无砂透水再生混凝土试验研究

李亚宁

【摘 要】本文选用5种再生骨料掺量方案（0、25%、50%、75%、100%）研究再生透水混凝土中再生骨料合理掺量的问题。控制碎石级配、设计孔隙率和水灰比这三个因素不变，考察抗压强度、有效孔隙率和透水系数这三个评价指标。利用前期对天然骨料透水混凝土研究得出的结论，比较不同再生骨料掺量下各评价指标的变化规律，综合分析实验数据，总结出再生透水混凝土中再生骨料的合理掺量。

【关键词】再生透水混凝土；再生骨料掺量；设计孔隙率；抗压强度；透水系数

随着社会经济的发展和人们对舒适生活的追求，越来越多的城市将面临着老城重建问题。这将产生数量巨大的建筑垃圾，其中废弃混凝土大约占到30%～50%。这些废弃混凝土除了一小部分用作道路和建筑物的基础垫层外，大部分都不经过处理，直接运往市郊进行堆放或者填埋。由于废弃混凝土在短时间内不可降解，以此方式处理会产生难以预料的环境和社会问题，在寸土寸金的大城市矛盾尤其突出。因此，如何对废弃混凝土进行合理有效的利用，是一个迫切需要解决的问题。再生混凝土（RecycledConcrete）的出现，使得循环利用废弃混凝土成为可能。再生混凝土是指利用废弃混凝土破碎加工而成的集料，部分或全部代替天然集料配制而成的新混凝土。

同时，透水混凝土（PerviousConcrete）作为一种新的环保型、生态型道路材料，越来越受到人们的欢迎，该领域的研究应用已成为热点。采用透水混凝土对地面进行铺装，从生态和环境效益来看，具有许多优点：它是一个十分有效的收集雨水或使其回渗到地下的方法，有利于维持地下水资源的生态平衡，防止地表沉降，而且可以创造舒适的车行和人行交通环境；它使多种生物，特别是以微生物为主体的动植物群更容易栖息生长，延续自然生物链，而硬化地面阻断了类似的生物链；它可以吸收汽车、交通以及环境的其他噪声，改善视觉环境；它可以吸收太阳热和环境其他热源放出的热量，在环境温度降低时又将热量放出，缓解“热岛效应”。

一、试验概况

1、原材料

水泥：采用42.5级普通硅酸盐水泥，质量符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》要求。

硅灰：采用普通二氧化硅微粉，技术指标符合透水混凝土增强料的技术指标，以6%的掺量等量替代水泥。水：普通饮用水，符合JGJ63-2006《混凝土用水标准（附条文说明）》的规定。

粗集料：采用天然碎石和再生碎石，经人工筛分后用水冲洗干净，自然风干，得到级配分别为9.5～16mm、16～19mm和19～25mm的三种级配粗集料。天然碎石基本物理性能如表1所示，再生碎石基本物理性能如表2所示。试验参照JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》进行。根据GB/T14685-2011《建筑用卵石、碎石》，天然碎石性能指标基本符合Ⅱ类用石要求。根据GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料》，再生碎石性能指标基本符合Ⅱ类用石要求。

表1天然碎石基本物理性能

表2再生碎石基本物理性能

2、配合比设计

配合比设计采用体积法进行，首先根据粗集料紧密堆积密度计算出单位体积粗集料用量，然后根据粗集料紧密堆积孔隙率和设计孔隙率计算出胶结料浆体体积，最后根据设计水灰比和硅灰水泥掺量比，依次算出单位体积水的用量、单位体积水泥的用量和单位体积硅灰的用量。

3、浇筑试块

透水混凝土立方体试块与普通混凝土立方体试块浇筑方式类似，由于透水混凝土现场施工时大多数以低频平板振动器和专用工具滚压，或平板压实机压实成型，振动能量小，因而试块制作时，可采用插捣成型，以避免振动太大造成水泥浆体沉底，阻塞孔隙，影响透水性。

4、性能测试

4.1抗压强度

参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

4.2有效孔隙率

参照DB11/T775-2010《透水混凝土路面技术规程》进行测试。

4.3透水系数

参照CCJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》进行测试，采用“固定水位高度法”，试验仪器为自制透水系数测定仪。

二、试验结果与分析

试验分析流程：对整体正交组进行分析→对相对较优组进行分析→对局部最佳组进行分析，采用L9（33）类型三因素三水平正交试验表，如表3所示。

表3三因素三水平正交试验

根据前期全天然骨料透水混凝土的研究结论，综合考虑透水混凝土的力学性能和透水性能，得出最佳组合为：碎石级配16～19mm，设计孔隙率15%，水灰比0.30，在此基础上，研究再生透水混凝土中再生骨料的掺量问题。再生骨料掺量分别为0、25%、50%、75%和100%时，再生透水混凝土的抗压强度指标、有效孔隙率指標和透水系数指标试验结果如表4所示。

表5不同掺量再生骨料对再生透水混凝土最优组各评价指标影响的试验结果

1、再生骨料掺量对抗压强度指标的影响

由图1可知，在不同再生骨料掺量水平下，各试验编号的抗压强度指标变化各不相同，整体趋势杂乱无章。通过仔细观察发现，其中有两条曲线的抗压强度指标相对于其它七条曲线而言，比较特殊，一条是4#（碎石级配16～19mm，设计孔隙率15%，水灰比0.30），另一条是7#（碎石级配19～25mm，设计孔隙率15%，水灰比0.35）。这两条线几乎覆盖了下面七条曲线，对于抗压强度而言，这两条线具有代表性，因此，从这九组中将相对较优的两组拿出来进行分析。这两个试验组有一个相同之处，即设计孔隙率都是15%，而15%的设计孔隙率是设计孔隙率三个水平中最小的一个。由于设计孔隙率较小，混凝土内部更多是被粗骨料和胶凝材料所形成的整体填充，且填充效果较好，粗骨料与胶凝材料之间搭接紧密，形成有效稳定骨架，当混凝土承受压力时，其内部骨架有更多支点参与受力，抗压强度相对较高。反之，当设计孔隙率提高时，混凝土内部有较多孔隙，粗骨料和胶凝材料填充效果不好，搭接不紧密，不能形成合理受力骨架，一旦受压，由于内部只有较少的支点参与受力，显然抗压强度不会太高。

由图2可见，两条曲线的峰值点都出现在再生骨料掺量为25%时，峰值点的左侧曲线呈上升趋势，峰值点的右侧曲线呈下降趋势，只是在再生骨料掺量为75%的地方，7#（碎石级配19～25mm，设计孔隙率15%，水灰比0.35）的曲线出现转折，呈上升趋势。不同再生骨料掺量对透水混凝土的抗压强度影响比较大。总体而言，透水混凝土的抗压强度随再生骨料掺量的增加而降低。这主要是因为掺入的再生骨料与新旧砂浆之间存在较弱的胶结层，破坏往往由这个薄弱地带展开。除此之外，旧混凝土须经过破碎才能将再生骨料分离出来，在这个过程中，再生骨料承受巨大的撞击，其表面甚至内部出现微裂纹，导致掺入再生骨料的混凝土强度普遍不高。再者，再生骨料表面的陈旧砂浆孔隙率较高，吸水性较大，容易产生应力集中和用水量增加的现象，这些都可能导致掺入再生骨料的透水混凝土强度降低。本试验天然骨料的压碎指标要高于再生骨料的压碎指标，按照常理，在碎石级配相同的情况下，再生骨料掺量水平为0，即粗骨料全部是天然骨料的混凝土，其抗压强度应该比掺入再生骨料的混凝土抗压强度要高，然而试验中再生骨料掺量为25%时，混凝土的抗压强度反而是最高的，这可能是由于掺入的25%再生骨料和其它75%的天然骨料一起形成了一个更合理的受力骨架，其内部骨料和胶凝材料分布均匀，整体粘结可靠。除此之外，适量再生骨料表面的陈旧砂浆由于比较粗糙，形成一定的内摩擦力等原因和上述条件共同作用，最终导致再生骨料掺量为25%时，抗压强度比较高。根据前期研究得出的结论，4#（碎石级配16～19mm，设计孔隙率15%，水灰比0.30）为最佳组合，因此，从这两组中将最佳组单独拿出来进行具体分析。

由图2可知，对于4#组，再生骨料掺量在0～25%范围内，抗压强度增长明显，增幅达到35%左右；再生骨料掺量在25%～100%范围内，抗压强度呈下降趋势，总降幅达到35%左右，其中再生骨料掺量为25%～50%时，降幅为17%左右，再生骨料掺量为50%～75%时，降幅为14%左右，再生骨料掺量为75%～100%时，降幅为4%左右。观察整个曲线的变化趋势，再生骨料掺量为25%时，抗压强度达到最大值，过了峰值后，试样抗压强度一路下降，下降的幅度随着再生骨料掺量的增大而减小。初步判断，以抗压强度为评价指标，再生骨料掺量为25%时比较合适。图3为不同再生骨料掺量水平下再生透水混凝土抗压强度指标拟合高斯曲线。由图3可知，利用高斯曲线对图像进行拟合，通过计算，该曲线的R2=0.97788，拟合度较高，拟合的高斯函数为y=13.5+6.2e，式中：x为再生骨料掺量水平，y为抗压强度指标。观察高斯拟合曲线，当再生骨料掺量在30%左右时，曲线可达到极大值。因此，以抗压强度为单一评价指标时，再生骨料掺量取30%最为合适。

2、再生骨料掺量对有效孔隙率指标的影响

由图4可见，在不同再生骨料掺量水平下，各试验编号的有效孔隙率指标变化各不相同，整体趋势杂乱无章。根据前期试验的结论，设计孔隙率是影响透水混凝土有效孔隙率指标的主要因素，只有控制设计孔隙率这一指标不变，相对较优组之间才能相互比较。显然，当设计孔隙率为15%时，相对较优组的曲线有三条：分别是1#（碎石级配9.5～16mm，设计孔隙率15%，水灰比0.25）、4#（碎石级配16～19mm，设计孔隙率15%，水灰比0.30）、7#（碎石级配19～25mm，设计孔隙率15%，水灰比0.35）。透水混凝土的有效孔隙率一般随着设计孔隙率的改变而改变，再生骨料掺量的多少并不能从根本上决定有效孔隙率的大小，就算有一定的影响，也是针對具体某一组组内微小的相对变化，不能形成普适规律，而试验数据也证明了这点。对于有效孔隙率而言，1#、4#、7#三曲线具有代表性，因而从这九组中将相对较优的三组拿出来进行分析。

由图5可知，1#（碎石级配9.5～16mm，设计孔隙率15%，水灰比0.25）的曲线形似“M”型，4#（碎石级配16mm～19mm，设计孔隙率15%，水灰比0.30）和7#（碎石级配19～25mm，设计孔隙率15%，水灰比0.35）的曲线形似“W”型。观察图像，并不能看出有效孔隙率指标和再生骨料掺量之间的规律。但为了和抗压强度指标分析方式统一起来，运用控制变量法，从这三组中将最佳组单独拿出来进行具体分析。

由图6可知，再生骨料掺量在0～25%范围内，有效孔隙率指标呈下降趋势，降幅为30%左右；再生骨料掺量在25%～50%范围内，有效孔隙率指标呈上升趋势，增幅为34%左右；再生骨料掺量在50%～75%范围内，有效孔隙率指标呈下降趋势，降幅为17%左右；再生骨料掺量在75%～100%范围内，有效孔隙率指标呈上升趋势，增幅为23%左右。观察整个曲线的变化趋势，再生骨料掺量在0、50%和100%时，有效孔隙率指标较大，再生骨料掺量在25%和75%时，有效孔隙率指标较小，每段上升和下降的变化率基本相近，曲线形状近似于一个“W”型。因此，以有效孔隙率指标为单一评价指标时，再生骨料掺量对有效孔隙率指标没有显著影响。在有效孔隙率指标和再生骨料掺量水平之间无法建立一个明确关系时，也就不能给出在相应条件下最合适的再生骨料掺量水平，这一判断只能由上述抗压强度指标来确定。

3、再生骨料掺量对透水系数指标的影响

由图7可知，在不同再生骨料掺量水平下，各试验编号的透水系数指标变化各不相同，整体图像杂乱无章。通过仔细观察，其中有三条线的透水系数指标相对于其它六条线而言，比较特殊，分别是3#（碎石级配9.5～16mm，设计孔隙率25%，水灰比0.35）、6#（碎石级配16～19mm，设计孔隙率25%，水灰比0.25）、9#（碎石级配19～25mm，设计孔隙率25%，水灰比0.30）。这三条曲线几乎覆盖了余下六条曲线，对于透水系数而言，这三条曲线具有代表性。因此，从这九组中将相对较优的这三组进行分析。由于在讨论抗压强度指标和有效孔隙率指标时，均涉及到4#（碎石级配16～19mm，设计孔隙率15%，水灰比0.30）这一组，为了统一起见，将这一组和上面的三组放在一起作为相对较优组进行分析。透水混凝土的透水系数一般是随着有效孔隙率的改变而改变，而有效孔隙率随着设计孔隙率的改变而改变，那么决定透水混凝土透水系数指标的主要因素是设计孔隙率。再生骨料掺量的多少并不能从根本上决定透水系数的大小，就算有一定影响，也是针对具体某一组组内微小的相对变化，不能形成普适规律，而试验数据也证明了这一点。

由图8可知，单从曲线的变化趋势来看，并不能发现透水系数指标和再生骨料掺量之间的明显规律。为了和抗压强度指标以及有效孔隙率指标分析方式统一起来，运用控制变量法，从这四组中将最佳组单独拿出来进行具体分析。

由图9可知，再生骨料掺量在0～25%范围内，透水系数指标呈下降趋势，降幅为53%左右；再生骨料掺量在25%～50%范围内，透水系数指标呈上升趋势，增幅为40%左右；再生骨料掺量在50%～75%范围内，透水系数指标呈下降趋势，降幅为61%左右；再生骨料掺量在75%～100%范围内，透水系数指标呈上升趋势，增幅为160%左右。观察整个曲线的变化趋势，再生骨料掺量在0、50%和100%时，透水系数指标较大，再生骨料掺量在25%和75%时，透水系数指标较小，其形状也近似为一个“W”型，但是各段上升和下降的变化率相差较大。因此，以透水系数为单一评价指标时，再生骨料掺量对透水系数指标没有显著影响。在透水系数指标和再生骨料掺量水平间无法建立一个明确关系时，就不能给出在相应条件下最合适的再生骨料掺量水平，这一判断只能由上述抗压强度指标来确定。

结束语：从图形上看，当再生骨料掺量在30%左右时，抗压强度指标取到极大值，因此，以抗压强度为单一评价指标时，再生骨料掺量取30%是比较合适的。再生骨料掺量对再生透水混凝土有效孔隙率指标和透水系数指标没有显著影响。

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