再生骨料透水混凝土抗壓強度及透水性能

王雅思，游 帆，鄭廣濤

(1. 福州大學土木工程學院, 福建 福州 350108； 2. 福建江夏學院工程學院, 福建 福州 350108； 3. 福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心, 福建 福州 350108)

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設的推進，新建建筑需要大量的砂石原材料, 但原材料已日益枯竭. 與此同時, 舊建筑拆除產(chǎn)生的大量廢棄建筑物[1]，對環(huán)境造成了極大的破壞. 再生骨料混凝土作為廢棄建筑物資源化利用的新興方式之一，引起了國內(nèi)外的廣泛關注. 但是，再生骨料表面附著老水泥砂漿和再破碎過程產(chǎn)生的裂隙使其吸水率和孔隙率較天然骨料高、 表觀密度小、 壓碎指標大[2]，使再生骨料混凝土性能較天然骨料混凝土差，影響了再生骨料混凝土的工程應用[3-4].

透水混凝土作為綠色混凝土，不含或少含細骨料，孔隙多、 透水、 透氣[5]，因此將其應用于市政道路上可吸聲降噪、 改善地表生態(tài)環(huán)境，減輕城市內(nèi)澇、 熱島效應等問題[6]. 已有研究表明，骨料粒徑與級配是影響透水混凝土性能的主要因素[7]，骨料強度的影響較小，采用再生骨料制備的透水混凝土性能基本能滿足要求，將再生骨料應用于透水性混凝土路面是廢棄建筑物資源化利用的有效途徑之一[8].

本文以再生骨料種類、 目標孔隙率為主要影響因素設計透水混凝土配合比，采用振動成型法、 插搗成型法制備透水混凝土，研究各影響因素對透水混凝土抗壓強度和透水性能的影響，為再生骨料在透水混凝土中的應用提供參考.

1 試驗設計

1.1 試驗原材料

試驗采用天然骨料NA、 再生骨料RA配制透水混凝土，如圖1所示. 其中RA共3類，RAa為2016年三明工業(yè)路(2005年建成)改造工程產(chǎn)生的廢棄混凝土； RAb、 RAc取自2012年福建省道三明尤溪路段(年代較久)改造工程，均由廢棄混凝土經(jīng)破碎、 篩分加工而成，破碎工藝采用先鄂破、 后反擊破、 最后圓錐破，RAa破碎之后還采用了水洗工藝去除粉塵.

圖1 試驗用骨料Fig.1 Experimental aggregates

試驗用水泥采用煉石牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度3 030 kg·m-3； 混凝土拌和用水采用福州市閩侯縣當?shù)刈詠硭?，符合《混凝土用水標?JGJ 63—2006)》要求[9]； 外加劑為廈門科之杰聚羧酸型高效減水劑，減水率為25%.

1.2 配合比設計

參照《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程(CJJT 135—2009)》[10]，采用體積法設計透水混凝土的配合比，考慮的主要因素為骨料種類、 混凝土目標孔隙率、 水灰比，設計目標孔隙率水平為15%、 18%、 22%，分別對應水灰比0.28、 0.31、 0.33，共計15組，如表1所示.

表1 透水混凝土配合比

續(xù)表1

注： NAPC表示采用天然骨料NA配制的透水混凝土； RAaPC表示采用再生骨料RAa配制的透水混凝土； RAbPC表示采用再生骨料RAb配制的透水混凝土； RAcPC表示采用再生骨料RAc配制的透水混凝土. NAPC-S系列采用振動成型法，其余均采用插搗成型法

1.3 成型及養(yǎng)護

透水混凝土的制備采用水泥裹石法[10]，先將全部骨料和50%的用水量加入單臥軸強制式攪拌機中預拌30 s，再加入水泥和外加劑攪拌40 s，形成膠凝材料均勻包裹骨料，最后將剩余的水加入攪拌機中攪拌90 s. 將攪拌均勻的混凝土拌合物分兩層裝入150 mm×150 mm×150 mm的試模中. 其中NAPC-S組試塊的成型方式為混凝土振實臺振動成型，其余試塊均為人工插搗成型. 試塊成型后，抹平表面，放于實驗室中24 h后脫模，置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護到28 d齡期測試其立方體抗壓強度fcu和滲透系數(shù).

1.4 滲透系數(shù)試驗方法

以定水頭條件下混凝土試塊豎向滲流速率來表現(xiàn)試塊的透水性能. 試驗采用自制的簡易透水裝置，該裝置為兩端開口的透明亞克力材質(zhì)圓柱體，內(nèi)徑104 mm，在側面固定測量用的刻度尺. 對試塊4個側面進行滾臘密封處理，保證水不往側面滲漏. 測試時，將透水裝置放于試塊上表面，采用橡皮泥密封透水裝置和試塊之間的縫隙. 往透水裝置中加水至固定高度，記錄水柱自然下降所需的時間，精確到0.01 s. 透水混凝土滲透系數(shù)的計算按下式計算：

(1)

式中：KS為滲透系數(shù)，cm·s-1；Q為透過材料試塊的水量，cm3；d為試塊厚度，cm；A為滲水面積，cm2；t為滲水時間，s；H為靜水壓力水頭，cm.

本試驗試塊大小皆為邊長150 mm的正方體，即試塊厚度d不變； 圓柱體的直徑固定為104 mm，即滲水面積A相等； 又因為采用固定水位高度測試，靜水壓力水頭H與Q相同，故公式簡化為：

(2)

式中：KS為滲透系數(shù)，mm·s-1； ΔS為定水位點至滲透面高度，mm；t為滲水時間，s.

2 試驗結果與分析

2.1 粗骨料基本性能試驗結果與分析

試驗用粗骨料的基本性能如表2所示.

表2 粗骨料的基本性能

由表2可知，本試驗用再生粗骨料的表觀密度、 堆積密度等性能與天然粗骨料相差不大，這主要是因為該批再生粗骨料來源于道路混凝土，雜質(zhì)含量較少，且為骨料生產(chǎn)廠家經(jīng)多次破碎工序所得，故骨料粒形較理想、 品質(zhì)較高. 但相比天然粗骨料，再生粗骨料仍然存在吸水率高、 壓碎指標較大的問題，這與其表面附著水泥砂漿多、 再破碎過程使骨料內(nèi)部微裂紋增多有關. 對比粒徑相同的RAa與RAb，RAa的吸水率僅為RAb的50.8%，這與RAa破碎后又經(jīng)歷了水洗工藝有關，從圖1中也可發(fā)現(xiàn)RAa細粉含量相對較少. 此外，從表2還可發(fā)現(xiàn)該批次NA的針片狀含量反而較高，粒形相對較差. 綜合各項性能指標，本試驗用再生骨料和天然骨料均符合《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程(CJJT 135—2009)》的要求[10].

2.2 成型方式對抗壓強度和滲透系數(shù)的影響

透水混凝土屬于干硬性混凝土，成型方式對其影響較大，振搗不均勻可能出現(xiàn)局部的水泥漿體堆積現(xiàn)象而堵塞孔隙通道和部分骨料未被水泥漿體充分包裹而影響骨料間粘結性能，影響混凝土的強度和滲透性[11]. 因此本文選擇了常用的插搗成型法和振動成型法研究成型方式對透水混凝土性能的影響，試驗結果如圖2所示，成型試塊如圖3所示.

圖2 成型方式對天然骨料透水混凝土強度的影響Fig.2 Influence of molding method on strength of pervious concrete with natural aggregate

圖3 天然骨料混凝土成型試塊Fig.3 Natural aggregate concrete specimen

由圖2可知，對于天然骨料透水混凝土，采用振動成型法制成的混凝土強度普遍較采用插搗成型法的高，這與已有研究結果一致. 分析其原因，振動成型法制備混凝土時振搗更均勻，使混凝土密實度較大，因而強度高.

由圖3可知，振動成型法制備的天然骨料透水混凝土底部水泥漿體堆積現(xiàn)象嚴重，試驗嘗試采用振動成型法制備再生骨料透水混凝土時, 發(fā)現(xiàn)混凝土底部漿體堆積現(xiàn)象亦如此甚至更為嚴重，這是因為機械振動使得部分水泥漿體下沉，堆積在試塊底部，這將堵塞透水通道，影響混凝土的透水性能. 測試NAPC-S系列混凝土透水系數(shù)時也發(fā)現(xiàn)該系列混凝土幾乎不透水，因此本文其他組混凝土均采用插搗成型法制備. 此外，從圖3中也可發(fā)現(xiàn)NAPC組混凝土底部也有水泥沉積現(xiàn)象，其滲透系數(shù)較小，這可能與試驗用NA粒形較差有關.

2.3 骨料種類對抗壓強度和滲透系數(shù)的影響

骨料種類對透水混凝土28 d立方體抗壓強度和滲透系數(shù)的影響如圖4所示. 由圖4(a)可知，天然骨料透水混凝土抗壓強度普遍比再生骨料混凝土大，這與再生骨料缺陷及再生骨料混凝土復雜且較薄弱的多重界面有關[4]. 對比幾組再生骨料透水混凝土，RAaPC表現(xiàn)出較好的力學性能，在目標孔隙率為15%，混凝土相對密實時，其抗壓強度甚至高于NAPC，這是因為原生混凝土強度高的再生骨料的品質(zhì)較好，且RAa細粉含量、 吸水率較低，因此品質(zhì)高的RAa制備的再生骨料透水混凝土具有較高的抗壓強度[12]. 原生混凝土來源相同的RAb和RAc，主要區(qū)別為骨料粒徑，RAcPC抗壓強度在混凝土目標孔隙率為15%、 18%、 22%時，分別比RAbPC降低了9.7%、 52.4%、 39.8%，降低幅度較大，這主要是因為透水混凝土的強度主要與水泥漿體的粘結強度以及粗骨料間的摩擦力和機械咬合力有關，過大的骨料粒徑使得骨料與水泥漿體的粘結面減少，同時骨料間的機械咬合力也減弱[13]，因此大粒徑粗骨料不適合用于配制透水混凝土. 此外，觀察透水混凝土立方體抗壓強度試件的破壞情況，不同于高強混凝土“穿越骨料”’的破壞形態(tài)，15組透水混凝土試件的破壞皆是因為粘結骨料間的水泥石碎裂，即骨料與水泥漿間的粘結作用破壞，因此，對于強度較低的透水混凝土，骨料本身的強度對其影響較小，但對于強度要求較高的混凝土，尚需進一步研究骨料強度的影響.

由圖4(b)可知，RAaPC組混凝土滲透系數(shù)較穩(wěn)定，隨著目標孔隙率的增加，滲透系數(shù)增加. RAbPC組混凝土在目標孔隙率為15%、 18%時滲透系數(shù)較小，分別為RAaPC的40.9%和38.1%，與兩組混凝土在抗壓強度上表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即由品質(zhì)較好的骨料配制的混凝土的性能也較好. 在目標孔隙率為22%時，RAbPC的抗壓強度和滲透系數(shù)反而都比RAaPC大，特別是滲透系數(shù)有了明顯的提高，分析其原因可能是該組RAbPC成型效果較好，使得骨料分布較合理，連通孔隙較多.

圖4 骨料種類對透水混凝土抗壓強度和滲透系數(shù)的影響

Fig.4 Influence of aggregate on compressive strength and permeability coefficient of pervious concrete

2.4 目標孔隙率對抗壓強度和滲透系數(shù)的影響

目標孔隙率對透水混凝土抗壓強度和滲透系數(shù)的影響如圖5所示. 由圖5(a)可知，隨著目標孔隙率的增大，各組混凝土的28 d立方體抗壓強度都隨之減小，這是由于目標孔隙率增大使得骨料和水泥漿體間的粘結力降低. 以RAaPC和RAbPC為例，目標孔隙率由15%增加到18%時，RAaPC和RAbPC的抗壓強度分別降低了39.5%、 19.4%，強度明顯降低； 而目標孔隙率由18%增加到22%時，混凝土抗壓強度降低幅度減緩，說明孔隙率增大到一定程度后，混凝土的抗壓強度值很小，孔隙率對透水混凝土的抗壓強度不起決定性作用.

由圖5(b)可知，隨著目標孔隙率的增大，混凝土的滲透系數(shù)隨之增大，這是因為孔隙率增大，使得混凝土內(nèi)部連通孔隙增多，混凝土的有效過水面積增大，提高了混凝土透水性能[14]. 綜合圖4～5可發(fā)現(xiàn)，目標孔隙率的增加提高透水混凝土滲透系數(shù)的同時降低了混凝土的抗壓強度，但影響的幅度不盡相同. 如何使透水混凝土在保證透水性能的同時提高其強度，這方面的研究有待于進一步開展.

圖5 目標孔隙率對透水混凝土抗壓強度和滲透系數(shù)的影響

Fig.5 Influence of porosity on compressive strength and permeability coefficient of pervious concrete

3 結語

1) 與天然粗骨料相比，再生粗骨料吸水率高、 壓碎指標大，這與其表面附著水泥砂漿多、 內(nèi)部微裂紋較多有關，但能滿足配制透水混凝土的性能指標要求.

2) 振動成型法制備的透水混凝土雖然強度較高，但機械振動更容易使水泥漿體下沉，振動成型法制備的透水混凝土底部水泥漿體堆積現(xiàn)象嚴重，因此本文采用插搗成型法制備透水混凝土.

3) 天然骨料透水混凝土抗壓強度普遍比再生骨料混凝土大. 品質(zhì)高的再生骨料制備的透水混凝土具有較高的抗壓強度和滲透系數(shù)，在目標孔隙率為15%，混凝土相對密實時，RAaPC抗壓強度可與天然骨料透水混凝土相當.

4) 隨著目標孔隙率的增大，骨料和水泥漿體間的粘結力降低，混凝土的抗壓強度隨之減??； 混凝土的滲透系數(shù)隨之增大.