再生骨料透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法探究

韋祝 黃劍鋒

摘要：由于《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CJJT 253—2016）中的再生骨料透水混凝土配合比設(shè)計(jì)仍存在不完善之處，文章針對再生骨料和膠凝材料用量，以及附加吸水量的計(jì)算方法，補(bǔ)充了計(jì)算公式，采用等量替代法、合成密度法計(jì)算再生骨料和膠凝材料用量，開展4組配合比設(shè)計(jì)，測定了7 d抗壓強(qiáng)度、有效孔隙率、透水系數(shù)和表觀密度，試驗(yàn)結(jié)果表明：骨料和膠凝材料均采用合成密度法設(shè)計(jì)出的再生骨料透水混凝土有效孔隙率最接近目標(biāo)孔隙率要求，膠凝材料密度取合成密度法、再生骨料等量替代法設(shè)計(jì)出的再生骨料透水混凝土透水系數(shù)最大，可為再生骨料透水混凝土配合比設(shè)計(jì)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；再生骨料；配合比設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU5；U416.217? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）03-0044-05

0 引言

當(dāng)前，我國大力提倡循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，基于此，持續(xù)提高資源利用率和再生資源利用水平迫在眉睫。廣西目前的資源利用率不高，大宗固體廢棄物綜合利用水平偏低。為此，《廣西循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十四五規(guī)劃”》提倡建筑垃圾再生利用［1］。再生骨料應(yīng)用于透水混凝土具有廣闊的市場前景，一方面可以實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化利用，另一方面也是推動海綿城市建設(shè)的重要途徑［2］。目前，我國再生骨料透水混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范還未完善［3］，限制了再生骨料透水混凝土的實(shí)際應(yīng)用。

《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）（CJJT253—2016）基本按照體積法進(jìn)行再生骨料透水混凝土配合比設(shè)計(jì)［4］。但《規(guī)程》對再生骨料和礦物摻合料的計(jì)算缺乏明確規(guī)定；同時(shí)，再生骨料存在高吸水率問題，《規(guī)程》也未交代計(jì)算附加吸水量的方法。為了能夠找到更好的設(shè)計(jì)方法，本文在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用等量替代法和合成密度法計(jì)算再生骨料和膠凝材料用量，采用附加水量法計(jì)算用水量，開展再生骨料透水混凝土配合比設(shè)計(jì)，探究不同的設(shè)計(jì)方案對再生骨料透水混凝土的物理、力學(xué)及透水性能的影響，以期拓寬再生骨料透水混凝土的工程應(yīng)用范圍。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥：“潤豐” P·O 42.5，密度為3.10 g/cm3；粗骨料：天然粗骨料（粒徑為4.75～9.50 mm）、石灰石；再生粗骨料由檢測公司混凝土破碎試塊再加工獲得，粒徑為4.75～9.50 mm（粗骨料物理指標(biāo)見表1、粗骨料顆粒級配見表2）；外摻料：Ⅱ級粉煤灰（密度為2.52 g/cm3）、礦渣微粉（密度為2.90 g/cm3）、加密硅灰（密度為2.13 g/cm3）； 增強(qiáng)劑：“蘇博特”透水混凝土增強(qiáng)劑（減水率為13%）。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

基于本項(xiàng)目前期研究成果，本配合比設(shè)計(jì)參數(shù)如下：目標(biāo)孔隙率為15%，水膠比為0.3，再生粗骨料摻量為30%，粉煤灰摻量為15%，礦渣微粉摻量為5%，硅灰摻量為8%，增強(qiáng)劑摻量為1.8%，以文獻(xiàn)［4］的配合比設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)開展設(shè)計(jì)。

1.3 設(shè)計(jì)步驟

1.3.1 計(jì)算粗骨料用量

因?yàn)橥杆炷翆儆诠羌芸障督Y(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)由骨料組成，漿體非常薄，骨料經(jīng)過振實(shí)后以緊密堆積狀態(tài)聚集，因此用骨料緊密堆積密度乘以撥開系數(shù)0.98，即可計(jì)算骨料單方用量?！兑?guī)程》給出的公式如下：

[mg=ρgb×α]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，[mg]為粗骨料質(zhì)量（kg/m?）；[α]為粗骨料撥開系數(shù)，取 0.98；[ρgb]為粗骨料緊密堆積密度（kg/m?）。

《規(guī)程》沒有給出具體的再生骨料質(zhì)量計(jì)算方法，本試驗(yàn)建議采用以下兩種計(jì)算方法。

（1）再生骨料等量替代法。先采用天然骨料緊密堆積密度計(jì)算骨料用量，再生骨料根據(jù)一定比例等質(zhì)量替代天然骨料用量。根據(jù)表1和上述配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，骨料用量[mg0=1 550×0.98=1 519 kg/m3]；再生骨料用量[mrg=1 519×0.3≈456 kg/m3]；天然骨料用量[mg=1 519×（1-0.3）≈1 063 kg/m3]。

（2）合成骨料密度法。由于添加了再生骨料，骨料密度發(fā)生改變，所以以合成密度計(jì)算骨料用量，可以借鑒文獻(xiàn)［5］計(jì)算合成粗骨料緊密堆積密度。

①合成粗骨料緊密堆積密度計(jì)算公式如下：

[ρcgb=1β/ρrgb+（1-β）/ρgb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中，[ρcgb]為合成粗骨料緊密堆積密度（kg/m?）；[ρrgb]為再生粗骨料緊密堆積密度（kg/m?）；[ρgb]為天然粗骨料緊密堆積密度（kg/m?）；[β]為再生粗骨料取代率（%）。

代入前述數(shù)據(jù)，則合成粗骨料緊密堆積密度[ρcgb=130%/1 340+（1-30%）/1 550≈1 480 kg/m3]。

②合成粗骨料質(zhì)量計(jì)算公式如下：

[mcg=ρcgb×α]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，[mcg]為合成粗骨料質(zhì)量（kg/m?）。代入數(shù)據(jù)可得合成粗骨料質(zhì)量[mcg=1 480×0.98≈1 450 kg/m3]。

③再生粗骨料質(zhì)量計(jì)算公式如下：

[mrg=mcg×β]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

其中，[mrg]為再生粗骨料質(zhì)量（kg/m?）。

代入數(shù)據(jù)可得再生粗骨料質(zhì)量[mrg=][1 450×30%=435 kg/m3]。

④天然粗骨料質(zhì)量計(jì)算公式如下：

[mg=mcg-mrg]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中，[mg]為天然粗骨料質(zhì)量（kg/m?），則天然粗骨料質(zhì)量[mg=1 450-435=1 015 kg/m3]。

1.3.2 計(jì)算膠凝材料漿體體積

體積法的基本原理是假設(shè)再生骨料透水混凝土體積為1 m3，根據(jù)骨料體積+漿體體積+孔隙體積=1 m3，得到漿體體積=1-骨料體積-目標(biāo)孔隙率。

（1）再生骨料等量替代法如下：

[vej=1-mgρga-rvoid]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

其中，[vej為等量替代法漿體體積（m3）]；[ρga]為天然粗骨料表觀密度（kg/m3）；[rvoid為目標(biāo)孔隙率（%）]。

（2）合成骨料密度法如下：

[vcj=1-mcgρcga-rvoid]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

其中，[vcj為合成密度法漿體體積（m3）]；[ρcga]為合成粗骨料表觀密度（kg/m3）。合成粗骨料表觀密度按照下式計(jì)算：

[ρcga=1β/ρrga+（1-β）/ρga]? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

其中，[ρrga為再生粗骨料表觀密度（kg/m3）]；[ρga]為天然粗骨料表觀密度（kg/m3）。將設(shè)計(jì)目標(biāo)孔隙率15%代入公式（7），分別采用等量替代法和合成密度法求得：等量替代法漿體體積[vej=1-（1 550×0.98）/2 730-0.15≈0.29 m3]；合成密度法漿體體積[vcj=1-（1 480×0.98）/2 693-0.15≈0.31 m3]。其中，合成骨料表觀密度[ρcga=]1/［（30%/2 610）+（1[-]30%）/2 730］≈[2 693 kg/m3]。

1.3.3 計(jì)算膠凝材料質(zhì)量

（1）漿體質(zhì)量。根據(jù)漿體質(zhì)量=漿體體積×漿體密度，《規(guī)程》給出以下公式：

[mj=（1-mgρg-rvoid）×ρj]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

其中，[mj]為膠凝材料漿體質(zhì)量（kg/m?）；[ρj] 為膠凝材料漿體密度（kg/m?）。

《規(guī)程》提出漿體密度按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》（JGJ/T70）進(jìn)行，而漿體密度與水膠比有關(guān)，需要實(shí)際測量，因此該步驟不夠簡便?；诖耍紤]以下方法。

①膠凝材料漿體理論密度計(jì)算公式如下。

[ρj=1+w/b（w/b）/ρw+1/ρb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

其中，[wb]為水膠比；[ρw]為水的密度（kg/m3），取1 000 kg/m3；[ρb]為膠凝材料的密度（kg/m3）。

已知水泥密度=3 100 kg/m3，水膠比為0.3，代入公式（10），得到漿體理論密度[ρj=]（1+0.3）/［（0.3/1 000）+（1/3 100）］[≈2 088 kg/m3]。本試驗(yàn)依據(jù)JGJ/T70對水膠比為0.3的水泥凈漿進(jìn)行密度測定，得到凈漿表觀密度為2 084 kg/m?，而根據(jù)公式（10）所得水泥凈漿理論密度為2 088 kg/m?，表明實(shí)測表觀密度和理論密度較為接近，故建議漿體密度可按公式（10）計(jì)算理論密度。

②取水泥密度計(jì)算漿體質(zhì)量。骨料等量替代法的漿體質(zhì)量[mj1] = [ρj×vje] = 2 088×0.29 [≈ ]606 kg/m3；骨料合成密度法的漿體質(zhì)量[mj2=ρj×vjc=2 088×0.31≈647 kg/m3]。

③取膠凝材料合成密度法計(jì)算漿體質(zhì)量計(jì)算如下。

若摻入礦物摻合料，膠凝材料理論密度：

[ρcb=1γ/ρf+（1-γ）/ρc]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

其中，[ρcb]為膠凝材料理論密度（kg/m3）；[ρf]為礦物摻合料密度（kg/m3）；[ρc]為水泥密度（kg/m3）；[γ]為礦物摻合料占膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。以設(shè)計(jì)摻量代入公式（11），則膠凝材料的合成密度[ρcb=]1/［[γ]/[ρf]+（1-[γ]）/[ρc]］=1/［0.15/2 520+0.05/2 900+0.08/2 130+0.72/3 100］[≈][2 885 kg/m3]。

采用膠凝材料合成密度法漿體密度[ρjc=]（1+0.3）/［0.3/1 000+1/2 885］[≈2 010 kg/m3]。

采用膠凝材料合成密度法計(jì)算漿體質(zhì)量。骨料等量替代法和膠凝材料合成密度法所得漿體質(zhì)量[mj3=ρjc×vje=2 010×0.29≈583 kg/m3]；采用骨料合成密度法和膠凝材料合成密度法所得漿體質(zhì)量[mj4=ρjc×vjc=2 010×0.31≈623 kg/m3]。

（2）膠凝材料質(zhì)量計(jì)算公式如下：

[mb=mj1+w/b]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（12）

其中，[mb]為膠凝材料質(zhì)量（kg/m?），[wb]為水膠比。

①以水泥密度計(jì)算。采用骨料等量替代法和水泥密度計(jì)算膠凝材料質(zhì)量[mb1=606/（1+0.3）≈466 kg/m3]；采用骨料合成密度法和水泥密度計(jì)算膠凝材料質(zhì)量[mb2=647/（1+0.3）≈498 kg/m3]。

②以膠凝材料合成密度計(jì)算。采用骨料等量替代法和膠材合成密度計(jì)算膠凝材料質(zhì)量[mb3=] 583/（1+0.3）≈448 kg/m3；采用骨料合成密度法和膠材合成密度計(jì)算膠凝材料質(zhì)量[mb4=623/（1+0.3）≈479 kg/m3]。

（3）礦物摻合料質(zhì)量計(jì)算如下。

可以采用等量替代法：

[mf=mb×βf]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

其中，[mf]為礦物摻合料用量（kg/m?）；[βf]為礦物摻合料摻量。

[mc=mb-mf]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （14）

其中，[mc]為水泥用量（kg/m?）。

以膠凝材料448 kg/m3為例：[粉煤灰用量mf1=448×15%≈67 kg/m3]；[礦渣微粉用量=448×5%≈22 kg/m3]；[硅灰用量=448×8%≈36 kg/m3]；水泥用量[=][? 448-67-22-36=323 kg/m3]。

（4）增強(qiáng)劑用量計(jì)算公式如下：

[mr=mb×βr]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （15）

則增強(qiáng)劑用量[mr]=[448×1.8%≈8 kg/m3]

（5）用水量計(jì)算公式如下：

[mw=mj-mb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （16）

《規(guī)程》提出“根據(jù)骨料的吸水率進(jìn)行調(diào)整”，并未詳細(xì)說明如何計(jì)算，由于再生骨料吸水率較高，依據(jù)文獻(xiàn)［6］采用附加水量法進(jìn)行調(diào)整，再生骨料10 min的吸水率接近24 h的吸水率，以10 min的吸水率計(jì)算加水量比較方便。若添加減水劑或增強(qiáng)劑，用水量應(yīng)調(diào)整如下：

[mw，=（mj-mb）×（1-rw）]? ? ? ? ? ? ? ? （17）

其中，[rw為減水率（%）]。

附加水按下式計(jì)算：

[maw=mrg（wra-wrc）+mg（wa-wc）]? ? ? ? ? ? ?（18）

其中，[maw]為附加水量（kg/m?） ；[wra]為再生骨料吸水率（%）；[wrc]為再生骨料含水率（%）；[wa]為天然骨料吸水率（%）；[wc]為天然骨料含水率（%）。調(diào)整后的總用水量計(jì)算公式如下：

[mw=（mj-mb）×（1-rw）+mrg（wra-wrc）+mg（wa-wc）]（19）

采用膠凝材料合成密度和骨料等量替代法數(shù)據(jù)代入公式（19）：[mw，=（583-448）×（1-13%）≈117 kg/m3]；[maw=456×（7.2%-2.6%）+1 063×（0.8%-0）≈29 kg/m3]；[mw=117+29=146 kg/m3]。

根據(jù)再生骨料等量替代、合成骨料密度法，水泥密度法、膠凝材料合成密度法，產(chǎn)生4種配合比（見表3）。

1.4 制備工藝、成型方式和養(yǎng)護(hù)方法

（1）制備工藝：采用凈漿裹石法攪拌，注意加水要緩慢均勻，以不產(chǎn)生泌水為度。

（2）成型方式：根據(jù)文獻(xiàn)［7］采用人工插搗與平板振動結(jié)合的方式成型。

（3）養(yǎng)護(hù)方法：成型后在試件表面覆蓋塑料薄膜以保持表面水分，48 h后拆模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至7 d齡期。

1.5 試驗(yàn)方法

（1）抗壓強(qiáng)度：按文獻(xiàn)［8］規(guī)定進(jìn)行，采用邊長為100 mm的立方體試件，每組3塊。

（2）有效孔隙率：依據(jù)《規(guī)程》有效孔隙率的方法進(jìn)行測定。

（3）透水系數(shù)：依據(jù)文獻(xiàn)［9］透水系數(shù)試驗(yàn)原理，使用NELD-PC370型混凝土透水系數(shù)測定儀測定透水系數(shù)。

（4）干表觀密度：首先將樣品烘干至恒定質(zhì)量，然后測量樣品的質(zhì)量和體積，計(jì)算出干表觀密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述方法，分別測試再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、有效孔隙率、透水系數(shù)、表觀密度，結(jié)果見表4。

由表4可知，4號樣有效孔隙率為15.3%，最接近目標(biāo)孔隙率15%，這是因?yàn)?號樣的膠凝材料密度和再生骨料密度均按合成密度法計(jì)算，密度值較為準(zhǔn)確，通過體積法計(jì)算的配比相對精準(zhǔn)。2號樣7 d抗壓強(qiáng)度最高，但透水系數(shù)最小，僅為0.8 mm/s，臨近規(guī)范規(guī)定值≥0.5 mm/s的要求。

2.2 7 d抗壓強(qiáng)度與膠凝材料用量關(guān)系

圖1為膠凝材料與7 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系。由圖1所示，隨著膠凝材料用量的增加，7d抗壓強(qiáng)度基本上呈現(xiàn)上升趨勢，由于這4組試樣的水膠比相同，所以起到關(guān)鍵作用的就是膠凝材料用量。一般情況下，水膠比確定后，膠凝材料用量越多，漿體體積越大，漿體膜的厚度越厚，水化產(chǎn)物越多，對再生骨料透水混凝土的骨架空隙結(jié)構(gòu)起到較好的黏結(jié)作用。3號樣與1號樣再生骨料均為等量替代法，骨料用量一樣，但3號樣膠凝材料數(shù)量最小，比1號樣單方用量少了18 kg/m3，卻比1號樣強(qiáng)度稍高一些（2.6%）。 這是因?yàn)?號樣的膠凝材料密度取合成密度，膠凝材料密度更準(zhǔn)確，使得膠凝材料用量更準(zhǔn)確，相對孔隙率更小，從表4的數(shù)據(jù)來看，3號樣孔隙率為16.7%，比1號樣小1.1%，更接近設(shè)計(jì)孔隙率，結(jié)構(gòu)更密實(shí)，所以強(qiáng)度稍微高一些。因此，再生透水混凝土7 d抗壓強(qiáng)度不單與膠凝材料用量有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)特征、水化程度有關(guān)。

2.3 7 d抗壓強(qiáng)度與表觀密度、有效孔隙率的關(guān)系

如圖2所示，7 d抗壓強(qiáng)度與表觀密度基本成線性關(guān)系，7 d抗壓強(qiáng)度隨著表觀密度的增加而增大；而有效孔隙率與7 d抗壓強(qiáng)度基本成反比關(guān)系。由于表觀密度越大意味著結(jié)構(gòu)越密實(shí)，孔隙率越小，因此7 d抗壓強(qiáng)度越高。

2.4 透水系數(shù)與有效孔隙率、膠凝材料用量的關(guān)系

圖3為有效孔隙率、膠凝材料用量與透水系數(shù)關(guān)系。由圖3可知，隨著有效孔隙率的增大，透水系數(shù)基本呈現(xiàn)遞增的趨勢；膠凝材料用量越多，透水系數(shù)越小。2號樣膠凝材料數(shù)量最多，有效孔隙率最小，透水系數(shù)最小，此時(shí)2號樣膠凝材料用量接近500 kg/m3，漿體用量過多，會造成孔隙率急劇縮小，透水系數(shù)顯著下降。因此，在進(jìn)行再生骨料透水混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，膠凝材料用量盡量控制在500 kg/m3以內(nèi)。3號樣有效孔隙率（16.7%）小于1號樣有效孔隙率（17.8%），而透水系數(shù)卻是最大的，這是因?yàn)?號樣以膠凝材料合成密度設(shè)計(jì)，添加了礦物摻合料的合成密度較水泥密度小，所計(jì)算的膠凝材料數(shù)量比1號樣的膠凝材料數(shù)量少，膠凝材料體積數(shù)量較小，因此透水性較好。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）漿體密度可按理論表觀密度進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)測表觀密度相差不大。

（2）骨料和膠凝材料均采用合成密度法設(shè)計(jì)出的再生骨料透水混凝土有效孔隙率為15.3%，最接近目標(biāo)孔隙率要求；骨料和膠凝材料均采用等量替代法設(shè)計(jì)出的再生骨料透水混凝土有效孔隙率為17.8%，離目標(biāo)值最遠(yuǎn)；膠凝材料密度取合成密度法，采用再生骨料等量替代法設(shè)計(jì)出的再生骨料透水混凝土透水系數(shù)為4.43 mm/s，透水系數(shù)最大；膠凝材料密度取水泥密度與再生骨料取合成密度設(shè)計(jì)出的再生骨料透水混凝土7 d抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)28.5 MPa，但透水系數(shù)最小。

（3）膠凝材料用量對透水系數(shù)影響顯著，與透水系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)膠凝材料用量接近500 kg/m3，透水系數(shù)為0.8 mm/s，可將該值作為膠凝材料設(shè)計(jì)上限。

（4）7 d抗壓強(qiáng)度與膠凝材料用量基本成正相關(guān)關(guān)系，與表觀密度基本成線性上升的關(guān)系，與有效孔隙率成反比的趨勢；有效孔隙率與透水系數(shù)基本成正相關(guān)關(guān)系。

4 參考文獻(xiàn)

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［9］CJJ/T 135—2009，透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程［S］.