再生粗骨料透水混凝土制备工艺及配合比优化研究

2018-07-31韩云婷杨利香陈海燕

新型建筑材料 2018年6期

韩云婷，杨利香，陈海燕

（1.上海市建筑科学研究院，上海 201108；2.上海工业固体废弃物资源化利用工程技术研究中心，上海 201108）

0 前言

随着我国城镇化步伐加快，建筑垃圾的产生量剧增，据统计，我国每10 000 m2建筑会产生建筑废弃物500～600 t[1]，但建筑废弃物的利用率却不足5%，大量堆积的建筑垃圾侵占土地、污染地下水，给环境带来了恶劣的影响，因此，提高建筑垃圾资源化利用率迫在眉睫。与此同时，为解决城市热岛效应和雨季“看海”等难题，“海绵城市”成为近期城市建设的热点。透水混凝土内部具有大量的连通孔隙，具有透水、透气、吸声、降噪等特点[2]，对缓解城市热效应、改善地表生态环境、排水透水等方面有显著效果。因此，利用建筑垃圾配制透水混凝土，具有一举两得的效果。

由于透水混凝土内部连通孔隙的存在，常规搅拌和成型方式对透水混凝土强度和透水性能影响较大；同时，透水混凝土的设计孔隙率、水胶比、骨料粒径等均会影响透水混凝土的强度、透水系数等，且相互影响和制约。因此，本文系统研究了再生骨料透水混凝土的搅拌方式和成型方式对透水混凝土强度和透水系数的影响，并采用正交试验，分析确定了设计空隙率、水胶比、骨料粒径和砂率等对再生骨料透水混凝土抗压强度和透水系数的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：万安P·O42.5水泥，主要性能指标见表1；细骨料：天然砂，含泥量0.8%，泥块含量0.1%，细度模数2.8；粗骨料：再生粗骨料来自上海城建物资再生骨料生产线，经人工破碎筛分成5～10 mm、10～15 mm和5～25 mm三种粒径；天然粗骨料来自湖州某骨料生产厂家，粒径为5～10 mm，粗骨料的主要性能指标见表2；减水剂：浙江传化聚羧酸减水剂，含固量20%，减水率27%。

表1 水泥的主要性能指标

表2 粗骨料的主要性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 测试标准

按照CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》进行配合比设计，抗压强度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试，透水系数按照CJJ/T135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》进行测试。

1.2.2 搅拌方式

本文研究一次搅拌法和水泥裹浆法2种搅拌方式，具体操作步骤如下：

（1）一次搅拌法：按照GBT 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中相关要求，将称好的粗骨料、胶凝材料、细骨料和水依次加入搅拌机，搅拌时间2 min以上。

（2）水泥裹浆法：①将全部粗、细骨料及1%～3%的水预拌，使骨料表面刚被润湿为宜；加入全部胶凝材料继续拌和，以形成包裹骨料表面的水泥浆壳；②将外加剂和剩余的水均匀混合后倒入，至混凝土拌合物表面光亮时停止搅拌，搅拌时间约2.5 min。

1.2.3 成型工艺

本文研究人工锤捣成型、振动压实成型和静压力成型等3种成型工艺对透水混凝土性能抗压强度和透水系数的影响，3种成型工艺均为2层装料，第1层至试件模具高度的2/3处，第3层高出试模20 mm。

（1）人工锤捣成型：人工捶捣，每层均采用特制锤压板均匀锤捣15次。

（2）振动压实成型：人工捶捣和机械振动组合成型，将装入混凝土的试模置于混凝土振动台，每层均在振动情况下，采用特制锤压板均匀锤捣15次后关停振动台。

（3）静压力成型：采用实验室压力试验机静压成型，将装入混凝土的试模置于压力试验机下，以0.5 kN/s的速度加荷，试件所受压强约为1 MPa时停止，并稳压30 s，然后卸荷。

1.2.4 养护方法

将成型好的试件表面覆盖塑料薄膜，以防止水分蒸发，并在（20±3）℃、相对湿度大于60%的养护室中养护。试件成型24h后拆模，拆模后的试件放入（20±3）℃、相对湿度大于90%的标准养护室中继续养护至规定龄期。

2 试验结果分析

2.1 搅拌方式对透水混凝土强度和透水性能的影响

采用5～10 mm粗骨料，人工锤捣成型，设计孔隙率为15%，水胶比为0.26，砂率为0，分析不同搅拌方式对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响，结果如表3所示。

表3 搅拌方式对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响

由表3可知：

（1）相同配合比条件下，水泥裹浆法成型的试件28 d抗压强度均高于一次搅拌法，这是因为透水混凝土最薄弱的环节是水泥石与骨料的界面，而水泥石与骨料间的界面结合力主要取决于接触面积和接触点处结合料的粘结强度[3]。采用水泥裹浆法，水泥浆在机械搅拌的作用下能均匀包裹于骨料表面，有效提高了包裹率，水泥和骨料的粘结面积增加，从而提高了试件的抗压强度[4]。

（2）2种搅拌方式成型的试件透水系数相差不大，且一次搅拌法略高于水泥裹浆法，这是因为一次搅拌法对骨料的包裹率较低，所形成的水泥浆厚度较小，从而在一定程度上提升了体系的孔隙率。

（3）在搅拌过程中发现，采用一次搅拌法，混凝土拌合物骨料包裹差，水泥成球现象严重，且硬化后的混凝土试件掉角现象严重，而水泥裹浆法成型的试件基本无这些不良现象。

因此，综合考虑透水混凝土强度和透水性能，后续试验采用水泥裹浆法成型试件。

2.2 成型方式对透水混凝土强度和透水性能的影响

采用5～10 mm粗骨料，设计孔隙率为15%，水胶比为0.26，砂率为0，分析不同成型方式对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响，结果如表4所示。

表4 成型方式对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响

由表4可知：

（1）3种成型方式对透水混凝土28 d抗压强度的影响基本相当，采用振动压实成型的透水混凝土抗压强度略高于其他2种成型方式，这是因为振动成型是通过振动克服骨料间的摩擦力并靠骨料自身重力达到密实[5]，而且在振动的同时施加一定的压力，增加了混凝土间的密实度，从而提高强度。

所选病例符合要求，排除以下病例：（1）合并内外科其他严重疾病者；（2）合并精神类疾病者；（3）合并严重身体缺陷者；（4）合并肝肾心肺功能严重损伤者；（5）入组前接受类似治疗者；（6）合并器质性病变者。

（2）人工捶捣成型和静压力成型的透水混凝土透水系数基本一致；而采用振动压实成型的透水混凝土透水系数均为0，这是因为振动压实成型时，包裹在骨料周围的水泥浆体在重力作用下落并填充在混凝土中的孔隙中[6]，堵塞了连通孔隙所致。

（3）拌合物成型过程中发现，采用静压力成型时，成型压力较难控制，压力过小易导致透水混凝土不易成型或成型后颗粒易剥落，而成型压力过大则易造成成型面骨料压碎和试模破损等现象，可操作性相对较差。

因此，综合考虑透水混凝土强度和透水性能等，后续试验均采用人工捶捣成型。

2.3 正交试验设计及结果分析

采用水泥裹浆法搅拌、人工捶捣成型试件。设置4因素3水平正交试验，并通过控制维勃稠度（14±2）s确定减水剂掺量，正交试验因素水平见表5。根据正交理论，分析设计孔隙率、水胶比、再生粗骨料级配、砂率等对透水混凝土抗压强度和透水性能影响的显著程度，确定因素和水平的最优组合，具体试验结果见表6，极差分析见表7。

表5 正交试验因素水平

表6 正交试验设计及性能测试结果

表7 正交试验极差分析

由表6、表7分析可知：

（1）设计孔隙率是影响透水混凝土抗压强度的主要因素，随设计孔隙率的增加，抗压强度呈直线下降趋势；砂率是影响透水混凝土抗压强度的次要因素，随砂率的增大，抗压强度先提高后降低；水胶比和再生粗骨料级配对透水混凝土抗压强度影响相当。当设计孔隙孔隙率为10%、水胶比为0.32，再生粗骨料粒径为10～15 mm、砂率为5%时，体系的抗压强度最高。

（3）各因素对透水混凝土抗压强度的影响顺序为：设计孔隙率＞砂率＞水胶比＞再生粗骨料级配；各因素对透水混凝土透水系数的影响顺序为：设计孔隙率＞再生粗骨料级配>砂率＞水胶比。

根据抗压强度和透水系数的影响因素分析可知，其强度和透水系数呈反比关系[7]，其中设计孔隙率是影响二者的最主要因素。透水混凝土的强度由水泥浆体的粘结强度和骨料间的机械咬合力共同决定[8]，而在配合比、制备方法确定的前提下，其强度主要受水泥浆体粘结强度和粘结点数量的影响。当透水混凝土中水泥浆体粘结强度相对较高或粘结点相对较多时，混凝土的强度也相对较高，但较多的粘结点促使骨料间的点接触变为面接触，从而导致骨料之间连通孔隙数量和孔径的减小，甚至堵塞，最终致使透水混凝土的透水系数降低。

因此，透水混凝土的配合比设计，尤其是设计孔隙率的选取，要根据具体配制要求确定。根据正交试验可知，所配制的透水混凝土透水系数富余较大，但抗压强度较低，可选取较低的设计孔隙率；同时根据CJJ/T 135—2009要求，较优的配合比为：设计孔隙率10%、水胶比0.32、再生粗骨料粒径5～10 mm或10～15 mm、砂率为0。