再生骨料透水混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

湯 峰 劉保華 方 亮 杜于熙 周 鑫

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，湖南 長沙410128）

0 引言

近年來，我國每年產(chǎn)生約18億t的建筑垃圾，現(xiàn)階段的廢棄混凝土主要被直接填埋或棄置處理，總體的資源化利用率不足10%，遠(yuǎn)低于歐美國家的90%和日韓的95%。同時(shí)，我國的混凝土行業(yè)正以每年約50億t的速度消耗天然骨料[1]，由于長期對(duì)混凝土天然骨料的過度開采和消耗，導(dǎo)致天然骨料嚴(yán)重緊缺，所帶來的環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻。因此，對(duì)再生骨料的研究勢在必行。同時(shí)，由于許多城市因強(qiáng)降雨引發(fā)城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活，威脅城市安全。為有效解決市政人行道路面積水、城市內(nèi)澇等問題，推動(dòng)我國“海綿城市”的建設(shè)，透水混凝土的應(yīng)用越來越廣泛。因此，將建筑垃圾再生骨料完全取代天然骨料制備再生骨料透水混凝土，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和商業(yè)價(jià)值[2]。

本研究是利用不同強(qiáng)度等級(jí)、不同粒徑的廢棄混凝土，經(jīng)破碎、清洗、篩分等過程制成再生骨料，完全代替天然骨料，與水泥、水等拌合制成具有一定抗壓強(qiáng)度及透氣透水性的再生骨料透水混凝土。在試驗(yàn)過程中，對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的再生骨料進(jìn)行組合試驗(yàn)，以期設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于人行道的再生骨料透水混凝土，并根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求尋找廢棄混凝土的最佳配比，以有效地解決廢棄混凝土的污染和填埋問題。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 再生粗骨料

本次試驗(yàn)采用的再生粗骨料取自建筑廢棄混凝土，經(jīng)顎式破碎機(jī)和人工破碎后，并經(jīng)由方孔篩篩分成4.75～9.5mm和9.5～19mm兩組粒徑范圍，骨料表面經(jīng)過人工清洗晾干，去除表面雜質(zhì)，用于制備再生骨料透水混凝土，集料級(jí)配見表1。

表1 集料級(jí)配表

1.1.2 水泥和水

水泥選擇南方水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)拌和用水為實(shí)驗(yàn)室自來水。水泥的基本性能指標(biāo)見表2[3]。

表2 水泥的基本性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

再生骨料透水混凝土的基本性能指標(biāo)是透水性能，最大的影響因素為目標(biāo)孔隙率[4]，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先對(duì)目標(biāo)孔隙率進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)孔隙率分別為10%、15%、20%、25%，再生骨料的強(qiáng)度等級(jí)分別取C20、C30、C40及以50%的比例互相進(jìn)行摻和，共有6種組合，每組配合比下制備3個(gè)150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，參照《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 253-2016），再生骨料透水混凝土的水灰比介于0.25～0.35較優(yōu)，且水灰比稍作調(diào)整對(duì)強(qiáng)度提高的作用不明顯，試驗(yàn)采用水灰比為0.3，再生骨料由50%粒徑為4.75～9.5mm的再生骨料和50%粒徑為9.5～19mm的再生骨料組成，透水混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3 透水混凝土的制作與養(yǎng)護(hù)

采用水泥裹石法拌制混凝土，具體為先投放50%的水和所有粗骨料攪拌30s，然后投放剩余拌合水和水泥灰，攪拌90s，最后裝模，1d后脫模取樣，將再生骨料透水混凝土試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，控制溫度為20±2℃、相對(duì)濕度為95%以上，養(yǎng)護(hù)28d。

1.4 力學(xué)性能測試

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）規(guī)定，通過液壓式壓力機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下28d齡期的再生骨料透水混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的平均值[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響分析如表4所示。設(shè)計(jì)孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 設(shè)計(jì)孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

對(duì)表4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，在再生骨料強(qiáng)度等級(jí)組合相同的情況下，伴隨著目標(biāo)孔隙率的增加，水泥和水的用量減少，骨料之間的黏結(jié)力降低，再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。同時(shí)，由于試驗(yàn)中強(qiáng)度等級(jí)為C40的再生骨料在破碎時(shí)摻入了大量的雜質(zhì)，導(dǎo)致其組合的抗壓強(qiáng)度偏低。根據(jù)《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 253-2016）的規(guī)定，當(dāng)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到20MPa時(shí)，均可應(yīng)用于人行道路面鋪設(shè)，其中滿足要求的試驗(yàn)組合共有8組。試驗(yàn)結(jié)果顯示，再生骨料強(qiáng)度等級(jí)為C30、目標(biāo)孔隙率為10%的組合，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)[7]。如圖1所示，當(dāng)設(shè)計(jì)孔隙率由10%到15%時(shí)，以強(qiáng)度等級(jí)為C20、C30、C40、C20+C30、C20+C40、C30+C40再生骨料制備的再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度分別下降48.0%、41.7%、44.9%、8.6%、46.6%、40.4%；當(dāng)設(shè)計(jì)孔隙率由15%到20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別下降3.0%、10.4%、10.9%、10.8%、20.8%、18.3%；當(dāng)設(shè)計(jì)孔隙率由20%到25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別下降23.3%、19.9%、19.8%、27.7%、31.1%、26.9%。由圖1可知，以強(qiáng)度等級(jí)為C20+C30再生骨料制備的再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度基本呈線性變化，且伴隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增加，強(qiáng)度降低不明顯。

3 結(jié)束語

利用廢棄混凝土制備再生骨料代替天然骨料與水泥等拌合制成再生骨料透水混凝土，采用水泥裹石法制備24組試驗(yàn)樣品，研究再生骨料的強(qiáng)度等級(jí)、目標(biāo)孔隙率對(duì)再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，得到如下結(jié)論：

（1）隨著目標(biāo)孔隙率的增加，再生骨料顆粒間的膠結(jié)點(diǎn)數(shù)量和面積減少，再生骨料透水混凝土的28d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，建議將再生骨料透水混凝土的孔隙率控制在10%左右。

（2）在相同的目標(biāo)孔隙率下，與以單一強(qiáng)度等級(jí)再生骨料制備的再生骨料透水混凝土相比，以混合強(qiáng)度等級(jí)再生骨料制備的再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度偏低。

（3）綜合考慮抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響，試驗(yàn)得到的應(yīng)用于人行道路面的最佳配比為：再生骨料強(qiáng)度等級(jí)為C20+C30，骨料摻和比例各為50%，設(shè)計(jì)孔隙率為15%，水灰比為0.3，再生骨料由50%粒徑為4.75～9.5mm的再生骨料和50%粒徑為9.5～19mm的再生骨料組成，再生骨料透水混凝土的最優(yōu)配合比（kg/m3）為：m（再生骨料）：m（水泥）：m（水）=1357.04∶564.94∶169.88。根據(jù)此配合比制得的再生骨料透水混凝土兼具良好的抗壓強(qiáng)度和透水性能，抗壓強(qiáng)度為25.07MPa，符合《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 253-2016）的規(guī)定，可用于人行道路面鋪設(shè)。