魏學(xué)成

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

再生骨料在透水混凝土中的應(yīng)用研究

魏學(xué)成

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

采用建筑物拆后經(jīng)破碎處理的再生骨料，替代粗骨料制備了透水混凝土。利用正交試驗，考慮集漿體積比、新舊骨料比、水膠比、硅灰摻量四因素對透水性水泥混凝土強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響，分析了孔隙率與強(qiáng)度和透水系數(shù)之間的變化規(guī)律，并確定了試驗條件下混合料的最佳配合比及對應(yīng)的透水混凝土透水系數(shù)，為再生骨料應(yīng)用在透水混凝土中奠定理論基礎(chǔ)。

再生骨料； 透水混凝土； 強(qiáng)度； 透水系數(shù)

0 前言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和舊城改造工程的增多，城市中建筑垃圾的產(chǎn)生數(shù)量也在快速增長，這些建筑垃圾隨意堆放或填埋不但占用土地資源，而且造成環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計，我國每1萬m2建筑會產(chǎn)生建筑廢棄物500～600 t，但是對這些建筑廢棄物的再生利用率只有5%，因此，提高建筑廢棄物的資源化利用率，加強(qiáng)對再生骨料和再生混凝土制品技術(shù)的研究迫在眉睫。在廢棄混凝土中骨料體積約占80%，其優(yōu)良的力學(xué)性能不會因普通混凝土的破壞而受太大影響，因此廢棄混凝土中的骨料存在較高的再生利用價值。在國外，新加坡政府在2011年開始允許建筑商使用再生混凝土材料來建造最多20%的建筑物結(jié)構(gòu)，不少新商業(yè)及工業(yè)建筑項目已開始使用這種材料。

透水混凝土是是一種生態(tài)環(huán)保型混凝土，其孔隙率較大，能讓雨水流入地下，有效補(bǔ)充地下水；同時，是保護(hù)自然、維護(hù)生態(tài)平衡、緩解城市熱島效應(yīng)的優(yōu)良鋪裝材料。將大粒徑的再生骨料應(yīng)用于生態(tài)透水混凝土中應(yīng)用于人行道和景觀工程中，不僅有利于人類生存環(huán)境的良性發(fā)展，在城市水管理與水污染防治等工作上具有特殊的重要意義，并且可以有效緩解砂石短缺問題，達(dá)到節(jié)能減排，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，資源循環(huán)利用的目的。關(guān)于再生骨料透水混凝土，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)針對其吸聲性能[1]和抗碳化性能[2]開展了一系列的研究[3]，近年我國許多學(xué)者也開始對再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)展開研究[4-6]。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1) 水泥：采用42.5R的普通硅酸鹽水泥，其性能檢測如表1。

表1 水泥性能檢測細(xì)度/%密度/(g·cm-3)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/kg初凝時間/min終凝時間/min安定性(雷氏夾法)抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa3d28d3d28d43.0726145190合格20.450.05.08.0

2) 外加劑：豐京萘系高效減水劑性能指標(biāo)如表2。

3) 硅灰：采用成都東藍(lán)星科技發(fā)展有限公司產(chǎn)硅灰，SiO2含量>80%，密度2 200 kg/m3。

表2 高效減水劑性能指標(biāo)外觀水泥凈漿流度棕褐色W/C=0.29,摻量C×1.0%(基準(zhǔn)水泥)≥220密度/(g·cm-3)減水率/%pH值總含堿量/%硫酸鈉含量/%氯離子含量(CL)/%1.24≤259±2≤3≤5.0≤0.12

4) 粗骨料： 再生粗骨料采用某拆建建筑物經(jīng)過機(jī)械破碎后得到的舊骨料，原生混凝土強(qiáng)度等級為C40，鉆芯取樣實測強(qiáng)度為35.3～41 MPa。不含木塊、塑料等雜物，經(jīng)過人工篩分、分級后使用。

具體生產(chǎn)工藝為：將混凝土結(jié)構(gòu)物破碎后，篩分除去廢料中的木塊等雜物；采用破碎機(jī)進(jìn)行一級破碎處理后清洗，篩分分離骨料；再進(jìn)行二級破碎和篩分后得到粒徑為4.75～9.5 mm的再生骨料。再生粗骨料的表觀密度、堆積密度、孔隙率和壓碎指標(biāo)等物理力學(xué)性能如表3所示。

表3 再生粗骨料物理性能名稱吸水率/%壓碎指標(biāo)/%堆積密度/(g·cm-3)孔隙率/%表觀密度/(g·cm-3)再生粗骨料4.6214.61.3843.112.57

試驗采用再生粗骨料和新骨料摻合，其物理性能測試結(jié)果如表4。

表4 集料物理性能測試結(jié)果粒徑/mm表觀密度/(g·cm-3)松裝密度/(g·cm-3)緊裝密度/(g·cm-3)緊裝空隙率/%松裝空隙率/%4.75～9.52.761.411.6340.948.3

1.2 試驗方法

對透水性混凝土來說，強(qiáng)度和透水系數(shù)是路面設(shè)計時的兩個主要性能。透水性混凝土強(qiáng)度的試驗方法參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。試驗采用變水頭法測試滲透速度用來表征混凝土的透水性能。研究表明，大粒徑骨料對透水混凝土的透水系數(shù)及強(qiáng)度發(fā)展有利[7，8]，試驗采用4.75～9.5 mm的骨料。

采用正交試驗，考慮集漿體積比、新舊骨料比、水膠比、硅灰摻量四因素對混凝土抗壓強(qiáng)度和透水速度的影響。試件采用碾壓成型。正交試驗因素水平表如表5所示。

表5 因素水平表水平因素新舊骨料比例(新∶舊)集漿體積比水膠比粉煤灰摻量/%10∶1001.50.320210∶901.70.355315∶851.90.3710420∶802.10.4015

2 試驗結(jié)果分析及討論

2.1 正交試驗結(jié)果分析

正交試驗及測試結(jié)果分析如表6。

由表中正交分析可知：再生骨料棱角較多、表面粗糙、粒形較差、吸水率大，以不同比例添加在混凝土中時造成強(qiáng)度增大或減小，無一定的規(guī)律性。

集漿比是表征水泥混凝土基體中骨料和水泥漿體之間比例的指標(biāo)。集漿比增大，混凝土中骨料用量相對增大，骨料顆粒之間接觸面積增大，但是水泥漿的用量相對減少，包裹在骨料外層的水泥漿厚度較小，此時骨料之間的粘結(jié)性變?nèi)?，水泥混凝土?qiáng)度降低；同時基體的孔隙率增大，透水系數(shù)增大。因此，集漿體積比是透水混凝土配合比設(shè)計時控制強(qiáng)度和透水系數(shù)的關(guān)鍵因素。

表中顯示，水膠比對再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度影響相對較小，隨著水膠比的增大，基體的強(qiáng)度先增大后減小，混凝土的合理水膠比范圍在0.32～0.40。透水混凝土本身的多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其干燥速度較快，保水能力較差。在水泥水化初期，水灰比較小，缺乏足夠的水分參與水泥的水化過程，水泥石強(qiáng)度發(fā)展較慢，混凝土強(qiáng)度較低；水膠比增大，水泥中的礦物順利進(jìn)行水化反應(yīng)，基體中水化產(chǎn)物數(shù)量增加，混凝土的強(qiáng)度較高；當(dāng)水膠比繼續(xù)增大時，基體中的多余水分增大引起混凝土孔隙率增大，強(qiáng)度降低。相對于集漿體積比，水膠比對混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響程度較小。

硅灰的微小顆粒加入到混凝土中起到潤滑作用，對新拌混凝土來說，改善其和易性，減少泌水和流漿，使混凝土成型更加致密，改善其孔隙率和透水性能。同時，硅灰中含有活性CaO和活性SiO2，能夠在水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的堿性激發(fā)作用下發(fā)生二次水化反應(yīng)，改善水泥石的水化產(chǎn)物組成，影響透水混凝土的強(qiáng)度。摻入硅灰后，由于二次水化反應(yīng)，使混凝土的水化進(jìn)程變慢，同時透水混凝土的大孔隙結(jié)構(gòu)不利于保水，提供硅灰進(jìn)一步反應(yīng)。因此硅灰作為火山灰活性材料對混凝土的強(qiáng)度改善作用并不明顯。因此，綜合考慮混凝土力學(xué)性能和透水性能，粉煤灰的摻量可以控制在5%左右，既不致于導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低過多也能較有效地改善透水混凝土的工作性。

表6 試驗結(jié)果正交分析因素水平透水試件密度/(g·cm-3)計算壓實空隙率/%透水系數(shù)/(mm·s-1)抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa新舊骨料比(新∶舊)0∶1002.0716.710.894.321.410∶902.0616.59.704.316.915∶852.1911.55.204.524.920∶802.1512.77.814.421.9極差1.245.25.690.2 8.00集漿體積比1.52.1710.73.955.025.81.72.1212.78.744.321.71.92.1214.57.794.321.42.12.0418.313.113.816.2極差1.487.69.161.29.6水膠比0.322.0616.911.874.119.00.352.1214.66.534.620.20.372.1513.07.664.524.60.402.1413.07.534.421.3極差0.763.95.340.55.6硅灰摻量 0%2.1712.84.145.024.6 5%2.0915.29.734.220.410%2.0815.910.034.118.915%2.1313.69.694.221.2極差0.093.15.890.95.7

2.2 透水混凝土的透水性

研究表明，透水混凝土的孔隙率與強(qiáng)度和透水系數(shù)有較大的相關(guān)性[9]，將以上試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到圖1、圖2、圖3孔隙率和透水混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和透水系數(shù)之間的變化規(guī)律。

通過數(shù)據(jù)回歸可知，透水性混凝土強(qiáng)度、透水系數(shù)與孔隙率間呈顯著的線性關(guān)系，孔隙率增大，混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低，透水系數(shù)提高。

強(qiáng)度和透水系數(shù)是生態(tài)透水混凝土的兩個重要指標(biāo)，配合比設(shè)計時需要控制再生骨料的用量和孔隙率的設(shè)定，使配制的透水混凝土同時滿足非承重路面強(qiáng)度和城市路面透水性的要求。設(shè)孔隙率為X，透水混凝土的透水系數(shù)為Y，給出了混凝土透水系數(shù)與孔隙率的回歸方程。

圖1 孔隙率與混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖2 孔隙率與透水系數(shù)關(guān)系

圖3 孔隙率與混凝土抗折強(qiáng)度關(guān)系

Y=1.08X-7.189

根據(jù)本研究的試驗結(jié)果，擬合出透水系數(shù)與孔隙率之間的定量關(guān)系式，如圖2所示，相關(guān)系數(shù)R2擬合度可達(dá)0.82。圖1和圖3也給出了孔隙率與強(qiáng)度之間的定量關(guān)系式，因此如果能夠保證再生骨料和水泥漿體的質(zhì)量，可以在一定程度上實現(xiàn)對透水混凝土透水系數(shù)和強(qiáng)度的預(yù)測，為再生骨料在透水性路面的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1) 各因素對透水系數(shù)的影響效果為：集漿體積比>硅灰摻量>新舊骨料比>水膠比，硅灰摻量、新舊骨料比、水膠比對透水系數(shù)的影響差異較小。

2) 各因素對抗折強(qiáng)度的影響效果為：集漿體積比>硅灰摻量>水膠比>新舊骨料比。

3) 各因素對抗壓強(qiáng)度的影響效果為：集漿體積比>新舊骨料比>硅灰摻量>水膠比，水膠比和硅灰摻量對抗壓強(qiáng)度影響差異較小。

4) 透水性混凝土強(qiáng)度、透水系數(shù)與孔隙率間呈顯著的線性關(guān)系。孔隙率增大，混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低，透水系數(shù)提高。

5) 在本試驗條件下最佳配合比為：集漿體積比1.7，水膠比0.32，粉煤灰摻量5%，舊骨料∶新骨料為85∶15。此時對應(yīng)的透水系數(shù)分別為：8.74、7.66、9.72、5.20 mm/s，具有較好的透水性能。

[1] Schaefer V R，Kevern J T，Izevbekhai B，et al.Construction and performance of pervious concrete overlay at minneaota road research project[J].Transportation Research Record：Jounrnal of the Transportation Research Board，2010，2164(1)：82-88.

[2] Park S B，Seo D S，Jun Lee.Studies on the sound absorption characteristics of porous concrete based on the content of recycled aggregate and target void ratio[J].Cement and Concrete Research，2005，319(35)：46-54.

[3] Corinaldesi， Valerial， Moriconi， et al.Carbon dioxide uptake by recycled-aggregate nofines concrete[C].2nd Internoational Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies，2010.

[4] 王軍強(qiáng).再生骨料透水混凝土強(qiáng)度和透水性能的試驗研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2015，31(4):167-171.

[5] 王玉梅，鄧志恒，覃英宏，等.多空再生骨料混凝土強(qiáng)度及透水性能研究[J].混凝土，2015(7)：26-30.

[6] 薛冬杰，劉榮桂，徐榮進(jìn)，等.再生骨料透水性混凝土的制備與基本性能研究[J].混凝土，2013(6)：124-127.

[7] Yang J，Jiang G L.Experimental study on properties of pervious concrete pavement material[J].Cement and Concrete Research，2003，33(3)：381-386.

[8] Huang B S ，Wu H ，Shu X ，et al.Laboratory evaluation of permeability and strength of polymer-modified pervious concrete[J].Construction and Building Materials，2010，24(5)：818-823.

[9] Ryshkewitch E.Compression strength of porous sintered alumina and zirconia[J].J Am Ceram Soc，1953，36(2)：65-68.

2016-10-09

魏學(xué)成( 1972-) ，男，研究生，工程師，研究方向: 公路工程。

1008-844X(2017)01-0084-04

U 414

B