水膠比對再生骨料透水混凝土性能的影響分析

陳守開，李炳林，蔣海峰，何啟東，郭 磊，楊 晴

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.河南省水環(huán)境模擬與治理重點實驗室，河南 鄭州 450045；3.河南省水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)院士工作站，河南 鄭州 450002)

0 引 言

建設(shè)海綿城市能夠提高雨水滲透率，從而緩解城市熱島效應(yīng)問題。海綿城市建設(shè)包括低影響開發(fā)與綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[1]，透水混凝土屬于綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是實現(xiàn)城市雨水徑流“滲、滯、凈、用、排”五大作用的必要條件之一[2]，但由于天然資源的日益缺乏，使得利用再生骨料制備透水混凝土的研究與應(yīng)用愈加廣泛。

利用再生骨料部分或完全替代天然骨料，制成的透水混凝土稱為再生骨料透水混凝土(Recycled aggregate pervious concrete，RAPC)，當前國內(nèi)外學(xué)者在這方面已有一定研究。薛冬杰等[3]研究了水灰比與養(yǎng)護齡期對再生骨料透水混凝土抗壓強度以及透水性能的影響，結(jié)果表明，隨著水灰比的增加，混凝土抗壓強度先增加后降低；孫家瑛等[4]研究了再生透水性混凝土的力學(xué)性能和耐久性能，并指出隨著骨料粒徑的增大或者骨灰比的提高，再生骨料透水混凝土強度降低，滲透性能增加；陳守開等[5]研究了內(nèi)摻粉煤灰與硅粉對再生骨料透水混凝土的力學(xué)與滲透性能的影響，結(jié)果表明，摻量20%的粉煤灰能提高骨料粒徑為4.75～9.5 mm制成的再生骨料透水混凝土強度，但降低孔隙率與透水系數(shù)，摻量6%的硅粉對再生骨料透水混凝土的改性效果不明顯；Yan等[6]研究了骨灰比、砂骨比、水灰比對再生骨料透水混凝土力學(xué)性能和透水系數(shù)的影響，結(jié)果表明，再生骨料透水混凝土強度隨骨灰比的增大而減小，隨砂骨比和水灰比的增大而增大，且透水系數(shù)的變化與力學(xué)性能相反；Rasiah等[7]通過摻高細度高爐礦渣進行再生骨料透水混凝土試驗研究，發(fā)現(xiàn)透水混凝土抗壓強度主要取決于孔隙率，隨孔隙率的增大而增大，且滲透系數(shù)與孔隙率不受骨料類型的影響。由此可知，目前有關(guān)水膠比對RAPC性能影響的研究還不系統(tǒng)，有待進一步完善。

本文以廢棄混凝土路面為再生骨料來源，通過RAPC的制備及其強度、孔隙率與滲透性能的試驗研究，并結(jié)合基于灰色關(guān)聯(lián)分析法和熵值法的綜合評價分析，研究水膠比對RAPC性能的影響規(guī)律及確定優(yōu)選配合比，為RAPC的設(shè)計和應(yīng)用提供理論支撐。

表1 粗骨料的基本性能指標

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

試驗采用豐瑞天博P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate，RCA)由C20廢棄混凝土路面經(jīng)顎式破碎機破碎，XSZ-73型單雙層兩用振篩機篩分后獲得10～20 mm粒徑的骨料，RCA性能按JGJ 53—1992《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標準及檢驗方法》進行測試，相關(guān)指標滿足GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，試驗結(jié)果見表1；天然粗骨料(Natural Coarse Aggregate，NCA)為天然碎石，骨料級配為10～20 mm，其基本性能見表1；粉煤灰為II級；水采用鄭州市自來水。

由表1可知，RCA的表觀密度和堆積密度均低于NCA，而其壓碎指標和含水率高于NCA，NCA泥塊含量是RCA的4.5倍，而RCA的10 min吸水率是NCA的4.6倍，吸水率遠小于規(guī)范GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》要求的3.0%，屬于Ⅰ類再生骨料，可不考慮附加用水量。

1.2 配合比設(shè)計

一般來說，透水混凝土水膠比的范圍為0.26～0.40[8，9]。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范及研究成果，擬定再生骨料透水混凝土的基準水膠比為0.30[3-9]，并設(shè)計1組天然骨料透水混凝土(Natural aggregate pervious concrete， NAPC)作為參考。以再生粗骨料制備透水混凝土，在保證用水量與骨料用量不變的前提下，設(shè)計5個梯度的水膠比系列，水膠比分別為0.24、0.27、0.30、0.33、0.36；以水膠比0.30為基準，設(shè)計4個梯度的定水膠比系列，粉煤灰摻量分別為5%、10%、15%、20%，共計9組試驗配合比，見表2，其中NAPC0.30表示水膠比為0.30的普通透水混凝土；RAPC0.24表示水膠比為0.24的再生骨料透水混凝土，其余水膠比配比編號與此類似；RAPC05F表示粉煤灰摻量為5%的再生骨料透水混凝土，其余摻量配比編號與此類似。

1.3 試驗方法

試件制備參照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》，采用SJD型單臥軸強制式混凝土攪拌機拌制，其中，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體1組，用于孔隙率和透水性能試驗；Φ100 mm×200 mm圓柱體2組，分別用于抗壓強度(1組)和劈裂抗拉強度試驗(1組)。每組包括3個試塊，取其平均值作為試驗結(jié)果。試件成型24 h后，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。

表2 試驗配合比

再生骨料透水混凝土抗壓與劈裂抗拉強度試驗方法均參照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》。連續(xù)孔隙率測試方法參照CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》；透水性能試驗采用定水頭法(200 mm)，參照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》。自制透水性能試驗裝置見圖1。

圖1 自制透水試驗裝置示意

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水膠比對RAPC的影響

2.1.1密度

水膠比與RAPC的密度ρ呈線性關(guān)系，如圖2所示，滿足ρ=2 118.61-1 036.4(W/B)。由圖2可知，在保證骨料用量與用水量不變的前提下，RAPC密度會隨著水膠比的增大而降低，且均比NAPC0.30的密度低，ρNACP0.30=1 961.78 kg/m3。

圖2 水膠比與密度

2.1.2強度

圖3 水膠比對強度的影響

圖3為水膠比對RAPC 28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響。由圖3可知，水膠比從0.24增加到0.36時，RAPC抗壓強度由10.70 MPa減小到5.67 MPa，滿足線性規(guī)律，且符合Bolomey公式形式[12]，這與普通混凝土的規(guī)律一致；RAPC劈裂抗拉強度也相應(yīng)減小，由2.10 MPa減小到1.44 MPa。

根據(jù)試驗結(jié)果，NAPC0.30的抗壓強度為6.89 MPa，比RAPC0.30的抗壓強度9.06 MPa低23.95%，NAPC0.30的劈裂抗拉強度為1.60 MPa，比RAPC0.30的劈裂抗拉強度1.75 MPa低8.57%。NAPC強度比RAPC強度低，其主要原因為：①RCA多棱角且表面粗糙，增強了骨料與水泥漿體的粘結(jié)性；②RCA的多孔隙特性[10-11]，以及高含水率(4.23%)，使得“內(nèi)養(yǎng)護”作用在養(yǎng)護期間充分發(fā)揮效應(yīng)，有利于RAPC強度的發(fā)展；③本試驗NCA泥塊含量比RCA高4.5倍，一定程度上影響NAPC的強度性能。

此外，由于透水混凝土的強度主要取決于骨料之間極薄水泥漿層與骨料的粘結(jié)性及粘結(jié)數(shù)量[13-15]，因此，也能從骨灰比及密度反映RAPC的強度特征。圖4為骨灰比對RAPC 28 d抗壓強度的影響。由圖4可知，在骨料用量不變的條件下，隨著骨灰比的增加，RAPC抗壓強度不斷降低，Cheng An等[16]也得出了相同的結(jié)論。

圖4 骨灰比與抗壓強度

2.1.3孔隙率與滲透系數(shù)

圖5為水膠比和骨灰比對RAPC孔隙率、滲透系數(shù)的影響。由圖5可知，隨著水膠比或骨灰比的增大，混凝土孔隙率與滲透系數(shù)保持同步增長的規(guī)律，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。因為骨灰比的大小直接決定骨料表面水泥漿層的厚薄程度、粘接面積以及骨料間的咬合作用，進而影響連通孔隙率的大小，故水膠比或骨灰比的增大，孔隙率越大，滲透系數(shù)也越大，且滿足如下關(guān)系：

圖5 骨灰比對孔隙率、滲透系數(shù)的影響

(1)

式中，Va為孔隙率V或滲透系數(shù)P；Vb為水膠比W/B或骨灰比A/C；a、b、c均為常數(shù)。

此外，變水膠比條件下，滲透系數(shù)隨孔隙率的增加而增大，二者呈指數(shù)關(guān)系(圖6)，這與NAPC的研究結(jié)果一致[17]，也和現(xiàn)有的RAPC研究結(jié)果保持一致[8，18-20]，即變水膠比條件下，孔隙率與滲透系數(shù)滿足如下關(guān)系：

P=e(aV-b)

(2)

式中，P為滲透系數(shù)；V為孔隙率；a、b為常數(shù)，與骨料類型、尺寸有關(guān)。

圖6 變水膠比條件下孔隙率與滲透系數(shù)

2.2 定水膠比對RAPC的影響

2.2.1密度及強度

圖7為粉煤灰摻量與RAPC密度、28 d強度關(guān)系。總體上，內(nèi)摻粉煤灰會使RAPC的密度、強度降低。由圖7可知，RAPC的密度先隨粉煤灰摻量的增加而減少，在粉煤灰摻量達到15%時，密度則呈現(xiàn)略微增加的趨勢。內(nèi)摻粉煤灰的定水膠比系列中，摻量為10%時(RAPC10F)，RAPC的強度最高，抗壓強度為6.45 MPa，劈裂抗拉強度為1.78 MPa。與RAPC0.30相比，RAPC10F抗壓強度減少了28.8%、劈裂抗拉強度增加了1.71%。這是由于內(nèi)摻粉煤灰等量替代水泥，水泥用量隨著粉煤灰摻量的增加相應(yīng)減少，而粉煤灰的火山灰效應(yīng)提高的強度值遠小于水泥用量減少導(dǎo)致的強度損失值。僅從強度方面考慮，建議粉煤灰摻量不超過10%為宜。

圖7 粉煤灰摻量與28 d混凝土的強度及密度

2.2.2孔隙率與滲透系數(shù)

圖8為粉煤灰摻量與孔隙率、滲透系數(shù)的關(guān)系。粉煤灰摻量為5%、10%、15%所對應(yīng)的孔隙率分別為28.12%、27.12%、26.93%，滲透系數(shù)分別為4.39、4.24、4.17 mm/s，相較RAPC0.30的孔隙率為19.05%、滲透系數(shù) 4.05 mm/s，摻粉煤灰后的混凝土孔隙率分別增加42.94%、42.36%、41.36%，對應(yīng)滲透系數(shù)分別提升8.40%、4.69%、2.96%。但摻入20%粉煤灰時，RAPC孔隙率只提升了9.66%(孔隙率 20.89%)，而滲透系數(shù)為3.99 mm/s，有所降低。這是由于粉煤灰的微集料效應(yīng)的填充效應(yīng)[21]，改變了透水混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，并減小孔徑以及降低孔隙率，隨著粉煤灰摻量的增大，RAPC孔隙率與滲透系數(shù)相應(yīng)降低。此外，內(nèi)摻適量粉煤灰的RAPC，其孔隙率與滲透系數(shù)高于不摻粉煤灰的RAPC。因此在考慮滲透性能的情況下，建議內(nèi)摻粉煤灰摻量不超過15%。

圖8 粉煤灰摻量與孔隙率、滲透系數(shù)

2.3 RAPC綜合評價分析

2.3.1綜合評價分析理論與方法

灰色關(guān)聯(lián)分析(Grey Relational Analysis， GRA)是一種多因素統(tǒng)計分析方法，其基本思想是判斷參考數(shù)列與比較數(shù)列幾何圖形的接近程度，依照接近程度得結(jié)論[22]。利用GRA能夠分析出各因素對結(jié)果的影響程度，也可運用GRA解決隨時間變化的綜合評價類問題。GRA用于混凝土領(lǐng)域也是一大研究熱點，于本田等[23]利用灰色關(guān)聯(lián)分析法研究粗骨料緊密空隙率、針片狀含量、壓碎指標值和破碎面占比等對混凝土強度和耐久性的影響。賀圖升等[24]利用GRA研究水膠比、骨灰比以及骨料級配對透水混凝土表觀密度、抗壓強度、孔隙率以及透水系數(shù)的影響程度。鮑學(xué)英等[25]選用GB/T25177—2010《混凝土用再生粗骨料》里的7個性能參數(shù)作為評價指標，以GRA進行再生骨料粗骨料的質(zhì)量優(yōu)選。另外在綜合評價中，指標權(quán)重的確定是一項重要環(huán)節(jié)，直接影響到評價結(jié)果的準確性[25]。指標權(quán)重的確定方法，分主觀賦權(quán)、客觀賦權(quán)和組合賦權(quán)3種[26]。為保證試驗結(jié)果的客觀性，本文采用客觀賦權(quán)里常用的熵值法。

(3)

這三個月，我?guī)е麄児浣?，吃吃喝喝、旅行，他們就像兩個小孩一樣全程跟著我，甚至怕在車來車往中走丟，他們不會用ATM取錢，不會交水電費，不會用滾筒洗衣機，不會用電腦智能高壓鍋，甚至不會開裝了小米盒子的電視。他們操著一口方言，不喜歡與人交流，害怕和外界接觸，甚至不敢坐公交車，也不知道怎么乘地鐵。

(4)

式中,ρ∈[0,1],ρ為分辨系數(shù)，作用在于提高ξi(k)之間的差異性，本次取ρ=0.5。

通過式(4)得到評價矩陣{E}，然后利用熵值法確定各個指標的權(quán)重。將{T1}通過進行標準化：

(5)

其中，正向指標取“+”，負向指標取“-”。

第i個指標的信息熵hi和熵權(quán)wi分別為

(6)

(7)

(8)

ri越接近1，則越接近理想最優(yōu)指標集。

2.3.2綜合評價指標確定

前面研究表明，水膠比、骨灰比以及密度是表征RAPC強度和透水性的主要關(guān)聯(lián)因素，因此選定這3個作為綜合評價指標；對于透水混凝土而言，力學(xué)性能是保證其正常工作的必要條件，其中拉壓比是衡量水泥基復(fù)合材料脆性的一個重要指標，拉壓比越小，脆性越大[27]；另一方面，滲透系數(shù)與孔隙率直接相關(guān)，因此以兩者之間的比值(滲孔比)表征RAPC的滲透性能更為客觀；另外參照文獻[24，28]，水泥含量對透水混凝土強度的影響最為直接，再選定水泥含量作為評價指標。因此，一共設(shè)定水膠比、骨灰比、密度、拉壓比、滲孔比、水泥含量這6個性能指標作為RAPC的綜合評價指標。

2.3.3綜合評價分析結(jié)果

(9)

(10)

(11)

表3 綜合評價結(jié)果 %

通過熵值法確定的權(quán)重從大到小依次為拉壓比、滲孔比、骨灰比、密度、水膠比、水泥含量分別是23.36%、19.96%、19.02%、15.83%、11.24%、10.60%，滿足混凝土以力學(xué)性能為控制性指標的要求?；陟刂捣ǖ腉RA進行配合比綜合評價分析，綜合性能最佳的配合比為RAPC0.30。其中變水膠比系列里綜合評價結(jié)果最好的是RAPC0.30，即最佳水膠比為0.30；定水膠比系列中綜合評價結(jié)果最好的是RAPC05F，即摻粉煤灰的最佳摻量為5%。

3 結(jié) 論

本文利用廢棄混凝土路面經(jīng)破碎、篩分等工藝獲得再生骨料，并制備再生骨料透水混凝土，通過強度與滲透性能等試驗與規(guī)律分析，得出主要結(jié)論如下：

(1)水膠比是影響再生骨料透水混凝土強度的主要因素之一。其他條件不變的情況下，再生骨料透水混凝土水膠比與抗壓強度呈線性反相關(guān)關(guān)系，滿足fcu,k=19.75-37.53(W/C)(R2=0.88)，這與普通混凝土規(guī)律一致。本試驗水膠比從0.24增加到0.36，強度由10.70 MPa降到5.67 MPa；再生骨料透水混凝土骨灰比與抗壓強度呈線性反相關(guān)關(guān)系，滿足fcu,k=19.75-2.5(A/C)(R2=0.88)。

(2)再生骨料透水混凝土骨灰比與滲透系數(shù)呈線性正相關(guān)關(guān)系，即骨灰比越大，滲透性能越好，如骨灰比由3.60變?yōu)?.62，滲透系數(shù)由3.65 mm/s增加到4.49 mm/s，此外再生骨料透水混凝土滲透系數(shù)隨著孔隙率的增加而增大，滿足指數(shù)關(guān)系P=e(aV-b)。

(3)摻粉煤灰的定水膠比條件下，粉煤灰的摻入會降低再生骨料透水混凝土強度，但在適宜摻量下，能夠增加孔隙率與滲透系數(shù)，考慮綜合性能，摻粉煤灰量建議為5%。

(4)利用基于熵值法的灰色關(guān)聯(lián)分析法進行配合比綜合評價分析可知，熵值法確定的權(quán)重分配合理，其中拉壓比的權(quán)重最高為23.36%；不摻粉煤灰且水膠比為0.30的試驗配合比綜合評價結(jié)果最佳。