混合型再生骨料制備透水混凝土的研究★

徐長偉，王新楠

(沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110168)

隨著我國城市規模的不斷擴大，每年大批既有建筑面臨拆除，由此產生體量巨大的建筑垃圾，據統計，2020年 我國建筑垃圾的產生量已達到6.5×109t[1]。將建筑垃圾進行回收利用有利于保護環境、節約資源、發展生態建筑。目前，城市建筑垃圾中往往同時存在廢棄混凝土和廢棄燒結磚，其中廢棄燒結磚占比約為30%～50%[2]。建筑垃圾破碎后得到的再生骨料多為燒結磚和混凝土的混合型再生骨料。國內學者圍繞再生磚混凝土骨料分離技術[3]、混合再生骨料的配制方法[4]和基本力學性能開展了相關研究工作[5-7]。

再生骨料透水混凝土將再生混凝土和透水混凝土兩者結合，既能將建筑垃圾回收利用，又能減少城市的積水，降低城市的噪聲和熱島效應，符合可持續發展的理念，并能廣泛應用于海綿城市建設，在社會與經濟效益方面具有重要價值[8-9]。

近年來，圍繞再生骨料透水混凝土開展的研究已取得一系列成果。孔隙率大、吸水率高、強度低等是再生骨料共有特性，也是使用時必須解決的問題，通常需要進行改性和強化，濕處理法是常用的提高再生骨料強度的有效方法。將再生骨料浸泡或者涂抹改性劑，可以黏合大部分再生骨料表面的裂紋和孔隙，或是通過化學方法，使改性劑與骨料膠結層中的物質反應，去除骨料表面的漿體層。張萍等學者的試驗研究發現10 mm～15 mm的粒徑試樣透水性最好，并且經過反復實驗，對比實驗數據，綜合考慮強度和透水率兩個指標，認為選擇粒徑比為(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)=1∶1的復合級配為最佳配合比[10]。

本文以廢棄混凝土和廢棄燒結磚構成的混合型再生骨料為研究對象，在對其性能進行分析的基礎上，研究混合型再生骨料水泥漿裹漿改性，確定水泥漿最佳水膠比。選用無機改性法強化混合型再生骨料，制備透水混凝土，并分析測試抗壓強度和透水系數，探究將混合型再生骨料用于制備透水混凝土的可行性[11-12]。

1 實驗方案

1.1 原材料

1)水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理性能見表1。

表1 水泥的物理性能

2)減水劑：萘系減水劑，化學名稱：β-萘磺酸鹽甲醛縮合物，型號：FDN-C(硫酸鈉的質量分數為18%)。

3)硅灰：物理性能見表2。

表2 硅灰的物理性能

4)水：自來水。

5)廢棄燒結磚再生粗骨料：取自葫蘆島興城南建筑垃圾破碎站，經篩分得到9.5 mm～16 mm粒徑的粗骨料，其物理性能見表3。

表3 廢棄燒結磚再生粗骨料的物理性能

6)廢棄混凝土再生粗骨料：取自葫蘆島興城南建筑垃圾破碎站，經篩分得到9.5 mm～16 mm粒徑的粗骨料，其物理性能見表4。

表4 廢棄混凝土再生粗骨料的物理性能

1.2 試驗方法

1)再生骨料表觀密度、堆積密度和24 h吸水率按照JG/T 568—2019高性能混凝土用骨料執行。

2)混合型再生骨料透水混凝土抗壓強度和透水系數按照CJJ/T 253—2016再生骨料透水混凝土應用技術規程執行。

3)混合型再生骨料的改性和強化：采用水泥漿裹漿法。首先按照設計比例將廢棄混凝土和廢棄燒結磚兩種再生骨料按比例混合，根據骨料量，確定水泥漿用量，水泥漿與再生骨料混合后，攪拌6 min至完全混合，標準養護7 d后使用。

1.3 透水混凝土配合比設計

1.3.1 設計原則和目標

設計目標孔隙率為16%，水灰比為0.30，采用粒徑為9.5 mm～16 mm的廢棄磚和廢棄混凝土混合型再生骨料，根據CJJ/T 253—2016再生骨料透水混凝土應用技術規程中再生骨料透水混凝土配合比設計。

1.3.2 未改性混合型再生骨料透水混凝土的配合比

以純廢棄燒結磚再生骨料、純廢棄混凝土再生骨料作為空白組，分別制作廢棄磚骨料與廢棄混凝土骨料比例為9∶1，8∶2，7∶3，6∶4，5∶5，4∶6，3∶7，2∶8,1∶9與對照組1(純廢棄磚骨料)、對照組2(純廢棄混凝土骨料)的透水混凝土試塊。不同比例構成的再生骨料對應的透水混凝土配合比見表5。

表5 再生骨料透水混凝土的配合比

1.3.3 改性混合型再生骨料透水混凝土的配合比

采用改性后的混合型再生骨料，試塊制備及測試方法與未改性再生骨料透水混凝土一致。不同比例構成的再生骨料對應的透水混凝土配合比見表6。

表6 改性混合型再生骨料透水混凝土的配合比

2 混合型再生骨料的改性研究

2.1 配比對混合型再生骨料性能的影響

制備再生混凝土能有效解決再生骨料的利用問題，但是再生骨料存在強度低、耐久性較差、吸水率和比表面積大、性質不穩定等問題，不能得到很好的應用，必須要經過改性處理。再生骨料的改性方式分為無機改性和有機改性兩種，無機改性即為水泥凈漿裹漿法，利用致密的水泥漿體將骨料表面的孔隙填充，有效提升骨料強度，降低吸水率。

選用粒徑為9.5 mm～16 mm的廢棄磚和廢棄混凝土再生骨料，并將兩種再生骨料經過清洗、篩分之后，按照一定的比例進行混合，測試物理力學性能，測試結果見表7。

表7 不同配比的混合型再生骨料物理力學性能測試結果

由表7可以看出，混合型再生骨料的表觀密度和堆積密度均隨著廢棄磚含量的降低而升高，吸水率隨著廢棄磚含量的降低而降低，強度隨著廢棄磚骨料含量的降低而提高，但均不能滿足CJJ/T 253—2016再生骨料透水混凝土應用技術規程要求，不能直接用于制備透水混凝土，須進行改性處理。

2.2 水泥漿裹漿改性再生骨料的研究

硅灰具有高的活性效應和微集料效應，能夠改善水泥石的孔結構，并有效填充再生骨料表面的孔隙和微裂紋，內摻5%的硅灰，減水劑1%，以水膠比(質量比)0.30，0.35，0.40，0.45，0.50拌制水泥漿體，漿體量為每1 kg再生骨料0.4 kg水泥漿，選用再生磚骨料∶再生混凝土骨料=1∶1的混合型再生骨料進行裹漿改性，裹漿后，水膠比對混合型再生骨料物理力學性能的影響見圖1～圖4。

由圖1,圖2可以看出，強化后，隨著摻有硅灰的膠凝材料漿體水膠比的增大，混合型再生骨料的表觀密度和堆積密度呈現出先增大后降低的趨勢，表觀密度最大時達到2 508.4 kg/m3，此時水膠比為0.4，較未經強化的增加3.6%，堆積密度亦在水膠比0.4時最大，達到1 087.3 kg/m3，這是因為水泥漿填充了再生骨料的微裂紋和孔隙，在骨料表面包裹一層薄的水泥漿體，致使表觀密度與堆積密度提升，而在水膠比達到0.4后，再生骨料表觀密度與堆積密度出現降低趨勢，并有裹漿脫落現象，難以達到預期裹漿效果，由此可以看出水膠比過大或過小均對裹漿效果不利，應探索最佳水膠比進行試驗。

由圖3可以看出，隨著摻有硅灰的膠凝材料漿體水膠比的增加，強化后混合型再生骨料吸水率先減小后增大，在水膠比(質量比)為0.45時吸水率最小，水泥漿在骨料表面包裹一層硬化的漿體，改善表面微裂紋和孔隙填充，降低吸水率，但隨著水膠比的進一步增大，使水泥漿內部孔隙增加，吸水率反而增大。

由圖4可以看出，隨著摻有硅灰的膠凝材料漿體水膠比的增加，強化后再生骨料壓碎值隨著水膠比的增大先減小后增大，但都低于未強化前壓碎值，分別降低了15.6%，16.8%，9.8%，6.3%，5.4%。在水膠比(質量比)為0.35時，再生骨料壓碎值降到最低，這是因為水泥漿體填充了再生骨料的微裂紋和孔隙，改善了孔隙結構，使其更加密實，但水膠比過大，使水泥石孔隙率增大，強度降低，強化效果變差，故此壓碎值當水膠比達到一定值后有所升高。

綜合強化后再生骨料的物理性能，宜選用水膠比(質量比)為0.35，摻有5%硅灰的漿體進行強化，并將強化后的混合型再生骨料制備透水混凝土。

3 混合型再生骨料透水混凝土性能的研究

3.1 混合型再生骨料透水混凝土抗壓強度的研究

將采用混合型再生骨料制備的透水混凝土進行抗壓強度測試，對比再生骨料強化前后制備的透水混凝土7 d,28 d抗壓強度，強化對混合型再生骨料透水混凝土7 d和28 d抗壓強度的影響見圖5，圖6。

由圖5,圖6可以看出，對于兩種再生骨料以不同比例混合得到的混合型再生骨料，經過強化后制備的透水混凝土強度均高于強化前，其中廢棄磚再生骨料∶廢棄混凝土再生骨料=1∶9組，7 d抗壓強度最多提高9.1%，強度達到27.3 MPa，廢棄磚再生骨料∶廢棄混凝土再生骨料=1∶9組，28 d抗壓強度最多提高13.7%，強度達到39.8 MPa。混合型再生骨料經過強化和未經強化，制備的透水混凝土7 d和28 d強度均隨著廢棄磚再生骨料含量的降低而升高。這是因為強化后混合型再生骨料自身強度得到提高，并且強化后新拌混凝土和易性得到改善，骨料堆積更加緊密，透水混凝土強度也隨之提升。此外，廢棄磚再生骨料的抗壓強度比廢棄混凝土再生骨料低，致使廢棄磚再生骨料含量越高，混合型再生骨料的強度越低。因此，從有利于提高透水混凝土的抗壓強度角度考慮，需降低混合型再生骨料中廢棄磚再生骨料的含量。

3.2 混合型再生骨料透水混凝土透水系數的研究

將標準養護28 d齡期的混合型再生骨料透水混凝土試塊采用透水系數測定儀測試透水系數，強化對混合型再生骨料透水混凝土透水系數的影響見圖7。

由圖7可以看出，改性后混合型再生骨料透水混凝土透水系數滿足CJJ/T 253—2016再生骨料透水混凝土應用技術規范要求的不低于0.5 mm/s，且透水系數隨著廢棄磚再生骨料比例的減小而降低，在兩種再生骨料比例相同的情況下，裹漿強化后的混合型再生骨料透水混凝土透水系數較未改性前有所降低，強化后純廢棄磚再生骨料制備的透水混凝土的透水系數達到3.3 mm/s。經過水泥漿裹漿強化后的再生骨料，孔隙結構得到改善，密實度提高，水通過再生骨料滲透困難，使透水系數減小。廢棄磚再生骨料的孔隙率大于廢棄混凝土再生骨料的孔隙率，經裹漿后同樣存在廢棄磚再生骨料孔隙率高的情況，由于水分子直徑遠小于骨料孔隙直徑，導致水分子從骨料的孔隙中滲透出去，所以廢棄磚再生骨料含量高的混合型再生骨料透水混凝土透水系數較大。

4 結論

1)隨著廢棄磚再生骨料比例的減少，混合型再生骨料的表觀密度和堆積密度增大，吸水率降低，壓碎指標增大，從有利于提高混合型再生骨料強度，降低吸水率的角度考慮，應盡可能降低廢棄磚再生骨料的含量。

2)采用摻加5%的硅灰，水膠比(質量比)為0.35的漿體對混合型再生骨料進行裹漿強化時，裹漿效果最好，強化后混合型再生骨料的表觀密度與堆積密度均隨著水膠比(質量比)的增加先增大后減小，在水膠比(質量比)為0.4時達到最大，吸水率先減小后增大，在水膠比為0.45時最小，壓碎指標先減小后增大，在水膠比為0.35時最小。

3)對于不同比例構成的混合型再生骨料，強化后制備的透水混凝土的7 d和28 d抗壓強度均有提高，其中廢棄磚再生骨料∶廢棄混凝土再生骨料為1∶9時，強化后7 d抗壓強度最多提高9.1%，強度達到27.3 MPa，28 d抗壓強度最多提高13.7%，達到39.8 MPa。

4)對于不同比例構成的混合型再生骨料，強化后制備的透水混凝土的透水系數較強化前有所降低，但均滿足CJJ/T 253—2016再生骨料透水混凝土應用技術規范中規定的不低于0.5 mm/s的要求，強化后純廢棄磚再生骨料制備的透水混凝土的透水系數最高，達到3.3 mm/s。