作者簡介：

林華壯（1980—），工程師，主要從事土木工程材料研究、檢測、測量、監(jiān)理工作。

摘要：文章通過正交試驗，分析了再生骨料、硅砂廢渣、粉煤灰等固體廢棄物作為摻混原料對高透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)、有效孔隙率等性能的影響。試驗結果表明，各因素對透水混凝土抗壓強度的影響順序為：再生骨料摻量＞硅砂廢渣摻量＞粉煤灰摻量＞水膠比。根據(jù)功效系數(shù)法，得出最優(yōu)綜合性能配比為：再生骨料摻量10%、水膠比0.28、硅砂廢渣摻量10%、粉煤灰摻量5%，制得的高透水混凝土抗壓強度為23.8 MPa，透水系數(shù)為8.06 mm/s，有效孔隙率為25.2%。這種高透水混凝土路面材料的制備，為道路建設提供了可靠的材料支持。

關鍵詞：透水混凝土；再生骨料；硅砂廢渣；粉煤灰；抗壓強度；透水性能

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A 10 029 4

0 引言

隨著經濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，道路建設作為城市交通基礎設施的重要組成部分，道路硬化面積不斷增加，而許多城市道路都被鋼筋混凝土結構物和不透水材料所覆蓋。不透水的路面給城市生態(tài)環(huán)境帶來一系列影響，導致出現(xiàn)許多問題：（1）加劇城市“熱島效應”，大大降低人們的生活舒適度，嚴重威脅人類健康；（2）普通混凝土路面不透水，不能補充地下水，暴雨來襲時，大量雨水堆積在路面上，嚴重影響人們出行，同時破壞了城市水循環(huán)系統(tǒng)，給城市排澇造成很大壓力。透水混凝土作為一種具有優(yōu)異力學性能和透水性能的新型建筑材料，隨著現(xiàn)階段“海綿城市”建設的推進，在路面工程中得到了廣泛應用。

伴隨著可持續(xù)發(fā)展理念的不斷推廣，建筑業(yè)不僅需要考慮固體廢棄物的綜合利用，還應該重視建筑廢物的可回收利用。目前，建筑垃圾已成為我國城市垃圾的主要組成部分，舊建筑拆除所產生的建筑垃圾中約30%～40%為混凝土垃圾［1-2］。城市周邊建筑垃圾問題日益嚴重。如何將建筑垃圾變廢為寶已成為建筑和環(huán)境保護領域的一項重要課題。

本文充分挖掘了建筑垃圾的潛在價值，以廢棄混凝土、硅砂廢渣和粉煤灰為摻混原料，制備一種新型的生態(tài)透水混凝土路面，該路面具有良好的透水性和較高的強度，滿足道路建設的實際需求。它不僅降低了硅酸鹽水泥的使用量，減少了水泥生產帶來的能源消耗和環(huán)境問題，而且有效地提高了硅砂廢渣、粉煤灰等工業(yè)廢物的資源化利用，解決了固體廢棄物的污染問題，并有效處置了混凝土類建筑廢棄物，同時避免了天然砂石資源開采帶來的能源、環(huán)境和社會問題，實現(xiàn)了建筑材料的節(jié)能減排和綠色低碳發(fā)展。

1 試驗

1.1 原材料

P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表 1；骨料，粗骨料：再生骨料為廢棄混凝土破碎篩分分級得來，粒徑為5～25 mm，其性能指標見表 2；細骨料：硅砂廢渣（硅酸鈉生產過程中產生），粒徑為0～3 mm；粉煤灰，其性能指標見表 3；聚羧酸高效減水劑，減水率為25%；堿激發(fā)劑為液體硅酸鈉，其化學指標見表 4。

1.2 透水混凝土配合比正交試驗設計

參考《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》（CJJ/T 135-2009），設定基準組透水混凝土水膠比為0.3、目標孔隙率為 20%。采用四因素四水平進行透水混凝土配合比正交試驗。正交試驗因素水平表見下頁表 5。

1.3 試件制備與養(yǎng)護

采用三次投料法按混凝土配合比計量稱量各組分材料，先將硅砂廢渣、粉煤灰和再生骨料混合攪拌40 s，然后加入水泥、減水劑和水拌和50 s，最后將緩凝劑、堿激發(fā)溶液和剩余拌和水加入攪拌機攪拌80 s。 將攪拌好的透水混凝土混合試樣分兩批注入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試模中，采用低頻平板振動器或專用滾壓工具滾壓成型，在自然條件下養(yǎng)護1～2 d后拆模，即得透水混凝土路面材料，對其按標準進行養(yǎng)護。

1.4 性能測試

參照《透水混凝土》（JC/T 2558-2020）行業(yè)標準對透水混凝土的抗壓強度、透水系數(shù)和孔隙率進行測試［3］。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果

基準組透水混凝土的28 d抗壓強度［4］為23.5 MPa、透水系數(shù)為5.12 mm/s、有效孔隙率為20.3%。透水混凝土正交試驗配合比設計及性能測試結果見表6。

由表6可以看出，7#試樣的抗壓強度最高，達到31.7 MPa，符合JC/T 2558-2020標準中的抗壓強度等級TC30要求；2#試樣的透水系數(shù)更是高達8.06 mm/s，達到JC/T 2558-2020標準中的最高透水系數(shù)等級K8要求；有效孔隙率平均值為21.2%，略大于目標孔隙率。說明添加硅砂廢渣、粉煤灰、再生骨料及堿激發(fā)劑對透水混凝土的抗壓強度、透水性能均有一定的影響。

2.2 抗壓強度極差分析

由表7可以看出，對抗壓強度的影響順序為：再生骨料摻量＞硅砂廢渣摻量＞粉煤灰摻量＞水膠比。其中，對抗壓強度影響最大的為再生骨料摻量。

隨著再生骨料摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度呈下降趨勢。再生骨料摻量為30%時，抗壓強度最低為14.0 MPa。這是因為：在單位體積內，再生骨料顆粒之間出現(xiàn)更多［5］的接觸點，內部孔隙增多，從而導致強度降低。當再生骨料的粒徑逐漸增加時，單位體積的骨料顆粒數(shù)量以及骨料之間的連接點和粘結力都會降低，從而導致混凝土的抗壓強度逐漸降低。

隨著水膠比的增大，透水混凝土的抗壓強度先增加后略有下降的趨勢。當水膠比較小時，水泥漿的流動性較弱，再生骨料不能有效、牢固地搭接，從而導致內部骨料結構強度降低；當水膠比為0.30時，抗壓強度最高為31.7 MPa，說明此時水泥漿可以充分水合，漿液具有良好的流動性，并能很好地包裹骨料；當水膠比持續(xù)增加時，水泥漿的流動性過高，在重力的影響下會導致大量漿液積聚在底部，上部漿液變薄，抗壓強度下降。

隨著硅砂廢渣摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。硅砂廢渣摻量為15%時，抗壓強度最高，說明硅砂廢渣可以提高水泥漿的流動性。這是因為：硅砂廢渣是一種表面光滑、吸水率低的精細微球狀體，其可以在透水混凝土中起到滾珠潤滑的作用，降低內部架構間的摩擦阻力，提高流動性。研究表明，在一定的水膠比下，硅砂廢渣可以提高混凝土的工作性能。

隨著粉煤灰摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢［6-7］。當粉煤灰摻量在10%～15%時，抗壓強度達到峰值。粉煤灰中的細顆?？梢栽谒酀{中均勻地分布，實現(xiàn)對混凝土中孔隙和毛細孔隙的填充，提高了密實度；同時粉煤灰中富含活性二氧化硅和氧化鋁，可與水泥水化后產生的Ca（OH）2發(fā)生化學反應，所形成的化硅酸鈣等產物具有較強的膠凝性能，提高了漿液界面的結合強度，并可改善混凝土的保水性和流動性，從而進一步提高混凝土的抗壓強度。但隨著摻量的持續(xù)增加，活性效果降低，強度隨之降低。

2.3 透水系數(shù)極差分析

由表7可以看出，對透水系數(shù)的影響順序為：再生骨料摻量＞硅砂廢渣摻量＞水膠比＞粉煤灰摻量。其中，對透水系數(shù)影響最大的為再生骨料摻量。

隨著再生骨料摻量的增加，混凝土透水系數(shù)呈明顯增大的趨勢。再生骨料具有堆積密度小、孔隙率大、透水性能強的特點，加之其自身具有較高的吸水率，因此透水系數(shù)隨之變大。

隨著水膠比的增加，透水混凝土的透水系數(shù)呈先增加后降低的趨勢。當水膠比為0.28時，透水系數(shù)最大為8.06 mm/s。隨著水膠比的持續(xù)增加，透水系數(shù)反而會降低，這是因為水灰比過高，水泥漿的流動性會越高，可以滲透到骨料之間的孔隙中，提高其密實度，并不斷降低透水系數(shù)。

隨著硅砂廢渣摻量的增加，透水混凝土的透水系數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。硅砂廢渣摻量為10%時，透水系數(shù)最大為8.06 mm/s。添加硅砂廢渣可以細化透水混凝土的內部孔隙，有助于各組分的均勻分布，增加接觸點數(shù)量。然而，過量添加硅砂廢渣會導致孔隙率降低，透水系數(shù)也會相應下降。

隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土透水系數(shù)呈明顯降低的趨勢。粉煤灰摻量越少，透水系數(shù)越高［8］，這是因為：粉煤灰可以有效地填充混凝土中的孔隙，從而提高其致密性，使得透水系數(shù)減小。

2.4 有效孔隙率極差分析

由表7可以看出，對有效孔隙率的影響順序為：再生骨料摻量＞硅砂廢渣摻量＞水膠比＞粉煤灰摻量。其中，對有效孔隙率影響最大的為再生骨料摻量。

透水混凝土的有效孔隙率隨再生骨料摻量的增加而增大。再生骨料摻量為30%時，有效孔隙率最大為29.5%。由于再生骨料內部含有舊骨料與舊水泥漿的結構區(qū)，且在二次破碎過程中，產生了微小裂紋，使得表面粘附的水泥漿變得疏松，孔隙率增加。使用的再生骨料越多，有效孔隙率就越大。

當水量和骨料不變時，混凝土的水膠比越高，水泥用量越少，水泥漿水化過程中殘留的水分就越多，多余的水留在混凝土中形成氣泡或水道，隨著混凝土硬化，氣泡或水道蒸發(fā)并留下孔隙，因此有效孔隙率相應地越高。但水膠比過高，會影響抗壓強度，且會導致漿料不勻的現(xiàn)象。水膠比為0.28時效果最佳。

隨著硅砂廢渣摻量的增加，透水混凝土的有效孔隙率呈先增加后降低的趨勢。當水泥漿用量不變時，如果硅砂廢渣摻量過高，骨料的總表面積和孔隙率會增加。需要更多的水泥漿來填充和包裹骨料，從而降低了新拌混凝土的流動性。如果硅砂廢渣摻量太少，骨料的孔隙率會顯著增加，無法保證粗骨料之間有足夠的砂漿層，嚴重影響其內聚力和保水性，容易導致出現(xiàn)離析、泌水等現(xiàn)象。硅砂廢渣摻量為10%～15%時的有效孔隙率最高。

隨粉煤灰摻量的增加，透水混凝土的有效孔隙率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。這是因為隨著粉煤灰摻量的增加，導致體積增加，從而導致孔隙率相應降低。在水膠比不變的前提下，當粉煤灰摻量達到15%時，需水量增大，導致水泥漿流動性差，粉煤灰參與二次水化反應不足，造成骨料構架疏松，孔隙率增加。粉煤灰的摻量為10%左右時，可填補水化產物之間的空隙，降低混凝土的孔隙率，提高其密實度。

2.5 綜合分析

采用功效系數(shù)法綜合分析［9］透水混凝土的抗壓強度、透水系數(shù)、有效孔隙率等指標，結果如表8所示?？偣π禂?shù)越大，整體性能越好。根據(jù)式（1）和式（2）計算指標的個體功效系數(shù)和總功效系數(shù)。

fab=Xab÷Xmax

（1）

fa=nfa1×fa2×…×fan

（2）

式中：fab——第a組試驗中第b項指標的個體功效系數(shù)［10］；

Xab——第a組試驗中第b項指標的測試值；

Xmax——16個試驗中第b項指標的最大值；

fa——a組試驗的總功效系數(shù)；

N——指標的數(shù)量。

由表8可以看出，總功效系數(shù)最大的為2#組，所以綜合性能最優(yōu)的組合為：再生骨料摻量為10%、水膠比為0.28、硅砂廢渣摻量為10%、粉煤灰摻量為5%。

3 結語

（1）影響透水混凝土抗壓強度［11］、透水系數(shù)和有效孔隙率的最主要因素是再生骨料的摻量。再生骨料具有堆積密度小、孔隙率大、透水性能強的特點，制備過程中應注意與細骨料間的搭配，提高透水性能的同時保證抗壓強度。

（2）通過調整水膠比，使水泥漿具有良好的流動性，通過調整硅砂廢渣及粉煤灰的摻量，提高漿液界面的結合強度，并改善混凝土的保水性和流動性，保證孔隙率的同時，增強其密實度，從而提高透水混凝土的抗壓強度和透水性能。

（3）考慮透水混凝土的綜合性能指標，使用功效系數(shù)法獲得最優(yōu)組合為：10%的再生骨料、0.28的水膠比、10%的硅砂廢渣、5%的粉煤灰。

參考文獻

［1］王 冠.再生骨料混凝土抗壓強度分析及性能改善研究［J］.西部交通科技，2023（7）：60-62.

［2］吳 荒.一種生態(tài)透水混凝土路面及其制備方法［P］.CN202111094741：7，2022-01-14.

［3］楊海浪，許文彬，吳友杰，等.凈水型再生骨料透水混凝土的制備及性能研究［J］.中國農村水利水電，2023（9）：183-190.

［4］李 濤，孫浩銘，賴小穎，等.浙東海島植生型生態(tài)混凝土植生性能研究［J］.混凝土，2022（2）：131-135.

［5］賴新波.再生骨料透水混凝土在道路工程中的應用研究［J］.福建建材，2023（8）：6-8，12.

［6］楊艷娟，王今華，白召軍，等.雙摻粉煤灰和硅灰透水混凝土的試驗研究［J］.新型建筑材料，2021，48（2）：78-80.

［7］羅金鳳.粉煤灰摻量對泡沫混凝土路用性能的影響研究［J］.西部交通科技，2023（7）：28-30.

［8］劉 飛.粉煤灰摻量及纖維摻量對透水混凝土性能的影響研究［J］.廣東建材，2023，39（9）：36-38.

［9］王開發(fā)，楊仕教，張冉玥，等.堿激發(fā)銅渣粉透水混凝土透水性能與抗壓強度影響試驗研究［J］.南華大學學報（自然科學版），2022，36（4）：26-34.

［10］夏冬桃，李向陽，胡軍安.基于正交試驗的透水再生混凝土性能優(yōu)化試驗研究［J］.硅酸鹽通報，2022，41（8）：2 748-2 758.

［11］賀圖升，謝夢倩，劉 洋，等.透水混凝土透水系數(shù)和抗壓強度的影響因素分析［J］.廣東建材，2021，37（6）：10-13.