无砂再生骨料透水性混凝土试验及应用研究★

2012-08-20陈安邦江伟超

山西建筑 2012年5期

陈安邦江伟超

混凝土的产生对人类文明和进步发挥了积极的推动作用。但随着混凝土需求的急剧增长，砂石骨料的使用量也不断增加，而随着对天然砂石的不断开采，天然骨料资源亦将趋于枯竭，而且其开采的运输能耗与费用惊人，对生态环境的破坏也十分严重。同时废旧混凝土的大量产生，由此引发的资源、能源和环境问题也日益严重。再生骨料混凝土简称再生混凝土，废弃混凝土作为再生骨料的来源又称母体混凝土。废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级后形成的骨料简称再生骨料;再生骨料部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成的混凝土称为再生骨料混凝土。充分利用再生骨料混凝土，不但能有效降低建筑垃圾的数量，减少建筑垃圾对自然环境的污染，同时利用再生骨料制造再生骨料混凝土还能减少建筑工程中对天然骨料的开采，保护环境。

1 试验

1)试验目标。本试验的主要考核指标是再生混凝土的强度和透水性，旨在通过实验确定一个最优配合比范围使生产出来的混凝土在具有较高强度的同时又具有较好的透水性。目标强度为15 MPa以上，目标透水性系数为1.5 mm/s以上。温州是一个典型的南方城市又是沿海城市，雨量充足，降雨过后我们常会发现道路积水的问题，所以，我们希望本试验研究得出的结论可以为以后在道路建设方面的应用研究提供依据。

2)试验原料。水泥:考虑到再生骨料混凝土对强度的要求，以及本次试验不添加细骨料等因素我们选用了P.O42.5级普通硅酸盐水泥。物理力学性能见表1。水:普通饮用水。废旧混凝土:废旧混凝土可能由不同强度等级的混凝土所组成。要想改善废旧混凝土的质量，就需要对不同类型的混凝土加以分选。本次试验选用的再生混凝土骨料就是实验室废弃的旧混凝土标准立方抗压试块(尺寸为150 mm×150 mm×150 mm)，经过分选、破碎、烘干和筛分等过程，获得具有一定力学性能和颗粒级配的人工石料。分选和破碎过程中，我们将夹杂在原混凝土中的杂物除去，做了初步处理。废弃混凝土经过破碎处理，生产出的再生骨料含有一定量的硬化水泥砂浆，这些水泥砂浆有的独立成块，有的附着在天然骨料的表面，导致再生骨料棱角较多，表面积大，粗糙密度小，吸水率高，粘结能力弱。废弃混凝土块再生破坏过程中由于损伤积累会使再生骨料内部存在大量微裂纹。由于再生骨料加工过程及本身微观结构的特殊性，再生骨料与天然骨料相比具有如下特点:a.颗粒棱角多;b.表面粗糙;c.微裂纹，由于组分中还含有硬化水泥砂浆，再加上混凝土块在破碎过程中因损伤累积在内部大量造成;d.孔隙率大;e.吸水率大;f.堆积密度小;g.压碎指标高。此外，再生混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化能力、收缩、徐变和抗氯离子渗透性等耐久性能也均低于新混凝土。按照GB/T 25177-2010混凝土利用再生粗骨料，通过一系列的再生过程，我们得到了本试验用再生骨料。其物理性质见表2。

表1 42.5级普通硅酸盐水泥物理力学性能

表2 再生骨料的物理性质

3)抗压强度。根据相关研究结果表明再生骨料混凝土的透水性能和其孔隙率成正相关关系，所以为了预估混凝土构件的透水性能，为下面的透水性能研究做好铺垫，我们在测定强度的同时还测定其孔隙率。参考影响普通混凝土抗压强度的因素以及大量有关再生骨料混凝土的研究结果，我们选定了水灰比、骨灰比和再生骨料粒径作为测验抗压强度和孔隙率的影响因素。其中，水灰比选用 0.45，0.50，0.55 三个水平;骨灰比选用 3.0，3.5，4.0三个水平;再生骨料粒径选用 9.5 mm ～4.75 mm，16 mm ～9.5 mm，20 mm～16 mm三个水平。试验时用适当的手工搅拌的方法先将水泥净浆搅拌均匀，再加入再生骨料拌和成混凝土料，采用人工插捣的方法成型。每组6个试块，尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm立方体。拆模前表面覆盖塑料薄膜，防止水分过多的散失，拆模后洒水自然养护，自然养护28 d后，先测孔隙率并取平均值，自然风干后再按照GB 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准，依据公式N=P/A，得到28 d的抗压强度并取平均值作为28 d抗压强度。将表3试验结果进行极差分析，分析结果见表4。从表3试验结果和表4极差计算结果可以看出，对于考核指标为28 d抗压强度来说，水灰比为0.55，骨灰比为3.0，粒径为16 mm～9.5 mm时最好，根据极差R的大小，对抗压强度的影响顺序为:B→D→A，即骨灰比影响最大，粒径次之，水灰比最小。对于考核指标为孔隙率时，水灰比为0.50，骨灰比为4.0，粒径则是9.5 mm～4.75 mm时最好，根据极差R的大小，对孔隙率的影响顺序为:B→D→A→C，即骨灰比影响最大，粒径次之，水灰比的影响最小。

4)透水性。在上述正交试验结果及极差分析的基础上，考虑到本次试验预定的混凝土的强度目标，做透水性试验时，选用的再生骨料粒径为16 mm～9.5 mm，单独考察骨灰比和水灰比对透水性的影响。研究骨灰比和水灰比对透水性的影响时，本试验也采用标准试块，即尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。为了简化透水系数的测定过程，又考虑了实际工程应用中透水混凝土在透水过程中的水头高度是变化的，所以我们采用不定水位测试法测试透水性系数(透水性系数测定示意图如图1所示)。

表3 正交试验方案和试验结果

表4 正交试验结果的极差分析

图1 透水性系数测定示意图

计算公式为:K1=h/t，K=(K1×L)/(H1+L)。其中，h为水位变化高度，mm;t为时间，s;L为试件厚度，mm;H1为水头差，mm。当骨灰比(S/C)为3.0时，改变水灰比(W/C)并测定相应的透水性系数(K)得到如表5，图2所示试验结果。

表5 改变水灰比测定的透水性系数

图2 透水性系数随水灰比变化规律

从图2中我们可以看出随着水灰比的增大透水系数明显下降，且变化幅度较大。当水灰比维持在较小值时，由于水相对较少，包裹在再生骨料表面的水泥净浆较薄，骨料与骨料间的空隙较大，而且较容易连成贯通的孔隙，随着水灰比的增大包裹在骨料表面的净浆逐渐变厚，再生骨料间的孔隙逐渐被水泥净浆填满，导致制成的混凝土构件内部难以形成贯通的孔隙，从而大大降低了其透水性能。当水灰比增至4.5时透水性系数已接近我们期望的最小值，水灰比再增大到5时，透水性系数只有0.81 mm/s，

表6 改变骨灰比测定的透水性系数

从图3中我们可以很明显看出透水性系数受骨灰比影响很大，随骨灰比的增大透水性系数增大很明显，且当骨灰比介于3～4之间时透水性系数与骨灰比几乎呈线性变化。相对而言骨灰比介于2.5～3之间和4～4.5之间时，透水性系数变化较小。骨灰比为2.5时由于水泥净浆太多几乎将再生骨料间的空隙填满，所以此时的透水性系数很低，不满足本次试验对透水性的预期目标。

综上所述，就本次试验而言，既要满足预期的15 MPa以上的强度要求，又要满足1.5 mm/s以上的透水性系数要求，我们得出了如表7所示的最优配合比。远小于我们的预期目标。

表7 最优配合比

当水灰比(W/C)为0.55时，改变骨灰比(S/C)并测定相应的透水性系数(K)得到如表6，图3所示试验结果。

图3 透水性系数随骨灰比变化规律

2 道路建设上的应用前景分析

随着我国经济的发展和城市化建设的加快，混凝土的用量正在以惊人的速度增长，随之而来的是一系列的问题。对于像温州这样雨量充沛的南方城市来说，普通的混凝土路面和沥青路面在雨天的时候都面临着积水的问题，虽然南方城市都有完善的城市排水系统，但每次一到下雨就会有积水。这不仅影响道路交通安全，而且降雨过后雨水都通过城市排水系统排走，长时间以后城市地下水会由于得不到补充而导致地下水位下降，从而造成地表沉降，而这无论对建筑物还是对道路本身都会造成无法挽回的破坏。而再生骨料混凝土不仅变废为宝解决了大量的建筑垃圾，还能解决雨天路面积水的问题，同时保证正常的大气水循环，减少地表沉降的发生。无砂再生骨料混凝土的特殊的多孔结构还能在一定范围内调节气温改善城市热岛效应。本次试验的结果表明，无砂再生骨料透水混凝土能够既具有较高的强度，又具有良好的透水性能。应用于道路工程时透水性能已经能满足要求，但满足透水性能的同时抗压强度与道路规范要求的混凝土强度有一定差距，不过这并不影响其在道路工程中的应用。因为本次试验我们并未对再生骨料做特殊处理，也未采用优化的加工和混凝土成型工艺。而据相关的研究表明采用化学方法等对再生骨料进行处理后得到的混凝土强度可以提高10%～20%。那么强度就可以提高到20 MPa以上，该无砂透水性混凝土就可以应用于人行道、步行街等承受荷载不大的地方，也可以适当降低其透水系数将强度提高到30 MPa以上应用于轻量车的停车场。