance highlighted and to be broken through at present. With waste prefabricated concrete beam members as the source of recycled aggregate, pervious concrete was prepared, and 6 groups of mixture ratios were designed with water cement ratio of 0.3 and sand ratio of 10% as the benchmark. Besides, through the experiment on test cubes under standard maintenance, the porosity, water permeability and strength performance of recycled aggregate pervious concrete (RPC) under a single factor were studied. The grain size of coarse aggregate was 4.75-9.5 mm and the natural coarse aggregate (NCA) came from gravels. With the pervious concrete prepared with 100% recycled coarse aggregate as the benchmark, 5 kinds of pervious concretes were designed on the premise of not changing the water-binder ratio and sand ratio: 1) ordinary pervious concrete (wholly made of natural aggregate); 2) equivalent replacement of 20% cement with fly ash; 3) equivalent replacement of 6% cement with silica fume; 4) adding naphthalene superplasticizer equivalent to 1% of the mass of the cement; 5) external addition of steel fiber equivalent to 3% of the mass of the cement. To reduce the influence of the high water absorption of the recycled coarse aggregate, the method of increasing additional water compensation was adopted and the amount of additional water was determined as the amount of water absorbed in 10 min by the recycled coarse aggregate. On the basis of the test and research of the capillary water absorption of concrete by predecessors, a capillary water absorption device for pervious concrete was self-made. It was measured in the experiment that the range of porosity, permeability coefficient and compressive strength was 17.8%-23.8%, 0.27-0.57 cm/s and 4.0-9.63 MPa respectively. According to these results, the basic performance of pervious concrete made of recycled aggregate could satisfy the requirements. Compared with RPC, adding fly ash could realize effective improvement of the compressive strength of the pervious concrete to 9.63 MPa, an increase of about 44%, the external addition of steel fiber could improve the water permeability, and the mixing of naphthalene super plasticizer and silica fume didn’t have obvious effect. Admixtures and additives would both exert adverse effect on the splitting tensile strength, and their affecting degree was super plasticizer, fly ash ＜ silica fume ＜ steel fiber. The ratio of the measured splitting tensile strength to the compressive strength (ratio of tension to compression) was 9.5%-16.9%, with the average value being 13.5%. The water permeability increased with the increase of the porosity, and the two presented an exponential relationship, which was basically consistent with the description of ordinary pervious concrete. In addition, it was figured out in the experiment that the maximum capillary water absorption height was 19.4 mm, and the maximum immersion amount in capillary water absorption was 0.01 g/cm3; the water absorption height of RPC internally doped with 20% fly ash was about 13.5 mm, while the amount of water absorbed was about 28 g, both values being consistent with the test results of capillary water absorption of existing ordinary concrete in terms of the order of magnitude. In nondestructive condition, the capillary water absorption process of previous concrete made of recycled aggregate was similar with that of ordinary concrete, namely, fast absorption in the early stage and steady absorption in the late stage.

concretes; performance; compressive strength; recycled aggregate pervious concrete (RPC); cementing materials and admixture; permeability; porosity; capillary water absorption

TU528.0

A

1002-6819(2017)-15-0141-06

2017-03-30

2017-05-12

國家自然科學青年基金項目（51309101）；國家自然科學基金面上項目（51679092）

陳守開，男，浙江溫州人，博士，副教授。主要從事混凝土材料試驗及水工混凝土結構數值仿真等方面的研究。鄭州 華北水利水電大學水利學院，450011。Email：man200177@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.018