韋 瑩，黃世源，龐 彪，覃宏海

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，構(gòu)建雨水利用型“海綿城市”，已經(jīng)成為新一代城市建設(shè)和發(fā)展的目標(biāo)?！昂＞d城市”的建設(shè)，要求道路建筑材料擁有優(yōu)秀的滲水、抗壓、耐磨、防滑及環(huán)保美觀、舒適易維護(hù)和吸音減噪等特點(diǎn)。傳統(tǒng)道路路面鋪裝材料的不透水特性，造成降水難滲透，城市排水系統(tǒng)壓力大，已經(jīng)不能適應(yīng)海綿城市的發(fā)展要求。正是在這樣的背景下，多孔混凝土路面材料應(yīng)運(yùn)而生，它具有可以補(bǔ)充和保護(hù)地下水位的優(yōu)點(diǎn)，而且可以緩解城市熱島效應(yīng)。國外對(duì)于多孔混凝土的應(yīng)用研究較早，在城市的體育操場、人行道、公園路面等得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于此領(lǐng)域的研究，國內(nèi)起步較晚，在實(shí)際應(yīng)用研究中，研究的重點(diǎn)仍然是制備多孔混凝土材料的原材料來源及透水性能、抗壓強(qiáng)度等物理性能。

而另一方面，在進(jìn)行道路改擴(kuò)建、舊城改造等城市化進(jìn)程中，產(chǎn)生了大量的廢舊混凝土等固體廢棄物。若以隨意丟棄的傳統(tǒng)方式處理固體廢棄物，既造成環(huán)境污染，又造成資源浪費(fèi)，引發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)環(huán)境問題。加快廢舊水泥混凝土再生利用的研究，對(duì)其進(jìn)行加工制備多孔混凝土材料，重新應(yīng)用于新城市建設(shè)和發(fā)展中，尤其顯得意義非凡。

本研究依托廣西柳州至南寧高速公路（簡稱“柳南高速”）改擴(kuò)建工程，結(jié)合已有的研究基礎(chǔ)，將廢舊混凝土再生集料化，然后用于制備多孔混凝土材料，并進(jìn)行相關(guān)物理性質(zhì)、力學(xué)性能測(cè)試和評(píng)價(jià)。

1 廢舊水泥混凝土再生集料的性能

1.1 再生集料的破碎生產(chǎn)加工工藝

柳南高速改擴(kuò)建工程中，水泥混凝土路面被鑿巖機(jī)砸碎后，再采用炮擊破碎并剔除鋼筋，最后將混凝土破板（塊）裝車，運(yùn)送至固定破碎點(diǎn)，采用顎式破碎機(jī)等組合式固定破碎生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行集料的生產(chǎn)、加工，具體工藝流程見圖1。

圖1 再生集料加工流程圖

加工機(jī)械采用的PE500＊700鄂式破碎機(jī)，分設(shè)三道篩孔，分別為4.75mm、9.5mm、31.5mm，采用2次破碎。廢舊混凝土板（塊）經(jīng)破碎機(jī)2次破碎后，再生集料的粒徑均已控制在31.5mm以內(nèi)；然后經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)，進(jìn)入篩孔尺寸分別為31.5mm、9.5mm、4.75mm的三層篩分斗，碎石過篩后形成三級(jí)級(jí)配，即：0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～31.5mm，分別進(jìn)入1＃、2＃和3＃料斗倉堆放。

1.2 再生粗集料的物理力學(xué)性能

試驗(yàn)根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42－2005）相關(guān)測(cè)試方法，測(cè)定了4.75～9.5mm，9.5～31.5mm再生粗集料的表觀密度（視密度）、含水率、吸水率和針片狀等主要物理性能指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。在本組試驗(yàn)中，對(duì)于再生集料針片狀的技術(shù)指標(biāo)要求，采用的是《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG／T F20－2015）中表3.6.1高速公路及一級(jí)公路重型交通Ⅰ類技術(shù)要求，但對(duì)于再生粗集料的表觀密度、吸水率及含泥量，試驗(yàn)則采用《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTGT F30－2014）表3.3.2再生粗集料質(zhì)量中Ⅱ級(jí)技術(shù)要求。這是由于我國現(xiàn)行《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG／T F20－2015）只對(duì)粗集料的針片狀顆粒含量作出規(guī)定，其余物理性能均無具體要求。

表1 再生粗集料物理性能試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同粒徑（4.75～9.5mm、9.5～31.5mm）的再生粗集料物理性能試驗(yàn)結(jié)果，均能滿足上述規(guī)范指標(biāo)要求。但是，與天然粗集料相比，再生集料表觀密度比天然集料的小，吸水率明顯偏大，達(dá)到6～7倍，含泥量偏大，針片狀含量明顯偏大，達(dá)到2倍左右。造成這些現(xiàn)象的原因是，舊水泥砂漿裹覆了大部分的再生粗集料碎石，且開口空隙較多，因此再生集料空隙率較大，表觀密度偏小。此外，在再生粗集料中，表面裹覆舊水泥砂漿的碎石所占比例最大，且空隙率大，故而吸水率偏大。在實(shí)際施工中使用再生粗集料鋪筑水泥穩(wěn)定碎石基層時(shí)，含水量和水泥用量需要提高。同時(shí)，裹覆在再生集料的水泥石，使集料表面更粗糙、棱角更多，而且這種碎石占比大，因而再生粗集料的針片狀含量高于天然集料。

壓碎值、磨耗值、軟石含量是粗集料的力學(xué)性能主要指標(biāo)。試驗(yàn)分別采用《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42－2005）T 0316－2005、T 0317－2005的壓碎值試驗(yàn)方法和洛杉磯法測(cè)定再生集料的壓碎值及磨耗損失率，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。采用《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42－2005）粗集料軟弱顆粒試驗(yàn)方法，測(cè)定4.75～9.5mm、9.5～31.5mm粒徑再生集料的軟石含量，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)對(duì)于再生集料磨耗損失率，則采用《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTGTF30－2014）表3.3.2，對(duì)再生粗集料的磨耗損失率提出技術(shù)指標(biāo)要求。這是因?yàn)槲覈豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》（JTJ 034－2000）等規(guī)范中，只對(duì)集料的壓碎值提出指標(biāo)要求。

表2 再生粗集料壓碎值、磨耗損失試驗(yàn)結(jié)果表

表3 再生粗集料軟石含量試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明，再生粗集料壓碎值、磨耗損失較大，但是其壓碎值能滿足規(guī)范中對(duì)底基層的要求，其磨耗損失亦滿足規(guī)范要求。與天然粗集料壓碎值相比，再生集料壓碎值是其2倍左右，存在兩方面的影響因素：（1）再生集料的棱角較多，且集料中有較多的碎石表面粘附著水泥砂漿；（2）對(duì)舊混凝土進(jìn)行破碎加工的過程中，部分碎石由于二次破碎而出現(xiàn)裂紋。因此，在受外力作用下，裹覆的砂漿破碎，碎石裂縫擴(kuò)展、破裂，共同造成了再生集料的強(qiáng)度降低。

軟石含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，再生集料軟石含量明顯高于規(guī)范要求，達(dá)2～3倍左右。舊水泥混凝土破碎過程中，水泥漿體強(qiáng)度小，易壓碎，因而破碎的小粒徑再生集料中含水泥漿的比例更大。同時(shí)，這類碎石的吸水率較高，在實(shí)際使用中可能會(huì)增加用水量，降低材料的實(shí)際強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，因此，需對(duì)再生集料的軟石含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2 再生集料制備多孔滲水混凝土

2.1 實(shí)驗(yàn)原材料及制備方法

實(shí)驗(yàn)原材料包括海螺牌P.O42.5硅酸鹽水泥（具體成分見表4），粒徑4.75～9.5mm的再生粗集料等。多孔混凝土相關(guān)性能受粗骨料的影響，在實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)選用5～10mm的單粒徑石灰石天然骨料制備多孔滲水混凝土，作為參照對(duì)比。再生集料與天然集料技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表4 P.O42.5水泥成分表

表5 再生集料與天然集料技術(shù)指標(biāo)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)合目前的混凝土制備方法，采取一次加料法制備多孔混凝土材料。首先對(duì)水泥與集料進(jìn)行攪拌，時(shí)間約60s，攪拌均勻后，加入水，再繼續(xù)攪拌，時(shí)間約120s。攪拌結(jié)束后，將混合料澆注到提前準(zhǔn)備好的模具中。

2.2 試驗(yàn)配合比確定及設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)水泥漿體的體積計(jì)算公式（1），代入水灰比W／C的值，采用體積法對(duì)材料用量進(jìn)行計(jì)算。水灰比的取值在0.2～0.45之間，設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3 再生集料多孔混凝土的力學(xué)性能分析

3.1 水灰比對(duì)多孔混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

水灰比是影響混凝土性能的重要參數(shù)，混凝土的實(shí)際強(qiáng)度和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)受水灰比的影響。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三個(gè)目標(biāo)空隙率，分別為15%、20%和25%，水灰比介于0.2～0.45之間，以此利用再生集料制備多孔混凝土，并對(duì)其進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。不同目標(biāo)空隙率的多孔混凝土抗壓試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖2 配合比實(shí)驗(yàn)具體流程圖

圖3 水灰比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水灰比＜0.3時(shí)，不同目標(biāo)空隙率的混凝土材料的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而增大；當(dāng)水灰比＞0.3時(shí)，不同目標(biāo)空隙率的混凝土材料的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大呈下降趨勢(shì)。對(duì)各曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比在0.28～0.3的范圍內(nèi)時(shí)，各混凝土材料的抗壓強(qiáng)度最大。

圖4 再生粗集料與天然粗集料制備目標(biāo)空隙率為20%的多孔混凝土抗壓強(qiáng)度比較示意圖

為了進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中采用天然粗集料制備了目標(biāo)空隙率為20%的混凝土材料，并進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度測(cè)試，如圖4所示。天然集料制備的混凝土，其抗壓強(qiáng)度在水灰比為0.26時(shí)達(dá)到最大，再生粗集料制備混凝土材料強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在水灰比為0.28～0.3之間。相關(guān)研究指出，適當(dāng)增大再生集料制備混凝土?xí)r的用水量，有利于凝固過程中水化作用的發(fā)生，可有效提高強(qiáng)度。同時(shí)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比＜0.29或＞0.32時(shí)，天然粗集料制備的混凝土材料抗拉強(qiáng)度更大。但是，通過對(duì)比不同集料制備的混凝土的最大抗壓強(qiáng)度，再生集料制備的混凝土最大抗壓強(qiáng)度為21.1 MPa，天然集料制備的混凝土最大抗壓強(qiáng)度為23.2 MPa，兩者之間的差值較小，說明了再生集料用于制備多孔滲水混凝土，可通過調(diào)整水灰比提供良好的強(qiáng)度。

3.2 空隙率對(duì)多孔混凝土強(qiáng)度的影響

為了研究再生集料混凝土的空隙率與強(qiáng)度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)以12%、15%、18%、20%、25%作為目標(biāo)空隙率，分別采用再生集料與天然集料制備不同目標(biāo)空隙率的多孔混凝土試件，并測(cè)試了它們的28d抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 有效空隙率與抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，空隙率和抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。隨著空隙率的增大，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度不斷下降。通過對(duì)比兩者的變化曲線發(fā)現(xiàn)，不同目標(biāo)空隙率下的再生粗集料制備的混凝土材料強(qiáng)度都要比天然集料的小。但是，當(dāng)空隙率＜18%時(shí)，兩者的抗壓強(qiáng)度相差較小；當(dāng)空隙率＞18%時(shí)，兩者的抗壓強(qiáng)度之差逐漸增大。

3.3 有效空隙率與滲透系數(shù)之間的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了5個(gè)不同的目標(biāo)空隙率，分別為12%、15%、18%、20%、25%，以此研究再生粗集料混凝土材料的不同有效空隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系，試驗(yàn)分別采用再生粗集料及天然粗集料制備多孔混凝土，并采用TST－70透水儀進(jìn)行滲透系數(shù)的測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種不同材料的混凝土的滲透系數(shù)與有效空隙率呈正相關(guān)。在空隙率較小時(shí)，混凝土材料的滲透系數(shù)相差不大，但是，隨著空隙率增大，再生粗集料制備的混凝土材料的滲透系數(shù)增加速率要比天然集料的大。

圖6 有效空隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系示意圖

4 結(jié)語

（1）采用二次破碎法得到的廢舊混凝土再生粗集料，其表觀密度、吸水率、針片狀含量、含泥量等物理性能均能滿足規(guī)范要求。此外，實(shí)驗(yàn)表明，由于再生集料表面裹附水泥砂漿，導(dǎo)致再生集料整體吸水率是天然集料的6～7倍。

（2）再生粗集料的壓碎值、磨耗損失力學(xué)性能均能滿足規(guī)范要求，但由于再生集料表面裹覆的水泥砂漿易碎、易脫落，且在再生集料生產(chǎn)加工過程中受再次破碎的影響，集料易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致其壓碎值偏高。

（3）采用4.75～9.5mm再生粗集料制備的多孔滲水混凝土材料，水灰比在0.28～0.3范圍內(nèi)，有效空隙率為18%時(shí)具有良好的力學(xué)性能及較高的滲透系數(shù)。與天然集料相比，使用再生集料制備的多孔滲透混凝土材料的水灰比需適當(dāng)偏大。