透水再生骨料混凝土研究進(jìn)展

陳尚權(quán)，高越青，梁超鋒,2，Raphael Desire，邵曉蓉

(1.紹興文理學(xué)院建筑工程系，紹興 312000；2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092)

0 引 言

城市化進(jìn)程中老舊建筑物的拆遷，自然災(zāi)害過后的損毀建筑，均導(dǎo)致大量建筑廢棄物生成，若不能合理有效處置，將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染與巨大的資源浪費(fèi)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明我國(guó)每年產(chǎn)生的建筑廢棄物產(chǎn)量達(dá)到12～24億噸，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到63.8億噸[1]。選擇填埋與露天放置建筑廢棄物，既污染土壤，更影響城市風(fēng)貌。加之我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，混凝土年平均生產(chǎn)量高達(dá)15～20億立方米，砂石骨料的需求量也超過100億噸[2]。我國(guó)優(yōu)質(zhì)的天然骨料呈現(xiàn)枯竭現(xiàn)象[3-4]，過度開采易破壞地區(qū)地質(zhì)情況，引發(fā)自然災(zāi)害。這迫使從建筑廢棄物中尋找可再利用的資源，既緩解砂石骨料的資源危機(jī)，同時(shí)減輕環(huán)境保護(hù)的壓力[5]。

傳統(tǒng)混凝土路面遇到長(zhǎng)時(shí)間降水會(huì)使路面積水，城市排水系統(tǒng)壓力劇增，易引發(fā)城市內(nèi)澇。不僅使路面結(jié)構(gòu)易遭受一定的破壞，增加道路維護(hù)費(fèi)用，還會(huì)擾亂城市正常的運(yùn)轉(zhuǎn)秩序，引發(fā)交通不暢。城市排水系統(tǒng)無法及時(shí)迅速排水，長(zhǎng)時(shí)間堆積在不透水路面上的雨水會(huì)將地表污染物帶入地下水中造成水污染。若雨水不能地下還原，更易引起地基下沉而造成混凝土建筑物開裂。另外，傳統(tǒng)的混凝土路面熱容量小，易快速吸收太陽輻射熱，促使城市出現(xiàn)熱島現(xiàn)象[6-7]。

透水再生骨料混凝土是基于透水混凝土選用再生骨料部分或全部置換天然骨料，使PRAC透水、透氣、導(dǎo)熱、吸聲性能得到改善[8]。西方發(fā)達(dá)國(guó)家和日本上世紀(jì)六七十年代后便已著手研制透水混凝土，在其組成材料、施工以及規(guī)范制定等方面都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[9]，而我國(guó)由于在這方面的研究起步較晚，在設(shè)計(jì)理念與施工工藝方面較之相對(duì)落后。為響應(yīng)國(guó)家“節(jié)能減排”、“可持續(xù)發(fā)展”、“海綿城市建設(shè)”等[10]號(hào)召，許多專家學(xué)者在透水混凝土的基礎(chǔ)上，開展了對(duì)PRAC強(qiáng)度、透水性與耐久性等方面的研究，并已取得較為豐碩的成果。

1 透水再生骨料混凝土力學(xué)性能

1.1 抗壓強(qiáng)度

1.1.1 水灰比與孔隙率的影響

水灰比對(duì)PRAC抗壓強(qiáng)度影響明顯,以下兩種情況均會(huì)對(duì)其強(qiáng)度不利[11]：水灰比偏大時(shí)，水泥漿體的流動(dòng)性提高，部分漿體因重力作用易在PRAC底部積聚導(dǎo)致骨料表面的漿膜厚度較薄，還會(huì)造成PRAC孔隙堵塞；水灰比偏小時(shí)，水泥漿體流動(dòng)性差難以包裹骨料，骨料間的粘結(jié)能力下降導(dǎo)致PRAC成型效果差。相關(guān)研究表明：再生磚骨料制備的PRAC的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨水灰比增加先升后降，合適的水灰比范圍為0.3～0.36[12]；再生混凝土骨料(RCA)制備的PRAC，合適的水灰比研究范圍為0.25～0.45[13-18]。

透水再生混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征會(huì)影響其整體強(qiáng)度，外荷載作用下的孔隙就成為了硬化水泥漿體的薄弱層[16]。因此，孔隙率的增加會(huì)導(dǎo)致PRAC的抗壓強(qiáng)度減小[12]。現(xiàn)有文獻(xiàn)的目標(biāo)孔隙率范圍主要集中在15%～30%[13,15,17-18]。

1.1.2 再生骨料粒徑的影響

圖1 再生骨料粒徑對(duì)PRAC抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of RA particle size on the compressive strength of PRAC

再生骨料粒徑大小的選擇對(duì)透水再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度有顯著影響，其粒徑的增大會(huì)降低PRAC抗壓強(qiáng)度[12,14,19]，如圖1所示。這是由于再生骨料粒徑增加，使得骨料間的接觸面積減少而降低骨料間機(jī)械咬合作用，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其表面水泥漿體的包裹程度不足及漿膜厚度較薄。

RCA粒徑分別為4.75～9.5 mm、9.5～12.5 mm、12.5～19 mm RCA粒徑的PRAC的抗壓強(qiáng)度都隨齡期增長(zhǎng)而增加；在相同水灰比與齡期條件下的PRAC抗壓強(qiáng)度隨RCA粒徑增加而降低[19]。粒徑為4.75～9.5 mm的RCA，在漿膜厚度為0.519 mm與水膠比為0.35時(shí)，制備的PRAC 28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了34.1 MPa[20]；粒徑為9.5～16 mm的RCA，制備的PRAC 28 d抗壓強(qiáng)度為10～20 MPa[21]。研究表明[18]，當(dāng)RCA粒徑為5～10 mm 時(shí)，目標(biāo)孔隙率為15%、水灰比為0.4與目標(biāo)孔隙率為20%、水灰比為0.45的PRAC綜合性能均良好；當(dāng)RCA粒徑為10～20 mm 時(shí)，目標(biāo)孔隙率25%、水灰比為0.4時(shí)PRAC綜合性能最好。

1.1.3 再生骨料取代率的影響

再生骨料取代率對(duì)PRAC抗壓強(qiáng)度的影響如表1所示,各位學(xué)者的研究結(jié)果并不一致。朱金春等[22]通過函數(shù)擬合得到RCA取代率為30%時(shí)，PRAC抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。取代率與粒級(jí)作為變化量時(shí)，30%取代率下PRAC抗壓強(qiáng)度增幅最大，雙粒級(jí)時(shí)抗壓強(qiáng)度可提高30%以上[23]。當(dāng)RCA取代率為30%，粒徑5～10 mm、水灰比為0.3和目標(biāo)孔隙率為15%時(shí)，PRAC抗壓強(qiáng)度接近普通混凝土[17]。Güneyisi等[24-25]選取四種取代率，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)摻入RCA會(huì)使PRAC抗壓強(qiáng)度下降，下降幅度達(dá)25%以上；Parasivamurthy等[26]測(cè)得摻入RCA后PRAC的抗壓強(qiáng)度降低了3%～11%。Zong等[27]選取30%、40%、50%的再生磚取代率，PRAC的抗壓強(qiáng)度分別下降了16%、27%、44%。張志權(quán)等[28]發(fā)現(xiàn)0%～40%的再生黏土磚取代率下，PRAC抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了4.7 MPa；40%～100%取代率時(shí)下降了9.4 MPa。因此，現(xiàn)有研究成果表明30%左右取代率的再生骨料不顯著降低甚至一定程度提高PRAC的抗壓強(qiáng)度。

表1 再生骨料取代率對(duì)PRAC抗壓強(qiáng)度的影響Table 1 Effect of RA replacement rate on the compressive strength of PRAC

注：PRAC抗壓強(qiáng)度的變化是相較于天然骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度而言。

1.1.4 再生骨料預(yù)處理的影響

Sharif等[29]采用環(huán)氧樹脂和固化劑對(duì)高溫后獲得的工程生物質(zhì)集料進(jìn)行包覆處理，PRAC標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度隨著其含量的增加而逐漸降低。王海超等[30]將洗后的骨料置于滲透結(jié)晶材料(分子結(jié)構(gòu)化學(xué)式為Ca(O-R-OH)2)溶液中浸泡，再生骨料的性能具有很大的改善，接近天然骨料性能，混凝土抗壓強(qiáng)度增加明顯，可用于制備PRAC。單摻2.5%水泥質(zhì)量的二氧化鈦或7%粗骨料質(zhì)量的砂，PRAC抗壓強(qiáng)度分別提高7%和19%；雙摻2.5%的二氧化鈦和7%的砂，PRAC抗壓強(qiáng)度提高28%[31]。

利用外摻超細(xì)礦物質(zhì)和界面改性劑等可改善RCA與水泥漿之間的界面薄弱區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度，從而保證PRAC的強(qiáng)度。在水泥漿體外摻10%硅粉后制備的PRAC的28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)28.8 MPa，90 d抗壓強(qiáng)度優(yōu)于普通透水混凝土[16]。

1.1.5 成型方式的影響

成型工藝對(duì)透水再生骨料混凝土的性能影響較大，合理選擇成型工藝至關(guān)重要。振動(dòng)成型時(shí)，PRAC抗壓強(qiáng)度會(huì)因振動(dòng)時(shí)間增加而先增后減[32]，最佳振動(dòng)時(shí)間為8～10 s[32-33]；壓力成型時(shí)，PRAC的抗壓強(qiáng)度會(huì)因成型壓力的增加而提高，成型壓力為1～2.5 MPa時(shí)，PRAC抗壓強(qiáng)度達(dá)到最佳[32-33]；插搗成型也可使PRAC獲得較高的抗壓強(qiáng)度[33]。

1.2 抗拉強(qiáng)度

纖維的摻入對(duì)于PRAC的抗拉強(qiáng)度影響顯著。加入聚丙烯纖維可以改善PRAC的抗拉強(qiáng)度[34-36]，加入硅粉和聚乙烯醇纖維后PRAC抗拉強(qiáng)度提高2.1倍[37]，而單摻0.6%聚丙烯纖維或0.4%碳纖維后均可提高PRAC的劈裂抗拉強(qiáng)度，且都呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)[38]。

Arifi等[39]用高吸水率且取代率為75%的RCA置換劣質(zhì)的天然骨料，并用25%粉煤灰取代水泥，PRAC的抗拉強(qiáng)度增加。加入細(xì)砂與粉煤灰可提高PRAC抗拉強(qiáng)度[40]；利用同粒徑范圍的再生骨料(混凝土與磚)與天然骨料，并摻入高鈣粉煤灰制備的PRAC抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系與普通透水混凝土一致[41]。

1.3 抗折強(qiáng)度

1.3.1 再生骨料取代率的影響

由于再生骨料表面附著一層硬化的水泥砂漿，導(dǎo)致再生骨料與新老砂漿界面間的粘結(jié)能力下降。因此，再生骨料取代率的提高會(huì)使PRAC的抗折強(qiáng)度明顯減小。RCA取代率分別為30%、40%與50%的PRAC，其抗折強(qiáng)度分別下降了16%、22%和33%[27]；RCA取代率分別為50%、100%的PRAC，其抗折強(qiáng)度分別下降了18.8%、41.2%[34]；再生磚骨料取代率從0%增加到100%后，PRAC抗折強(qiáng)度下降1.2 MPa，且當(dāng)取代率大于40%時(shí)，抗折強(qiáng)度下降趨勢(shì)更加顯著[28]。

1.3.2 粉煤灰與纖維的影響

當(dāng)粉煤灰超量取代水泥時(shí)，PRAC抗折強(qiáng)度因超量系數(shù)增加而增大，而超量系數(shù)大于1.4后效果不明顯[42]。分布均勻的聚丙烯纖維與水泥基復(fù)合材料包裹或填充再生骨料表面，增強(qiáng)了顆粒間的粘結(jié)作用，抵抗混凝土干縮引起的拉應(yīng)力，可顯著提高PRAC的抗折強(qiáng)度，纖維摻量在1.5%時(shí)PRAC的28 d抗折強(qiáng)度最高[43]。

2 透水再生骨料混凝土透水性能

2.1 再生骨料種類和摻量的影響

再生粗骨料的使用提高了混凝土的透水性能[11]，如表2所示。使用含粘土磚廢料的PRAC孔隙率高、基質(zhì)疏松，其透水性能提高，摻30%再生磚骨料的PRAC配合比更經(jīng)濟(jì)，效果最佳[27]。含浮石的PRAC表現(xiàn)出較高的透水性,而含再生蒸壓加氣混凝土再生骨料的PRAC透水系數(shù)為3.0～29.3 mm/s[44]。棕櫚油工業(yè)廢料替代粗骨料制成的輕質(zhì)PRAC具有高透水性，透水系數(shù)為3～15 mm/s[45]?？绽潆娀t渣配制的PRAC的透水系數(shù)要高于碎石混凝土，透水系數(shù)范圍在3～12 mm/s[46]。

含沸石、硅粉和玻璃纖維的PRAC因再生骨料摻量的增加導(dǎo)致其孔隙率增加，透水性能也隨之提高，透水系數(shù)為3～5 mm/s[47]；0%、15%、30%、60%、80%摻量下的PRAC透水性能隨摻量增加提高了14.4%～26.6%[48]。10 mm再生骨料與20 mm天然骨料組合制備的PRAC的透水性能優(yōu)于天然骨料透水混凝土，PRAC的透水系數(shù)[17]隨取代率的增加漲幅達(dá)30%～195%[49]。

表2 再生骨料種類與摻量對(duì)PRAC透水性能的影響Table 2 Effect of recycled aggregate types and content on the water permeability of PRAC

2.2 水灰比與孔隙率的影響

PRAC孔隙率與透水系數(shù)關(guān)系密切，而水灰比對(duì)孔隙率影響顯著[13,50]。這是因?yàn)樗酀{過多，PRAC無法形成貫穿孔隙，漿體中水過多也會(huì)在其試塊底部沉積封漿[18]，導(dǎo)致透水系數(shù)減小。孔隙率與透水系數(shù)成正比，當(dāng)實(shí)測(cè)孔隙率從13.4%上升到29.3%時(shí)，透水系數(shù)增長(zhǎng)了1.4倍[15]。

2.3 再生骨料粒徑的影響

再生骨料粒徑大小對(duì)PRAC透水系數(shù)影響顯著，粒徑增大使PRAC透水性能提高，這與普通透水混凝土的情況相近[14,50-53]。RCA粒徑為5～10 mm、水灰比0.3和目標(biāo)孔隙率15%時(shí)，透水系數(shù)超過5 mm/s[17]；水灰比為0.35～0.38時(shí)，由RCA粒徑4.75～9.5 mm、9.5～16 mm 和16～19 mm 制備的PRAC，其透水系數(shù)隨粒徑增加而線性增加[14]。當(dāng)目標(biāo)孔隙率分別為30%與40%且水灰比同為0.3與0.4時(shí)，PRAC透水系數(shù)都因RCA粒徑增加而先增后減再增；當(dāng)目標(biāo)孔隙率分別為30%和35%、水灰比為0.35時(shí)，PRAC透水系數(shù)隨RCA粒徑增大而先增后減[50]。用粒狀高爐礦渣代替部分天然粗骨料制備的PRAC，其透水性隨粒徑的增大而增加，且水灰比0.34時(shí)要優(yōu)于0.3[54]。

2.4 纖維與橡膠的影響

纖維有助于提升PRAC的抗拉強(qiáng)度，而對(duì)透水性能影響不明顯[36],可作混合料的潛在改進(jìn)成分而保持PRAC的透水性能[55-56]；但硅灰和丁苯膠乳對(duì)滲透指數(shù)影響顯著[32]。聚乙烯醇短纖維對(duì)PRAC具有顯著的增強(qiáng)作用，纖維含量在0.0%～1.5%之間時(shí)，PRAC具有良好的透水性[57]。

PRAC的透水性能隨橡膠顆粒摻量的增加而降低[58-59]，這是因?yàn)橄鹉z會(huì)填充PRAC的部分孔隙，阻礙內(nèi)部孔隙貫通。摻入3%、6%、9%橡膠顆粒的PRAC透水系數(shù)分別下降了5.4%、10.8%、17.9%[58]；摻入10%與20%的橡膠碎屑，PRAC透水系數(shù)分別降低了28%、68%，摻入10%的橡膠粉屑、20%的橡膠碎屑、20%的橡膠粉屑，PRAC透水速率從0.48 cm/s分別降到了0.13 cm/s、0.15 cm/s和0.18 cm/s[59]。

3 透水再生骨料混凝土耐久性能

透水混凝土在滿足力學(xué)性能與透水性能外，還需考慮其耐久性。再生骨料因受機(jī)械破碎和其表層老砂漿的影響而多空隙，故PRAC耐久性較天然骨料透水混凝土耐久性有所降低[60]，但在不同環(huán)境中呈現(xiàn)出的耐久性能也不盡相同。

3.1 耐磨性

再生粗骨料類型不同，對(duì)PRAC的沖擊磨損影響也不同；再生骨料取代率較低時(shí)，PRAC耐磨性能變化不大[61]，而RCA取代率為100%時(shí)，PRAC磨損損失在40%～55%之間[62]。橡膠含量為0%～20%時(shí)，PRAC磨損深度從0.91%降到0.17%；在10%與20%的取代率下，摻細(xì)橡膠粉的PRAC磨損率比普通混凝土分別降低59%和81%，而摻輪胎片則分別減少39%和58%，用輪胎屑和細(xì)膠粉制成的PRAC磨損深度低至0.18 mm[63]。摻入0.9%聚丙烯纖維的PRAC質(zhì)量損耗率較基準(zhǔn)混凝土降低41.2%，而摻0.4%碳纖維的PRAC質(zhì)量損耗率則降低29.4%[38]。

3.2 抗凍融破壞

再生骨料破碎的過程中會(huì)產(chǎn)生大量微裂紋，其內(nèi)部空隙增加會(huì)使骨料的吸水率增大，容易發(fā)生凍融破壞[64]。PRAC不宜長(zhǎng)期在凍融環(huán)境下使用，凍融循環(huán)100次后抗壓強(qiáng)度是標(biāo)養(yǎng)條件下抗壓強(qiáng)度的89%[65]。梁健等[66]發(fā)現(xiàn)PRAC凍融循環(huán)25次后，其質(zhì)量損失率小于5%；凍融循環(huán)150次后，PRAC出現(xiàn)凍融破壞。采用快凍法時(shí)，PRAC的動(dòng)彈性模量、抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降[67-68]。再生黏土磚骨料制備的PRAC凍融循環(huán)50次后，其強(qiáng)度損失率增加了12.1%，質(zhì)量損失率增加了6.2%；當(dāng)再生黏土磚骨料百分比而大于40%時(shí)質(zhì)量損失會(huì)加速增大[28]。橡膠透水混凝土凍融循環(huán)240次后，其質(zhì)量損失小于3.5%；凍融循環(huán)180次前，含10%橡膠的透水混凝土比含20%橡膠時(shí)的質(zhì)量損失高，凍融循環(huán)180次后質(zhì)量損失結(jié)果相反[63]。

3.3 抗硫酸侵蝕

處于硫酸環(huán)境中的PRAC質(zhì)量損失不明顯。以不飽和聚酯樹脂為粘結(jié)劑，再生粗骨料、粉煤灰和高爐爐渣為填料制備的PRAC，其在10%硫酸溶液中的減重率為1.17%～2.3%[69]。采用6 mm聚丙烯纖維的PRAC在H2SO4溶液中浸泡28 d，凍融循環(huán)300次后，PRAC未發(fā)生明顯的重量變化與相對(duì)動(dòng)態(tài)模量的下降[70]。

4 總結(jié)與展望

本文闡述了各因素對(duì)PRAC的力學(xué)性能、透水性能以及耐久性能的影響。已有文獻(xiàn)表明通過合理選擇水灰比和孔隙率、再生骨料取代率、種類和粒徑、骨料預(yù)處理強(qiáng)化以及在制備混凝土?xí)r選擇合適的外加劑等途徑可有效改善PRAC的綜合性能。

透水再生骨料混凝土是響應(yīng)“海綿城市”建設(shè)的研究熱點(diǎn)之一，今后研究可重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面：

(1)長(zhǎng)期使用中PRAC孔隙率和透水性能的演變。PRAC在長(zhǎng)期服役的過程中，由于表面磨損、自然碳化和裂化等原因?qū)⒃斐善銹RAC孔隙率減小甚至堵孔，進(jìn)而影響PRAC的透水性能?，F(xiàn)今對(duì)PRAC孔隙率和透水性能的時(shí)變研究甚少。

(2)多因素耦合作用下PRAC性能的裂化。PRAC在實(shí)際服役中往往會(huì)同時(shí)受應(yīng)力、凍融、碳化等共同作用，多因素耦合作用將加速PRAC性能裂化，出現(xiàn)強(qiáng)度退化、透水性減小及耐久性惡化等現(xiàn)象，致使PRAC無法滿足長(zhǎng)期服役的功能要求，故多因素耦合作用下PRAC性能裂化規(guī)律和機(jī)理值得深入研究。

(3)兼顧強(qiáng)度、透水和耐久性能的PRAC綜合性能的評(píng)價(jià)方法。運(yùn)用模糊理論、灰色關(guān)聯(lián)度及層次分析法等評(píng)價(jià)方法，可獲得兼顧PRAC強(qiáng)度、透水及耐久性能的最優(yōu)配合比。