再生骨料透水混凝土研究進(jìn)展①

□□ 遲玉萌，秦 龍，胡廷鈺，楊晨熙，趙 麗

(吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 建筑節(jié)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130118)

引言

步入21世紀(jì)以來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，同時產(chǎn)生大量的建筑廢棄物。建筑廢棄物在我國城市垃圾總量中占40%左右[1]，每積聚1萬t的建筑廢棄物，就會侵占67 m2的土地，從而加劇我國土地資源的緊張，同時會占用農(nóng)用以及建設(shè)用地，損害民眾生活[2]。對于建筑廢棄物的有效解決方法是再生混凝土技術(shù)，其可以完成對建筑廢棄物的再利用問題，也可以緩解天然骨料日漸開采難的問題[3]。再生骨料透水混凝土是在此基礎(chǔ)上的創(chuàng)新和應(yīng)用。再生骨料透水混凝土(Recycled Aggregate Pervious Concrete，RAPC)是一種新型節(jié)能生態(tài)環(huán)保綠色混凝土。既可以促進(jìn)建筑廢棄物處理難問題，又能響應(yīng)國家對海綿城市建設(shè)的號召。

1 RAPC的簡介

1.1 RAPC的含義和分類

再生骨料(Recycled Aggregates，RA)是將建筑廢棄物中的混凝土或磚石經(jīng)機(jī)械破碎、篩分后混合成的一種骨料。一般來說，透水混凝土(Pervious Concrete,PC)是由水泥、骨料、水和外加劑拌和制成的一種多孔透水性混凝土。眾多學(xué)者通過研究和試驗(yàn)，結(jié)合再生骨料和透水混凝土的性能開發(fā)出了再生骨料透水混凝土(Recycled Aggregate Pervious Concrete，RAPC)，其不僅是兩者的結(jié)合，更多的是整合兩者的性能和應(yīng)用優(yōu)勢。RAPC具有環(huán)保、多孔、透水性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于透水路面上，可有效降低“熱島效應(yīng)”，緩解非透水路面導(dǎo)致的城市內(nèi)澇[4]。目前對再生骨料沒有準(zhǔn)確的分類方法，對此王奕仁等[5]將再生骨料歸為建筑垃圾、工業(yè)固體廢棄物、人造骨料及生活垃圾等。

1.2 RAPC的強(qiáng)化方式

RA是稍扁平形狀，尖角較多，帶有硬化水泥漿，且內(nèi)部存在微裂縫。其與天然骨料相較，性能指標(biāo)較差。但是以機(jī)械研磨、超聲波洗滌、濕處理法、碳化反應(yīng)等方式強(qiáng)化處理骨料，可改變骨料的品質(zhì)。RA的特性決定了RAPC的性能，所以強(qiáng)化RA的方式尤為重要。

杜婷等[6]用4種化學(xué)漿液對再生骨料強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)“水泥外摻Kim粉漿液”能夠基本保持骨料特性不變，明顯提高再生骨料的強(qiáng)度，從而使RAPC力學(xué)強(qiáng)度提高。范小平等[7]通過水泥外摻無機(jī)鋁鹽漿液以強(qiáng)化再生骨料，使RAPC強(qiáng)度得到較大提高，其強(qiáng)度達(dá)到33.1 MPa。應(yīng)敬偉等[8]制備一定濃度的CO2氣體碳化骨料，可顯著提高混凝土抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明RA經(jīng)過的物理強(qiáng)化次數(shù)越多，其配制混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度就越接近天然骨料混凝土[9]。WANG X F等[10]提出用結(jié)晶劑加固RCA砂漿層，顯著增加RCA的密度和水化硅酸鈣含量，改善了新舊界面的性能，且處理后的RCA加入再生骨料混凝土中可以使得28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高17.54%、28.89%。程海麗等[11]將再生骨料放入水玻璃溶液中，配制后的混凝土抗壓強(qiáng)度得到提高，且隨著濃度的提高，混凝土的抗凍性和抗腐蝕性也逐漸提高。張京波等[12]通過研究水泥裹漿法處理和丙烯酸鈣溶液分別浸泡再生骨料，利用其制備的透水混凝土，抗壓強(qiáng)度和孔隙率均有所提升。林航[13]設(shè)計不同濃度的水玻璃溶液強(qiáng)化再生骨料并制備透水磚，研究發(fā)現(xiàn)再生骨料經(jīng)過浸泡后，吸水率和壓碎指標(biāo)均得到較大改善，且強(qiáng)化后的再生骨料透水磚強(qiáng)度明顯提高，但是也降低了其透水性，最終得出濃度5%的水玻璃溶液效果最佳。

2 RAPC的基本力學(xué)性能研究

力學(xué)性能是混凝土的一項(xiàng)重要指標(biāo)，故研究RAPC力學(xué)性能的影響規(guī)律是必要的。RAPC有較多孔隙，具有良好的透水性，再生骨料之間是點(diǎn)膠結(jié)的方式，強(qiáng)度大小主要取決于點(diǎn)接觸的數(shù)量，所以在力學(xué)性能方面與天然透水混凝土有一定差距。

薛冬杰等[14]以化學(xué)漿液處理再生骨料，采用碾壓成型RAPC，研究RAPC抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明RAPC抗壓強(qiáng)度在水灰比0.41的情況下達(dá)到最高。在養(yǎng)護(hù)至90 d時，再生骨料在拌和中吸收的部分水隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行而釋放出來，形成了“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”，使RAPC抗壓強(qiáng)度高于天然混凝土。陳春等[15]開展了再生骨料替代率、級配、水灰比的研究。試驗(yàn)表明級配較小的28 d抗壓強(qiáng)度均高于較大的級配，隨著骨料摻量的增加，RAPC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸下降。袁漢卿等[16]設(shè)計了不同的粒徑組合，并參考以往試驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計，摻入粉煤灰，配制天然混凝土，得到了最佳粒徑組合。在此粒徑組合基礎(chǔ)上探討不同取代率、透水系數(shù)對RAPC的影響。結(jié)果表明取代率在0～70%變化，抗壓強(qiáng)度呈先增后減的變化，在50%時達(dá)到最大值，RAPC抗壓強(qiáng)度隨透水系數(shù)的增加呈先增后減。朱金春[17]設(shè)計100%替代率RA的RAPC，研究骨料粒徑、孔隙率、水膠比對RAPC的性能影響。利用層次、極差分析確定不同因素對RAPC性能影響的主次順序。結(jié)果表明提高RAPC的力學(xué)性能需根據(jù)各因素的影響權(quán)重確定，最終確定骨料粒徑為16～19 mm，設(shè)計孔隙率為20%、水膠比為0.3的最佳組合。王永海等[18]研究了孔隙率、聚丙烯纖維、聚合物乳液、顏料、無機(jī)增強(qiáng)料對RAPC力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示骨料的孔隙率越大，RAPC的28 d抗壓強(qiáng)度就越低。設(shè)計孔隙率為15%，RAPC的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到30.5 MPa，彎拉強(qiáng)度達(dá)3.7 MPa。RAPC摻入聚丙烯纖維的28 d抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度有顯著提高。顏料對RAPC的抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度影響不大。無機(jī)增強(qiáng)料可顯著提高RAPC的7 d和28 d抗壓、彎拉強(qiáng)度。聚合物乳液使RAPC的28 d抗壓強(qiáng)度明顯下降，但使28 d抗折強(qiáng)度有所提高。Zaetang Y等[19]研究了再生砌塊粗骨料(RBA)和不同替代率再生骨料制成的透水混凝土。結(jié)果表明RBA顯著提高了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，40%的RBA替換是最佳的，抗壓強(qiáng)度為17.0 MPa。由于RBA與水泥漿體之間的良好粘合，以及RBA顆粒在攪拌過程中的磨損和破碎而增加了漿體含量。RCA對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度提高較小。RCA替換水平為60%時最佳，抗壓強(qiáng)度為15.0 MPa。RBA透水混凝土的抗壓強(qiáng)度提高幅度明顯高于含RCA的透水混凝土。Aliabdo A等[20]開展了不同再生骨料摻量、骨料粒徑以及橡膠屑、橡膠纖維、聚丙烯纖維等對透水混凝土的性能影響。結(jié)果表明再生混凝土骨料會降低透水混凝土的新拌和硬化密度，替換率越高，抗壓和抗彎強(qiáng)度下降越嚴(yán)重。隨著骨料粒徑的減小，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較小的增幅。使用橡膠纖維、橡膠屑會降低透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。使用聚丙烯纖維會輕微降低透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，但會提高透水混凝土的彎曲抗拉強(qiáng)度。楊利香等[21]以單一級和級配再生骨料對RAPC的力學(xué)性能進(jìn)行研究表明，級配RAPC比單一級RAPC底部外觀形態(tài)更好，單一級RAPC隨著骨料粒徑增加，28 d抗壓強(qiáng)度先增加后減小，且在10～13.2 mm粒徑時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值15.1 MPa。隨著級配骨料的空隙率優(yōu)化，28 d抗壓強(qiáng)度也增大，由于級配骨料堆積密實(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度相對單一級RAPC有明顯提高。

3 RAPC的透水性和耐久性研究

從RAPC的綜合效益出發(fā)，RAPC擁有較為廣闊的前景。目前被應(yīng)用于生態(tài)公路防護(hù)、人行道砌塊、輕交通道路、非機(jī)動車道與停車場等。由此來看，RAPC的透水性和耐久性研究也十分重要。

王雅思等[22]以不同的目標(biāo)孔隙率、成型方法對RAPC的透水性進(jìn)行研究。結(jié)果表明采用插搗成型法制備最適合RAPC，骨料分布較合理，隨著目標(biāo)孔隙率的增加，28 d抗壓和抗折強(qiáng)度變得較低，但是其透水系數(shù)逐漸增大，透水性能越來越好。潘書才[23]設(shè)計以100%的再生骨料，采用單水平因素從骨料粒徑、塑膠顆粒、水膠比對RAPC的透水性進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著骨料粒徑的增加，透水性下降幅度不斷加快，且在塑膠顆粒達(dá)到一定數(shù)量后，透水性會趨于穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)隨著水膠比的增加，RAPC的抗壓強(qiáng)度會提高但透水性下降。張浩博等[24]開展了水灰比、骨料粒徑、砂率對RA摻量30%的RAPC透水性能的影響。結(jié)果表明有效孔隙率與透水系數(shù)兩者存在一定程度的線性相關(guān)，骨料較高的孔隙率提高了其透水混凝土有效孔隙形成的數(shù)量，有利于提高RAPC的透水性。El-Hassan H等[25]開展了天然骨料被0、10%、20%、40%、70%和100%的RCA替代，并加入礦粉，研究了RAPC的孔隙度、滲透率和力學(xué)性能等。結(jié)果表明隨著骨料置換率的增加，滲透系數(shù)逐漸增大，孔隙度越高的骨料，滲透系數(shù)增大的尤為明顯，透水性能明顯提高。在長時間暴露的情況下，這些毛孔中的大多數(shù)都會堵塞，所以模擬了20年內(nèi)堵塞情況。結(jié)果表明通過加壓水沖洗，滲透性可以恢復(fù)到可接受但較低的水平。RCA限制了透水混凝土滲透性的恢復(fù)，而礦渣則促進(jìn)了滲透性的恢復(fù)。尹志剛等[26]對替代率30%再生骨料的RAPC抗凍融循環(huán)進(jìn)行研究。結(jié)果表明孔隙率和透水系數(shù)都隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，而28 d抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加而逐漸降低。孫劍峰[27]開展了RAPC抗凍融循環(huán)研究，結(jié)果顯示保持凍融循環(huán)次數(shù)一致，在氯鹽情況下抗壓強(qiáng)度損失率最高，達(dá)到接近清水狀態(tài)的1.4倍，隨著次數(shù)的增加，RAPC的性能逐漸降低。由于RAPC應(yīng)用于城市透水路面鋪裝，郭磊等[28]利用聚丙烯、碳纖維改性RAPC的耐磨性能，結(jié)果表明摻入兩種纖維對RAPC的透水性提高不明顯，但是聚丙烯纖維能夠明顯增強(qiáng)RAPC整體力學(xué)性能和耐磨性能。

4 結(jié)語

國內(nèi)外對RAPC都有一定程度的研究但不夠完善，要使RAPC更加接近天然骨料透水混凝土性能并推廣應(yīng)用，還需要展開更加深入的研究，尤其是耐久性的試驗(yàn)和研究。首先目前RAPC強(qiáng)度普遍較天然透水混凝土低，主要是由于RA的特性問題，還應(yīng)加強(qiáng)RA強(qiáng)化方法的研究，并且尋找其抗壓強(qiáng)度和透水性的平衡點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上有效增強(qiáng)RAPC的耐久性，有效改善RAPC的基本性能。