再生集料制备多孔渗水混凝土材料试验研究

2018-02-27黄世源覃宏海

西部交通科技 2018年12期

韦莹，黄世源，庞彪，覃宏海

（广西交通职业技术学院，广西南宁 530023）

0 引言

随着城市建设的不断推进，构建雨水利用型“海绵城市”，已经成为新一代城市建设和发展的目标。“海绵城市”的建设，要求道路建筑材料拥有优秀的渗水、抗压、耐磨、防滑及环保美观、舒适易维护和吸音减噪等特点。传统道路路面铺装材料的不透水特性，造成降水难渗透，城市排水系统压力大，已经不能适应海绵城市的发展要求。正是在这样的背景下，多孔混凝土路面材料应运而生，它具有可以补充和保护地下水位的优点，而且可以缓解城市热岛效应。国外对于多孔混凝土的应用研究较早，在城市的体育操场、人行道、公园路面等得到广泛应用。对于此领域的研究，国内起步较晚，在实际应用研究中，研究的重点仍然是制备多孔混凝土材料的原材料来源及透水性能、抗压强度等物理性能。

而另一方面，在进行道路改扩建、旧城改造等城市化进程中，产生了大量的废旧混凝土等固体废弃物。若以随意丢弃的传统方式处理固体废弃物，既造成环境污染，又造成资源浪费，引发严重的社会环境问题。加快废旧水泥混凝土再生利用的研究，对其进行加工制备多孔混凝土材料，重新应用于新城市建设和发展中，尤其显得意义非凡。

本研究依托广西柳州至南宁高速公路（简称“柳南高速”）改扩建工程，结合已有的研究基础，将废旧混凝土再生集料化，然后用于制备多孔混凝土材料，并进行相关物理性质、力学性能测试和评价。

1 废旧水泥混凝土再生集料的性能

1.1 再生集料的破碎生产加工工艺

柳南高速改扩建工程中，水泥混凝土路面被凿岩机砸碎后，再采用炮击破碎并剔除钢筋，最后将混凝土破板（块）装车，运送至固定破碎点，采用颚式破碎机等组合式固定破碎生产设备进行集料的生产、加工，具体工艺流程见图1。

图1 再生集料加工流程图

加工机械采用的PE500＊700鄂式破碎机，分设三道筛孔，分别为4.75mm、9.5mm、31.5mm，采用2次破碎。废旧混凝土板（块）经破碎机2次破碎后，再生集料的粒径均已控制在31.5mm以内；然后经振动给料机，进入筛孔尺寸分别为31.5mm、9.5mm、4.75mm的三层筛分斗，碎石过筛后形成三级级配，即：0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～31.5mm，分别进入1＃、2＃和3＃料斗仓堆放。

1.2 再生粗集料的物理力学性能

试验根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42－2005）相关测试方法，测定了4.75～9.5mm，9.5～31.5mm再生粗集料的表观密度（视密度）、含水率、吸水率和针片状等主要物理性能指标，结果如表1所示。在本组试验中，对于再生集料针片状的技术指标要求，采用的是《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20－2015）中表3.6.1高速公路及一级公路重型交通Ⅰ类技术要求，但对于再生粗集料的表观密度、吸水率及含泥量，试验则采用《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTGT F30－2014）表3.3.2再生粗集料质量中Ⅱ级技术要求。这是由于我国现行《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20－2015）只对粗集料的针片状颗粒含量作出规定，其余物理性能均无具体要求。

表1 再生粗集料物理性能试验结果表

试验结果表明，不同粒径（4.75～9.5mm、9.5～31.5mm）的再生粗集料物理性能试验结果，均能满足上述规范指标要求。但是，与天然粗集料相比，再生集料表观密度比天然集料的小，吸水率明显偏大，达到6～7倍，含泥量偏大，针片状含量明显偏大，达到2倍左右。造成这些现象的原因是，旧水泥砂浆裹覆了大部分的再生粗集料碎石，且开口空隙较多，因此再生集料空隙率较大，表观密度偏小。此外，在再生粗集料中，表面裹覆旧水泥砂浆的碎石所占比例最大，且空隙率大，故而吸水率偏大。在实际施工中使用再生粗集料铺筑水泥稳定碎石基层时，含水量和水泥用量需要提高。同时，裹覆在再生集料的水泥石，使集料表面更粗糙、棱角更多，而且这种碎石占比大，因而再生粗集料的针片状含量高于天然集料。

压碎值、磨耗值、软石含量是粗集料的力学性能主要指标。试验分别采用《公路工程集料试验规程》（JTG E42－2005）T 0316－2005、T 0317－2005的压碎值试验方法和洛杉矶法测定再生集料的压碎值及磨耗损失率，试验结果如表2所示。采用《公路工程集料试验规程》（JTG E42－2005）粗集料软弱颗粒试验方法，测定4.75～9.5mm、9.5～31.5mm粒径再生集料的软石含量，试验结果如表3所示。试验对于再生集料磨耗损失率，则采用《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTGTF30－2014）表3.3.2，对再生粗集料的磨耗损失率提出技术指标要求。这是因为我国《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034－2000）等规范中，只对集料的压碎值提出指标要求。

表2 再生粗集料压碎值、磨耗损失试验结果表

表3 再生粗集料软石含量试验结果表

试验结果表明，再生粗集料压碎值、磨耗损失较大，但是其压碎值能满足规范中对底基层的要求，其磨耗损失亦满足规范要求。与天然粗集料压碎值相比，再生集料压碎值是其2倍左右，存在两方面的影响因素：（1）再生集料的棱角较多，且集料中有较多的碎石表面粘附着水泥砂浆；（2）对旧混凝土进行破碎加工的过程中，部分碎石由于二次破碎而出现裂纹。因此，在受外力作用下，裹覆的砂浆破碎，碎石裂缝扩展、破裂，共同造成了再生集料的强度降低。

软石含量实验结果表明，再生集料软石含量明显高于规范要求，达2～3倍左右。旧水泥混凝土破碎过程中，水泥浆体强度小，易压碎，因而破碎的小粒径再生集料中含水泥浆的比例更大。同时，这类碎石的吸水率较高，在实际使用中可能会增加用水量，降低材料的实际强度和水稳定性，因此，需对再生集料的软石含量进行严格控制。

2 再生集料制备多孔渗水混凝土

2.1 实验原材料及制备方法

实验原材料包括海螺牌P.O42.5硅酸盐水泥（具体成分见表4），粒径4.75～9.5mm的再生粗集料等。多孔混凝土相关性能受粗骨料的影响，在实验中，同时选用5～10mm的单粒径石灰石天然骨料制备多孔渗水混凝土，作为参照对比。再生集料与天然集料技术指标如表5所示。

表4 P.O42.5水泥成分表

表5 再生集料与天然集料技术指标表

实验结合目前的混凝土制备方法，采取一次加料法制备多孔混凝土材料。首先对水泥与集料进行搅拌，时间约60s，搅拌均匀后，加入水，再继续搅拌，时间约120s。搅拌结束后，将混合料浇注到提前准备好的模具中。

2.2 试验配合比确定及设计

本实验根据水泥浆体的体积计算公式（1），代入水灰比W／C的值，采用体积法对材料用量进行计算。水灰比的取值在0.2～0.45之间，设计流程如图2所示。

3 再生集料多孔混凝土的力学性能分析

3.1 水灰比对多孔混凝土抗压强度的影响

水灰比是影响混凝土性能的重要参数，混凝土的实际强度和内部孔隙结构受水灰比的影响。因此，实验设计了三个目标空隙率，分别为15%、20%和25%，水灰比介于0.2～0.45之间，以此利用再生集料制备多孔混凝土，并对其进行了抗压强度试验。不同目标空隙率的多孔混凝土抗压试验结果如图3所示。

图2 配合比实验具体流程图

图3 水灰比与抗压强度的关系示意图

试验结果表明，当水灰比＜0.3时，不同目标空隙率的混凝土材料的抗压强度随着水灰比的增大而增大；当水灰比＞0.3时，不同目标空隙率的混凝土材料的抗压强度随水灰比的增大呈下降趋势。对各曲线进行拟合发现，当水灰比在0.28～0.3的范围内时，各混凝土材料的抗压强度最大。

图4 再生粗集料与天然粗集料制备目标空隙率为20%的多孔混凝土抗压强度比较示意图

为了进行对比，实验中采用天然粗集料制备了目标空隙率为20%的混凝土材料，并进行了抗压强度测试，如图4所示。天然集料制备的混凝土，其抗压强度在水灰比为0.26时达到最大，再生粗集料制备混凝土材料强度最大值出现在水灰比为0.28～0.3之间。相关研究指出，适当增大再生集料制备混凝土时的用水量，有利于凝固过程中水化作用的发生，可有效提高强度。同时，通过对比发现，当水灰比＜0.29或＞0.32时，天然粗集料制备的混凝土材料抗拉强度更大。但是，通过对比不同集料制备的混凝土的最大抗压强度，再生集料制备的混凝土最大抗压强度为21.1 MPa，天然集料制备的混凝土最大抗压强度为23.2 MPa，两者之间的差值较小，说明了再生集料用于制备多孔渗水混凝土，可通过调整水灰比提供良好的强度。

3.2 空隙率对多孔混凝土强度的影响

为了研究再生集料混凝土的空隙率与强度的关系，实验以12%、15%、18%、20%、25%作为目标空隙率，分别采用再生集料与天然集料制备不同目标空隙率的多孔混凝土试件，并测试了它们的28d抗压强度，试验结果如图5所示。

图5 有效空隙率与抗压强度变化关系示意图

试验结果表明，空隙率和抗压强度呈负相关。随着空隙率的增大，混凝土材料的抗压强度不断下降。通过对比两者的变化曲线发现，不同目标空隙率下的再生粗集料制备的混凝土材料强度都要比天然集料的小。但是，当空隙率＜18%时，两者的抗压强度相差较小；当空隙率＞18%时，两者的抗压强度之差逐渐增大。

3.3 有效空隙率与渗透系数之间的关系

实验设计了5个不同的目标空隙率，分别为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与渗透系数的关系，试验分别采用再生粗集料及天然粗集料制备多孔混凝土，并采用TST－70透水仪进行渗透系数的测定，试验结果如图6所示。试验结果表明，两种不同材料的混凝土的渗透系数与有效空隙率呈正相关。在空隙率较小时，混凝土材料的渗透系数相差不大，但是，随着空隙率增大，再生粗集料制备的混凝土材料的渗透系数增加速率要比天然集料的大。