再生骨料透水混凝土的性能及影響因素研究

王靖，劉欽焱，蔡鵬，陳洪，王文義，范杰

（貴州理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

0 引言

近年來，隨著建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的建筑廢棄物與工業(yè)廢渣，建筑垃圾的堆放不但造成了土地資源浪費(fèi)，且伴隨著產(chǎn)生各類的環(huán)境污染及社會(huì)公害。將建筑廢棄物進(jìn)行回收利用，作為再生骨料使用，可實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境綜合效益。因此，各國(guó)對(duì)建筑垃圾的再生利用都十分重視，相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了一系列研究[1-5]。

透水混凝土（Pervious Concrete）是由膠凝材料、粗骨料、少量細(xì)骨料、水、外加劑和礦物摻合料按照一定比例配制而成的多孔混凝土。透水混凝土特殊的多孔骨架結(jié)構(gòu)給予其一系列獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：如良好的滲透性能，能緩解道路排水壓力，改善城市熱島效應(yīng)；吸聲降噪性能明顯，能改善城市交通噪聲[6-10]。因此，透水混凝土能有效解決普通混凝土所帶來的一系列生態(tài)問題。

再生骨料透水混凝土充分利用了再生骨料和透水混凝土的功能優(yōu)勢(shì)，將再生骨料取代透水混凝土中天然骨料，不但能變廢為寶，還能有效改善城市環(huán)境。然而，影響再生骨料透水混凝土性能的因素很多，這些因素之間的關(guān)系也復(fù)雜，僅憑以往的經(jīng)驗(yàn)很難合理設(shè)計(jì)。為此，本文選取了目標(biāo)孔隙率、水灰比、砂率、硅灰摻量為主要因素，各因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，通過正交試驗(yàn)分析了各因素對(duì)再生骨料透水混凝土力學(xué)性能、透水性能、表觀密度的影響規(guī)律。此外，還分析了各性能與實(shí)測(cè)孔隙率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此為再生骨料透水混凝土的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：海螺牌P·O42.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求；水：自來水；細(xì)骨料：天然河砂，細(xì)度模數(shù)為3.0～2.3（中砂）；減水劑：河北星辰化工生產(chǎn)的高效聚羧酸減水劑，減水率21.5%；粗骨料：建筑廢棄混凝土，經(jīng)破碎、清洗、晾曬、篩分后，得到級(jí)配為5～20 mm的再生碎石骨料，基本性能如表1所示，符合GB/T 25177—2010《混凝上用再生粗骨料》中Ⅱ類用石的要求；硅灰：行唐鑫磊礦物粉體場(chǎng)生產(chǎn)的普通二氧化硅微粉，符合透水混凝上增強(qiáng)料技術(shù)要求，具體性能指標(biāo)如表2所示。

表1 再生粗骨料的基本性能指標(biāo)

表2 硅灰的主要性能指標(biāo)

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了分析配合比對(duì)再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、表觀密度的影響，綜合考慮了以下因素：目標(biāo)孔隙率、水灰比、砂率、硅灰摻量（按占膠凝材料總質(zhì)量計(jì)），采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并在基礎(chǔ)上按照體積法進(jìn)行各組分摻量的計(jì)算（共計(jì)9組，每組制作6個(gè)試塊），正交試驗(yàn)因素水平見表3，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及各組分摻量見表4。

表3 正交試驗(yàn)因素水平

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及各組分摻量

1.3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

再生骨料透水混凝土的制備按照水泥裹石法進(jìn)行，先將再生骨料和天然河砂按比例混合，并摻入50%的拌合水浸濕、攪拌120 s，骨料攪拌均勻后摻入水泥繼續(xù)攪拌60 s，之后加入剩余的拌和水?dāng)嚢?20 s，集料攪拌完成后立即裝入100 mm×100 mm×100mm的試模中進(jìn)行振搗、成型。成型后的試件用保鮮膜包好，以防止水分蒸發(fā)，之后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度95%]。試件成型1 d后拆模，然后繼續(xù)置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28d。

1.4 測(cè)試方法

抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，由于試塊的成型尺寸均為非標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸，故在計(jì)算抗壓強(qiáng)度時(shí)乘以0.95的換算系數(shù)。

表觀密度：采用體積法進(jìn)行測(cè)試，試件養(yǎng)護(hù)完成后，將其置于干燥空氣中靜置24 h（溫度30℃，相對(duì)濕度40%左右），使試件達(dá)到干燥狀態(tài)。之后采用電子天平和游標(biāo)卡尺測(cè)試試件質(zhì)量與體積，計(jì)算二者比值即為表觀密度。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組選取3個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試，取其平均值作為該組表觀密度測(cè)試結(jié)果。

實(shí)測(cè)孔隙率：采用游標(biāo)卡尺測(cè)量并計(jì)算試件體積V，之后將試件完全浸泡在清水中1 d，稱量水中試件的質(zhì)量m1。測(cè)試完成后將試件取出，置于60℃烘箱中烘至恒重，記錄質(zhì)量m2。按照式（1）計(jì)算再生骨料透水混凝土的實(shí)測(cè)孔隙率P：

透水系數(shù)：采用固定水頭法進(jìn)行測(cè)試，自制透水系數(shù)測(cè)試儀裝置示意如圖1所示。該裝置由上下兩端開口的透明塑料板長(zhǎng)柱組成，柱體量筒側(cè)面具有測(cè)量刻度。透水系數(shù)測(cè)試采用試件的非成型面作為2個(gè)透水面，以保證水流方向保持豎直。測(cè)試時(shí)將試件其余4面進(jìn)行蠟封處理，以保證水流流向固定。測(cè)試前在透水系數(shù)測(cè)試儀和試件之間的接縫處填入適量橡皮泥，以排除水流通過縫隙滲出造成的實(shí)驗(yàn)誤差。之后向量筒中注水，緩慢調(diào)節(jié)注水速度，待水面與上出水孔齊平時(shí)，保持注水速度不變，用容器從下出水孔量取一定時(shí)間之內(nèi)的溢出水，并記錄透水量Q。按式（2）計(jì)算透水系數(shù)K：

式中：K——透水系數(shù)，cm/s；Q——透水量，ml；L——試件高度，cm；H——水頭差，cm；A——透水面積，cm2；t——透水時(shí)間，s。

每組測(cè)試2個(gè)試件，每個(gè)試件在不同水頭高度下進(jìn)行4次透水時(shí)間測(cè)試，剔除最大、最小值后取平均值，以此作為該組的透水系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

圖1 透水系數(shù)測(cè)試儀裝置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞過程及破壞形態(tài)

再生骨料透水混凝土的破壞形式如圖2（a）所示，具體破壞斷面形態(tài)如圖2（b）所示。

圖2 再生骨料透水混凝土破壞形式及斷面形態(tài)

由試驗(yàn)過程可知，試件加載初期，由于加荷不大，試件受力較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)肉眼可觀察到的裂縫。隨著荷載的增大，試件內(nèi)部發(fā)出“咔、咔”的響聲，并伴隨著產(chǎn)生細(xì)微裂紋，且裂紋產(chǎn)生部位集中在試件邊角（應(yīng)力集中區(qū)域）。當(dāng)荷載進(jìn)一步增大時(shí)，裂紋逐步擴(kuò)張并趨于明顯，且試件左右兩側(cè)出現(xiàn)較大的鼓起現(xiàn)象。荷載繼續(xù)提高，裂紋不斷擴(kuò)張開展，并逐步與試件內(nèi)部孔隙連通，骨料顆粒隨之掉落，最終形成2條主要的豎向貫通裂縫，宣告試件破壞。通過對(duì)斷裂面的細(xì)致觀察可發(fā)現(xiàn)，再生骨料透水混凝土的斷裂模式基本表現(xiàn)為界面破壞，即骨料之間的水泥基材破碎脫落。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見表5，極差分析見表6。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 正交試驗(yàn)極差分析

2.2.1 實(shí)測(cè)孔隙率

由表5可知，試件的實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率二者間偏差不大，且各組實(shí)測(cè)孔隙率均略低于目標(biāo)孔隙率。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可歸結(jié)于再生骨料透水混凝土拌合成型過程中漿料的填充不可避免地形成部分封閉孔隙，至使有效孔隙降低（有效孔隙包括開口孔和半連通孔，不包含封閉孔）。水灰比、砂率、硅灰摻量等因素的改變對(duì)其實(shí)測(cè)孔隙率影響較小。

2.2.2 抗壓強(qiáng)度影響因素分析

由表6可知：（1）目標(biāo)孔隙率對(duì)試件抗壓強(qiáng)度影響最顯著，隨著目標(biāo)孔隙率的增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯降低，目標(biāo)孔隙率為25%的透水混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)于15%時(shí)降低了35.8%。（2）隨著水灰比的增大，透水混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先提高后降低的變化規(guī)律。這是因?yàn)?，水灰比小?.30時(shí)，未達(dá)到透水混凝土的水化反應(yīng)飽和用水量，水泥水化程度較低；超過飽和用水量后繼續(xù)增大水灰比至0.35，多余水分將殘留在水泥基體內(nèi)部，并隨著養(yǎng)護(hù)過程蒸發(fā)，殘留大量缺陷孔隙，使其抗壓強(qiáng)度明顯下降。（3）砂率的增大可增加粗骨料接觸點(diǎn)的數(shù)量，提高集料間的粘結(jié)力，使透水混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，抗壓強(qiáng)度有所提高，砂率從0.05增大到0.15的過程中，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了28.4%。（4）硅灰摻量對(duì)再生透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。

2.2.3 透水系數(shù)影響因素分析

由表6可知：（1）目標(biāo)孔隙率對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響遠(yuǎn)大于其它3個(gè)因素，目標(biāo)孔隙率由15%增大到25%時(shí)，試件的透水系數(shù)提高了112.7%，透水性能得到顯著增強(qiáng)。（2）透水系數(shù)隨水灰比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的特征，由此可判斷，再生骨料透水混凝土較為合適的水灰比為0.30。（3）細(xì)骨料（天然河砂）的摻入，將填充于混凝土內(nèi)部，使得部分有效透水孔轉(zhuǎn)化為封閉孔隙，從而使試件透水系數(shù)降低。砂率由0.05提高到0.15時(shí)，試件透水系數(shù)降低20.7%。（4）硅灰摻量對(duì)透水系數(shù)的影響不顯著。

2.2.4 表觀密度影響因素分析

由表6可知，4個(gè)因素中，目標(biāo)孔隙率對(duì)試件表觀密度影響最顯著，隨著目標(biāo)孔隙率的增大，透水混凝土的表觀密度呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)（透水混凝土內(nèi)部孔隙增多，密實(shí)度降低，密度減?。繕?biāo)孔隙率由15%增大到25%時(shí)，透水混凝土的表觀密度降低了7.07%。隨著砂率的增大，透水混凝土的表觀密度呈現(xiàn)出較為明顯的提高趨勢(shì)（細(xì)骨料填充于透水混凝土內(nèi)部，密實(shí)度提高，密度增大），砂率為0.15時(shí)再生骨料透水混凝土的表觀密度相對(duì)于砂率為0.05時(shí)增大了7.06%。水灰比和硅灰摻量2個(gè)因素對(duì)透水混凝土表觀密度的影響甚微。

3 抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、表觀密度與實(shí)測(cè)孔隙率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過極差分析可以明顯看出，4個(gè)因素中目標(biāo)孔隙率對(duì)再生骨料透水混凝土各項(xiàng)性能的影響均最為顯著。為了進(jìn)一步探討孔隙率與再生骨料透水混凝土性能之間關(guān)系，將實(shí)測(cè)孔隙率作為變化參數(shù)與各組試件抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、表觀密度等進(jìn)行綜合分析，對(duì)應(yīng)關(guān)系分別見圖3～圖5。

由圖3可見，再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與實(shí)測(cè)孔隙率間基本呈現(xiàn)出線性單調(diào)遞減關(guān)系，即孔隙率越高的情況下，試件內(nèi)部密實(shí)程度越低，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度越小。

圖3 試件抗壓強(qiáng)度與實(shí)測(cè)孔隙率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 試件透水系數(shù)與實(shí)測(cè)孔隙率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5 試件表觀密度與實(shí)測(cè)孔隙率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖4可見：再生骨料透水混凝土透水系數(shù)與實(shí)測(cè)孔隙率間呈現(xiàn)出明顯的線性遞增關(guān)系。即隨著孔隙率的增大，試件透水性能得到明顯增強(qiáng)。此外，各組再生透水混凝土的透水系數(shù)集中在0.72～2.13 cm/s，透水系數(shù)達(dá)到最大時(shí)基本能滿足公路路面排水要求（JTJ 018—97《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的孔隙率為20%時(shí)，透水系數(shù)要求達(dá)1.084 cm/s以上）。

由圖5可見，再生骨料透水混凝土的表觀密度隨實(shí)測(cè)孔隙率變化與抗壓強(qiáng)度相似，基本呈現(xiàn)出線性單調(diào)遞減關(guān)系，即孔隙率越大的情況下試件內(nèi)部密實(shí)程度越低，從而使得試件質(zhì)量越輕，表觀密度減小。

4 結(jié)論

（1）對(duì)再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、表觀密度影響最顯著的因素均為目標(biāo)孔隙率，隨目標(biāo)孔隙率的增大，試件抗壓強(qiáng)度、表觀密度有所降低，而其透水性能有較大提升。

（2）水灰比的改變對(duì)再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)有一定影響，且均呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律，水灰比為0.30時(shí)再生骨料透水混凝土具有較高的強(qiáng)度和透水性能。

（3）再生骨料透水混凝土實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)值偏差不大，且實(shí)測(cè)孔隙率均略低于目標(biāo)孔隙率。

（4）再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度、表觀密度隨實(shí)測(cè)孔隙率變化呈現(xiàn)出一定的線性遞減規(guī)律。

（5）再生骨料透水混凝土透水系數(shù)與實(shí)測(cè)孔隙率間呈明顯的線性遞增關(guān)系，試件透水系數(shù)集中在0.72～2.13 cm/s，透水系數(shù)達(dá)到最大時(shí)基本能滿足道路路面排水要求。