再生骨料透水混凝土研究與應(yīng)用

李新國

（臨沂天元混凝土工程有限公司，山東 臨沂 276000）

1 研究意義

在城市化建設(shè)過程中，現(xiàn)代化城市的地表逐步被建筑物和混凝土等不透水材料硬化覆蓋，便捷的交通設(shè)施，鋪設(shè)平整的道路在給人們的出行帶來極大方便的同時，也給城市的生態(tài)環(huán)境帶來極大的負面影響。隨著人類對改善生態(tài)環(huán)境越來越重視，透水混凝土也正在獲得越來越多的應(yīng)用。透水混凝土的性能需滿足透水系數(shù)≥0.5mm/s，連續(xù)孔隙率≥10%，特別適合用于城市公園、居民小區(qū)、工業(yè)園區(qū)、體育場、學(xué)校、醫(yī)院、停車場等的地面和路面。采用透水混凝土具有下列優(yōu)點：

（1）增加城市可透水、透氣面積，加強地表與空氣的熱量和水分交換，調(diào)節(jié)城市氣候，降低地表溫度，有利于緩解城市“熱島現(xiàn)象”，改善地面植物的生長條件和調(diào)整生態(tài)平衡。

（2）充分利用雨雪降水，增大地表相對濕度，補充城區(qū)日益枯竭的地下水資源，發(fā)揮透水性路基的“蓄水池”功能。

（3）減輕降雨季節(jié)道路排水系統(tǒng)的負擔(dān)，降低暴雨對城市水體的污染。

（4）吸收車輛行駛時產(chǎn)生的噪音，創(chuàng)造安靜舒適的生活和交通環(huán)境，雨天防止路面積水和夜間反光。

（5）具有良好的耐磨性和防滑性，有效地防止行人和車輛打滑，改善車輛行駛及行人的舒適性與安全性。

2 研究方法

透水混凝土是由水、水泥、粗骨料及少量外加劑組成，采用單粒級粗骨料作為骨架，水泥凈漿或加入少量細骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料顆粒的表面，作為骨料顆粒之間的膠結(jié)層，骨料顆粒通過硬化的水泥砂漿薄層膠結(jié)而形成具有大量連通空隙的堆積結(jié)構(gòu)。

2.1 研究方法

將再生骨料應(yīng)用于透水混凝土中，因其再生骨料自身結(jié)構(gòu)特性以及形貌特征的缺陷，將會造成透水混凝土需水量大、工作性能和力學(xué)性能差等問題。本項目研發(fā)的再生骨料透水混凝土在海綿城市建設(shè)中的研究與應(yīng)用技術(shù)，通過機械滾動修形工藝以及預(yù)裹敷工藝，并通過添加礦物摻合料和添加劑等技術(shù)解決再生骨料透水混凝土強度低、工作性能差等缺點，使其滿足應(yīng)用要求，促進再生骨料透水混凝土的發(fā)展。

本項目采用的再生骨料來源于郊區(qū)拆遷工地現(xiàn)場，經(jīng)測定各項性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 再生骨料性能指標(biāo) %

通過分析國內(nèi)外再生骨料的研究成果，考慮 A 組再生骨料自身結(jié)構(gòu)性能較差，與混凝土材料對骨料性能要求相差甚遠，故擬采用 B 組和 C 組再生骨料，對其進行進一步的研究，改善其各項性能指標(biāo)，使其滿足再生骨料透水混凝土生產(chǎn)與應(yīng)用的要求。

2.1.1 采用機械修形工藝，改善顆粒形貌

本項目對上述再生骨料進行機械滾動修形處理，通過機械滾動修形，破壞強度較低的再生骨料顆粒，除去黏附在再生骨料表面強度較差的水泥砂漿等物質(zhì)。利用機械滾動的方法使再生骨料高速轉(zhuǎn)動，從而使骨料顆粒在相互沖擊與摩擦作用下，改變骨料顆粒上較為突出的棱角狀態(tài)，改善再生骨料的顆粒形貌，使其成為較為干凈、圓滑、顆粒形貌良好的再生骨料顆粒。

通過對再生骨料顆粒進行機械滾動修形處理，有效改善骨料的物理特性，減小粗糙度，提高力學(xué)性能，優(yōu)化再生骨料的性能，經(jīng)測定各項性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 機械滾動修形后的再生骨料性能指標(biāo) %

2.1.2 采用預(yù)裹敷工藝，提高再生骨料表面狀態(tài)及力學(xué)性能

對經(jīng)機械滾動修形工藝處理的再生骨料水洗，沖洗掉骨料表面黏附的灰塵，并對骨料顆粒進行控水晾干處理，當(dāng)再生骨料表面無多余水分，但表面仍然保持濕潤狀態(tài)時，將再生骨料與適量高標(biāo)號水泥砂漿進行攪拌混合，使水泥砂漿充分包裹在再生骨料表面，并將包裹好的再生骨料靜置 24 小時，使再生骨料表面少量的水分與水泥進行水化反應(yīng)，在再生骨料表面形成一層一定厚度的水泥石硬化層，增強再生骨料的強度，改善再生骨料表面顆粒形貌，使再生骨料顆粒整體強度提升，表面粗糙程度得到很好的改善，經(jīng)測定各項性能指標(biāo)如表3所示。

表3 預(yù)裹敷工藝處理后的再生骨料性能指標(biāo) %

通過機械滾動修形和預(yù)裹敷工藝處理，提高了再生骨料的可利用價值，滿足高強度透水混凝土的生產(chǎn)要求。

2.1.3 摻入適量礦物摻合料、外加劑，提高透水混凝土的性能

通過試驗研究分析礦渣、粉煤灰對再生骨料透水混凝土工作性能、力學(xué)性能的影響規(guī)律，添加 S95 及以上等級礦渣、Ⅰ級粉煤灰、微量天然乳膠粉，提升透水混凝土的抗壓強度，且保證其透水性、抗凍性滿足使用要求。

3 試驗試配

3.1 配制原則

為保證再生骨料透水混凝土的順利研制，本項目提出了如下配制原則：透水系數(shù)必須滿足設(shè)計要求，該條為基本原則須嚴格遵守。抗壓強度應(yīng)滿足設(shè)計要求，該條為基本原則須嚴格遵守。透水混凝土的工作性能應(yīng)滿足施工要求，要求手握抱團。配制應(yīng)有保證混凝土密實度及抗裂的措施。

3.2 配合比設(shè)計難點

根據(jù)以上配制原則，在本項目再生骨料透水混凝土配合比設(shè)計的難點有兩個：（1）如何保證透水混凝土的抗壓強度達到 20MPa 以上、透水系數(shù)達到 0.5mm/s以上，并以此選擇合適的原材料；（2）如何選擇確定礦物摻合料、外加劑摻量和水膠比，使再生骨料透水混凝土強度、滲透性、抗凍性達到最佳狀態(tài)。經(jīng)過查閱文獻和反復(fù)試驗最終選定以可再分散乳膠粉作為輔助膠結(jié)材料，Ⅰ級粉煤灰和 S95 礦渣作為礦物摻合料，篩選5～10mm 再生骨料來配制再生骨料透水混凝土。

3.3 再生骨料透水混凝土配合比設(shè)計

因為本透水混凝土的配合比設(shè)計所選用的再生骨料和乳膠粉在混凝土拌合物中表現(xiàn)的工作性能未知，因此根據(jù) CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》初步設(shè)計配合比并對透水混凝土進行試拌，對該混凝土拌合物的工作性能有一個初步的了解，作為配合比設(shè)計的依據(jù)。

3.3.1 再生骨料用量

單位體積骨料（粒徑為 5～10 mm）用量按式 (1) 計算：

式中：α——骨料修正系數(shù)，取 0.98；

ρG——骨料緊密堆積密度，為 1355kg/m3。

因此，骨料用量 WG取 1327kg/m3。

3.3.2 膠結(jié)料漿體積

膠結(jié)料漿體體積應(yīng)按式 (2) 計算：

式中：

γc——骨料緊密堆積孔隙率，為 30%；

Rvoid——設(shè)計孔隙率，為 11%～17%，取 15%。

經(jīng)計算，得膠結(jié)料漿體體積 Vp為 16.3%。

3.3.3 水膠比

具體水膠比應(yīng)根據(jù)試驗結(jié)果確定，控制范圍在25%～35%。考慮提高強度和保證孔隙率，暫定水膠比RW/C為 25%、28%、31%。

3.3.4 水泥用量

水泥用量應(yīng)按式 (3) 計算：

式中：ρc——水泥密度，為 3150kg/m3。

3.3.5 用水量

根據(jù)水膠比和水泥用量可計算出透水混凝土中用水量 WW。

3.3.6 外加劑用量

外加劑用量暫定建議使用量（膠凝材料用量的2%）。

通過上述計算，可得出再生骨料粒徑為 5～10mm的初始透水混凝土配合比的水膠比為 25%，采用每立方米透水混凝土中各種材料的用量表示，如表4 中 A 所示，而表4 中 B、C 分別為水膠比 28% 和 31% 對應(yīng)的配合比。通過表4 配合比進行混凝土制備，檢測混凝性能，結(jié)果列于表4（混凝土養(yǎng)護條件為標(biāo)養(yǎng)，成型方式為振動成型）。

表4 透水混凝土的配合比及性能表

配合比 A 透水混凝土狀態(tài)及和易性較差，水泥未能均勻包裹骨料，試塊透水系數(shù)和抗壓強度滿足施工要求，但抗凍性差；配合比 B 透水混凝土狀態(tài)和易性良好，水泥均勻包裹骨料，適量振動不發(fā)生離析，試塊透水系數(shù)和抗壓強度滿足施工要求，同樣抗凍性較差；配合比 C 透水混凝土和易性較好，振動過程中易離析，試塊透水系數(shù)滿足施工要求，但抗壓強度和抗凍性低于設(shè)計要求。根據(jù)透水混凝土所要求的孔隙結(jié)構(gòu)特征，骨料顆粒表面由一層薄的水泥漿包裹，顆粒之間密實后通過水泥漿粘接起來構(gòu)成一個整體，形成特殊的連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)和一定的強度。從配合比 A、B、C 試拌的混凝土性能可以看出，隨著水膠比的增大，透水系數(shù)先增大后減小，這是因為水膠比偏小，水泥漿體填充了骨料間形成的孔隙，而水膠比偏大時，水泥漿多聚集沉積到透水混凝土的底部從而將底部孔隙堵塞，因此對于特定的骨料，透水混凝土存在最佳水膠比，使得自身透水性能最優(yōu)。水膠比對多孔透水混凝土力學(xué)性能的影響不同于對普通混凝土，隨著水膠比的下降，多孔透水混凝土的抗壓強度變化不明顯，這主要與水泥漿在混凝土中分布不均勻、混凝土中顆粒粘接強度不足有關(guān)。盡管配合比 A和 B 配制透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能均滿足施工要求，但從低碳環(huán)保、突出透水特點和節(jié)約生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，配合比 B 配制的混凝土滿足力學(xué)性能的同時水泥用量較少，且透水性能更優(yōu)。

采用粒徑為 5～10mm 再生骨料配制的透水混凝土，其透水系數(shù)遠超設(shè)計要求，最大達到了 2.7mm/s；而抗壓強度普遍偏小，最大僅為 23MPa。因此，考慮到混凝土強度和生產(chǎn)成本，選擇粒徑更小的再生骨料來提高混凝土密實度，探索在滿足基本透水要求的情況下透水混凝土的最大強度。

通過配合比計算可得出再生骨料粒徑為 2.4～5mm的初始透水混凝土配合比，即表5 中 A1 所示，而表5中 B1、C1 分別為水膠比 28% 和 31% 對應(yīng)的配合比。通過表5 配合比進行混凝土制備，檢測混凝土性能結(jié)果列于表5（混凝土養(yǎng)護條件為標(biāo)養(yǎng)，成型方式為振動成型）。

配合比 A1 透水混凝土狀態(tài)及和易性較差，水泥分布不均勻，試塊抗壓強度滿足施工要求，但透水系數(shù)較低，不滿足施工要求；配合比 B1 透水混凝土狀態(tài)及和易性良好，水泥均勻包裹骨料，手握能抱團，適量振動不發(fā)生離析，試塊透水系數(shù)和抗壓強度滿足施工要求；配合比 C1 透水混凝土和易性較好，但手握不能成團，振動過程中易跑漿露底，試塊抗壓強度和透水系數(shù)滿足施工要求。隨著水膠比的增大，抗壓強度明顯下降，這是由于較小粒徑的骨料具有更高的比表面積，使得顆粒間的粘接面積變大，因而水膠比對強度的影響直接反映在試塊的抗壓強度上。從表4 和表5 可以看出，與粗骨料粒徑為 5～10mm 配制的透水混凝土相比，骨料粒徑降低明顯提高了透水混凝土的抗壓強度，當(dāng)然密實度的增加也影響了孔隙率，導(dǎo)致透水性能變差。盡管配合比B1 和 C1 配制透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能均滿足施工要求，但 C1 配制的透水混凝土抗壓強度為臨界值，大面積應(yīng)用時存在強度不足的隱患。

通過對不同再生骨料粒徑和水膠比對透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)的試驗研究，研制出兩種不同特色的透水混凝土：一種是滿足基本力學(xué)性能但是透水性能優(yōu)異的再生骨料透水混凝土，抗壓強度為 21.4MPa、透水系數(shù)高達 2.7mm/s，配合比見 B；另一種則是滿足基本透水性能但是力學(xué)性能較優(yōu)的再生骨料透水混凝土，抗壓強度高達 24.4 MPa、透水系數(shù)為 0.6mm/s，配合比見B1。從低碳環(huán)保和節(jié)約生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，配合比B1 的水泥用量相對較少，對于透水性能要求不高的情況下可優(yōu)先使用 B1 透水混凝土；從透水特色和透水持久性的角度出發(fā)，配合比 B 配制的混凝土孔隙更大，透水效率更高且使用過程中孔隙不易堵塞，因而其應(yīng)用前景更加廣泛。

表5 再生骨料透水混凝土的配合比及性能表

盡管配合比 B 和 B1 配制透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能均滿足施工要求，但其抗凍性較差，抗凍等級均為 D15，僅能適用于冬季無凍融天氣的南方區(qū)域，無法適用北方多凍融天氣的區(qū)域。因此，還需要在此基礎(chǔ)上對再生骨料透水混凝土的抗凍性能進行改善。選擇配合比 B 作為基準配合比進行抗凍性研究。嘗試在配合比中添加乳膠粉，以便改善混凝土內(nèi)聚力和憎水性，提高再生骨料透水混凝土的抗凍性，配合比及其性能如表6 所示。可知，適當(dāng)提高乳膠粉摻量能夠改善透水混凝土憎水性、降低混凝土內(nèi)部毛細孔吸水性，使得透水混凝土的抗凍性能有所提高。當(dāng)乳膠粉摻量為 1.5% 時，透水混凝土的抗凍等級由 D15 提高到 D25，達到了施工要求，但乳膠粉摻量與抗凍性的關(guān)系并非是正相關(guān)的，過多摻入乳膠粉并沒有提高透水混凝土抗凍等級。根據(jù)試驗結(jié)果，認為摻加適量乳膠粉同樣可以提高配合比 B1 配制的透水混凝土抗凍性能，該方法生產(chǎn)的透水混凝土滿足多凍融天氣地區(qū)的使用。

表6 基準和試驗配合比及其拌合物性能表

將不同摻量乳膠粉對應(yīng)再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)和抗壓強度繪制成曲線，如圖1 所示。從圖中可以看出，隨著乳膠粉摻量的增加，混凝土透水系數(shù)先降低隨后趨于穩(wěn)定，說明過量摻入乳膠粉不會影響混凝土透水性，乳膠粉摻量對混凝土透水性的改善作用不明顯。而乳膠粉摻量存在一個最佳值，使得混凝土抗壓強度最大，達到 24.2MPa，低于或高于這個摻量時混凝土抗壓強度均會下降。由于乳膠粉在拌合物中遇水可分散成膜，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有一定的膠結(jié)作用，因而適量添加乳膠粉可提高拌合物強度。對于過度摻加乳膠粉會出現(xiàn)的強度下降問題，是由于部分乳膠粉在潮濕養(yǎng)護環(huán)境中未完全膠結(jié)或乳膠粉成膜后在混凝土內(nèi)部形成較多界面，削弱了水泥膠結(jié)效果。

圖1 不同摻量乳膠粉對透水混凝土透水系數(shù)和抗壓強度的影響折線圖

通過上述試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，按照配合比 F 拌制的透水混凝土力學(xué)性能、透水性能和抗凍性能較優(yōu)，不僅滿足施工要求，而且生產(chǎn)成本相對較低，因此選擇配合比 F作為施工用再生骨料透水混凝土配合比。

4 施工工藝

4.1 再生骨料透水混凝土的生產(chǎn)

（1）本項目通過對再生骨料進行機械滾動修形處理，使其壓碎指標(biāo)≤12%，針片狀顆粒≤5%，孔隙率≤40%。滿足再生骨料透水混凝土生產(chǎn)的要求。

（2）采用預(yù)裹敷工藝，提高再生骨料表面狀態(tài)及力學(xué)性能。再生骨料堅固性＜10%，表觀密度＞2400kg/m3，堆積密度＞1350kg/m3，滿足高強度透水混凝土的生產(chǎn)要求。

（3）采用水泥裹石法攪拌工藝。再生骨料透水混凝土拌合時拌合料偏干，拌合均勻性一直是影響透水混凝土生產(chǎn)質(zhì)量的問題。一次性加入攪拌法投料操作簡便、攪拌時間短，但是攪拌均勻性最差，常出現(xiàn)骨料表面未完全包裹水泥漿的現(xiàn)象；水泥裹石法能顯著提高材料攪拌的均勻性、保證骨料表面包裹一層水泥漿體，試驗效果最佳，只是攪拌用時相對較多，本項目中采用此方法進行生產(chǎn)。圖2 為透水混凝土的生產(chǎn)工藝流程圖。

圖2 再生骨料透水混凝土生產(chǎn)工藝流程圖

4.2 透水混凝土的施工

施工前應(yīng)對表面做清潔處理，確保表面清潔、粗糙、無積水，但需用水濕潤，原因是透水性混凝土中的攪拌水量有限，如果路基材料再吸收其中部分拌合水，就會加速水泥凝結(jié)，減少用于路面澆筑、振搗、壓實和接封的時間，并且快速失水會減弱骨料間的黏結(jié)強度。

再生骨料透水混凝土拌合物應(yīng)攤鋪均勻，平整度與排水坡度應(yīng)符合要求，攤鋪厚度應(yīng)考慮松鋪系數(shù)（松鋪系數(shù)一般可設(shè)定為 1.1）。再生骨料透水混凝土中的水泥漿量有限，只能包裹骨料顆粒，在澆筑過程中不宜強烈振搗或夯實。采用高頻振動器會使混凝土過于密實而減少孔隙率、使水泥漿下沉而破壞混凝土的勻質(zhì)性，從而影響強度和透水效果，所以宜采用低幅低頻平板振動器，且同一位置振動時間不宜超過 10s。對于邊角等特殊區(qū)域可采用插搗法，確保混凝土密實。設(shè)計模板時可在窗臺下開設(shè)一個小口，以便伸進模板進行插搗。振搗以后，應(yīng)進一步采用實心鋼管或輕型壓路機壓實壓平透水混凝土拌合料，考慮到拌合物的稠度和周圍溫度等條件，可能需要多次輥壓。但應(yīng)注意，在輥壓前必須清理輥子并涂油，以防粘結(jié)骨料。整壓過程中應(yīng)該輔以人工找平，施工人員應(yīng)穿著減壓鞋進行攤鋪、整壓、找平操作。透水混凝土壓實后，宜使用木抹子對透水混凝土面層收面，必要時配合人工拍實。

4.3 再生骨料透水混凝土的養(yǎng)護

對于透水混凝土的養(yǎng)護非常關(guān)鍵，嚴格保證混凝土處于潮濕狀態(tài)。

（1）混凝土澆筑后，待表面收水后，表面及時覆蓋塑料薄膜，然后覆蓋一層濕草苫子。

（2）混凝土硬化后，放溫水養(yǎng)護，水深以不露底板混凝土表面為度，蓄水養(yǎng)護時間為 15 天。

（3）混凝土表面采取涂刷養(yǎng)護劑的方式養(yǎng)護。

（4）當(dāng)晝夜溫差較大或有暴雨天氣時，現(xiàn)場準備足夠的保溫材料，根據(jù)測溫監(jiān)控情況調(diào)整保溫層厚度。

5 效果檢查

本項目研發(fā)的再生骨料透水混凝土在海綿城市建設(shè)中的研究與應(yīng)用技術(shù)，采用了機械修形以及預(yù)包裹技術(shù)，解決了再生骨料顆粒形貌差、強度偏低的缺陷，并通過調(diào)整再生骨料透水混凝土配合比，優(yōu)化透水混凝土的各項性能，形成滿足強度等級的再生骨料透水混凝土配合比，提高透水混凝土的強度、透水性、抗凍性等，使其滿足在不同工程中的應(yīng)用，提高工程質(zhì)量，降低工程成本，促進建筑廢棄物的再生利用，并有效解決透水混凝土施工工藝復(fù)雜，施工質(zhì)量難以控制的缺點，促進了透水混凝土的發(fā)展與應(yīng)用。

本項目通過引入可再分散乳膠粉、優(yōu)化配合比等方式，研制出工作性能、力學(xué)性能、透水性能和抗凍性能相對均衡的透水混凝土，抗壓強度大于 20MPa、透水系數(shù)大于 0.5mm/s、抗凍等級達到 D25，該混凝土的實用性和經(jīng)濟性大大提高，尤其是滿足北方多凍融天氣地區(qū)的應(yīng)用。