再生与天然骨料透水混凝土收缩性能试验研究

2018-05-09付立彬肖保辉

水利与建筑工程学报 2018年2期

付立彬，肖保辉，付娟

(黄河科技学院建筑工程学院，河南郑州 450063)

目前，城市中普遍使用的混凝土硬化路面和场地生态性能较差，比如：缺乏透气性和透水性，雨水不能通过路面渗透还原为地下水，容易形成城市洪涝灾害和“热岛现象”的产生。为了调节大气循环，改善地下水环境，工程界提出了“透水混凝土”材料，作为一种新型建材其生态效益优势显著[1-6]。城市路面和场地推广透水混凝土材料具有明显优势：雨水直接通过路面渗透，补充地下水，环保生态效益良好；减小下水道排水压力，缓解城市内涝灾害，降低城市排水系统建设成本；雨天路面不积水，提高行车安全性；透水路面孔隙率较高，吸收行车噪音能力强。我国每年产生大量的废弃混凝土，建筑垃圾的再生利用率偏低，对环境造成了严重的负荷。回收和利用废弃混凝土再生骨料资源节约、环境保护和生态可持续发展[7-8]。因此，透水混凝土在城市中广泛使用对我国“海绵城市”建设具有较好的应用价值和现实意义。

本文采用再生骨料和天然骨料制备透水混凝土，重点分析了不同砂率对透水混凝土收缩性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料及性能

水泥：郑州金龙42.5普通硅酸盐水泥，厂家提供的物理性能指标如表1所示。

表1 水泥物理力学性能

河卵石：粒径为5 mm～10 mm，表观密度为2 730 kg/m3，堆积密度为1 640 kg/m3，含泥量为0.5%，为本试验的原生粗骨料。

再生骨料：再生骨料由河南省建筑材料科学研究院提供，粒径为4.75 mm～10 mm，表观密度为2 442 kg/m3，堆积密度为1 340 kg/m3，含泥量为0.8%，微粉含量2.9%。

细骨料：河砂，细度模数为2.1，表观密度为2 678 kg/m3，堆积密度为1 549 kg/m3，含泥量约1.3%。

减水剂：普通萘系高效减水剂，减水率为20%。

矿物掺和料：硅灰，其性能指标由厂家提供如表2所示。

表2 硅灰性能指标

与天然骨料相比，再生骨料由于其生产过程中破碎研磨等不可抗的原因，导致再生骨料中存在砂浆块等软弱颗粒且骨料表面微粉含量较多，使再生骨料吸水率较大，表观密度偏小。

1.2 试验配合比设计

配合比设计方法：在参照普通混凝土配合比设计方法中体积法的基础上[9-15]，结合本项目组前期对无砂透水混凝土物理力学性能的试验结果综合确定[16]。本次干缩性能试验所采用的孔隙率为15%的透水混凝土，配合比如表3所示，养护采用自然养护。

表3 透水混凝试验配合比

1.3 试验方法

1.3.1 试件成型方法

透水混凝土与普通混凝土骨料包裹模型不同，一般靠经验和观感来控制搅拌，试件成型时的拌合物工作状态以“浆体包裹骨料颗粒黏聚性好，不松散，手攥成团为宜”[14]。试验时每个配合比制作成型三块试件。每个试块分2次装料，第1次装至试模高度的三分之二处，边装料边振捣，注意均匀插捣；第2次装料应高出试模约15 mm～20 mm，然后用平板振动器均匀振动，之后采用抹刀抹压平整。1 d后拆模，标准养护至28 d龄期[9,15]。

1.3.2 收缩试验

收缩试验采用的试模尺寸为100 mm×100 mm×515 mm，试模两端各有一孔，并设有专用支架用于装千分表[16]。每个试件制作方法相同，具体成型方法为：首先将试模底面和两个侧面涂刷黄油；然后将一层塑料薄膜内衬于试模中，以避免试模对混凝土收缩的限制；将铜制收缩测头插入试模两端并填料；成型后立即装上千分表，使千分表端头与试模测头接触良好时，千分表置零。试件成型后每隔两小时读一次数，连续读数至养护的第2天，之后每一周即：7 d、14 d、21 d、28 d、35 d、42 d、49 d、56 d、63 d、70 d、77 d分别进行一次读数。

1.3.3 抗压强度试验

本试验对每组配比均留有6块试件，以测试其28 d抗压强度。试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗压强度试验依据标准规定进行。

2 试验结果与分析

2.1 基本物理力学性能

每组分别做3个试验试件，试验结果取其平均值。其28 d抗压强度、实测孔隙率和透水系数如表4所示。

表4 混凝土基本性能

本试验设计的目标孔隙率为15%，孔隙率的测定采用如下方法：称量试件烘干后的重量G2和在水中的重量G1，假设水能充分充满试件内部相互连通的空隙，则试件受到的浮力即为两重量之差。孔隙率的计算如式(1)所示。

(1)

试验结果显示，无砂再生透水混凝土的孔隙率实测值偏大，其他组的孔隙率符合试验设计要求。孔隙在透水混凝土中的分布一般可分为三种[6-7]：完全封闭的孔；开口但不连续的孔；连续的孔。但是本试验所测的孔隙率一般指连续孔和半封闭孔，所以混凝土本身的孔隙率还要比实测的孔隙率大。

孔隙在保证混凝土透水性的同时也降低了混凝土的强度，从试验结果可知，孔隙率与强度的相关性比较明显。同时，随着砂率的增加，无论是再生透水混凝土还是天然骨料透水混凝土，其强度均有所加强，同时试验发现砂率不如孔隙率对抗压强度的影响明显。

2.2 早期收缩试验结果及分析

试件成型后48 h收缩试验结果如图1所示。

图1养护初期收缩

从图1中可以看出：各组试件在成型后都经过了一个膨胀阶段，约16 h后达到膨胀峰值，各组试件膨胀峰值到达时间不同，但是相差不大，差别保持在4 h以内。膨胀峰值过后开始收缩变形，收缩趋势的基本规律为砂率越大收缩越小，在砂率相同的情况下，再生骨料组比天然骨料组收缩大。

试验中B1组水泥用量最大且膨胀也最大，随砂率的增加和水泥用量的减少，混凝土的膨胀值也相应减小。前期混凝土的膨胀普遍认为是水泥水化放出的水化热所致，并且理论上水泥用量越大其膨胀也越大，这与本试验结果相吻合。

前期的膨胀过大会对后期收缩变形产生不利影响，如果前期膨胀大，而后期又持续收缩，这就增大了裂缝产生的概率。故从收缩变形的角度讲，在透水混凝土中使用一定的细骨料，可降低材料的开裂概率。

将A1、A2与C组进行对比发现：在龄期26 h之后，砂率为0%的透水混凝土的收缩明显超过普通混凝土，砂率为10%的透水混凝土收缩略小于普通混凝土，这再次印证了细骨料对收缩的有利影响。对比B1、B2与C组，也会得到相同的结论。

2.3 硬化阶段收缩试验结果及分析

硬化阶段收缩试验结果见图2～图6。图2～图5分别分析了不同砂率、不同粗骨料对硬化收缩的影响，在后期收缩变形时，一致的规律是：28 d之前收缩变形持续增大，28 d之后收缩大体上会趋于稳定，个别试件甚至略有膨胀。由图2和图3可知，无论采用天然骨料还是再生骨料，提高砂率均会减少收缩值。由图4和图5可知在砂率相同的情况下，使用再生骨料均比使用天然骨料的透水混凝土收缩大。在透水混凝土中骨料之间依靠胶凝材料来黏结和相互嵌固，由于再生骨料的吸水率较大，故再生骨料表面因水泥砂浆层的包裹使用的胶凝材料用量增加，这就加大了再生骨料透水混凝土的收缩变形量。

图2 天然骨料0%、10%砂率干缩变化

图3再生骨料0%、10%砂率干缩变化

图6是透水混凝土与普通混凝土硬化后的收缩对比，由图6可见，再生骨料透水混凝土收缩最大，其次是天然骨料透水混凝土，普通混凝土收缩最小。再生骨料透水混凝土的硬化收缩明显较大，而A1组与C组相比，28 d之前，天然骨料透水混凝土较普通混凝土收缩大，但之后收缩趋于稳定时，二者收缩差别不大，产生这一现象的原因，可能是两组使用了不同的水胶比，使混凝土内部毛细孔产生差别，进而影响最终收缩。