再生骨料透水混凝土的性能及影响因素研究

2018-10-17王靖刘钦焱蔡鹏陈洪王文义范杰

新型建筑材料 2018年9期

王靖，刘钦焱，蔡鹏，陈洪，王文义，范杰

（贵州理工学院土木工程学院，贵州贵阳 550003）

0 引言

近年来，随着建筑产业的发展，产生了大量的建筑废弃物与工业废渣，建筑垃圾的堆放不但造成了土地资源浪费，且伴随着产生各类的环境污染及社会公害。将建筑废弃物进行回收利用，作为再生骨料使用，可实现建筑业的可持续发展，具有良好的社会、经济和环境综合效益。因此，各国对建筑垃圾的再生利用都十分重视，相关学者也进行了一系列研究[1-5]。

透水混凝土（Pervious Concrete）是由胶凝材料、粗骨料、少量细骨料、水、外加剂和矿物掺合料按照一定比例配制而成的多孔混凝土。透水混凝土特殊的多孔骨架结构给予其一系列独特优势：如良好的渗透性能，能缓解道路排水压力，改善城市热岛效应；吸声降噪性能明显，能改善城市交通噪声[6-10]。因此，透水混凝土能有效解决普通混凝土所带来的一系列生态问题。

再生骨料透水混凝土充分利用了再生骨料和透水混凝土的功能优势，将再生骨料取代透水混凝土中天然骨料，不但能变废为宝，还能有效改善城市环境。然而，影响再生骨料透水混凝土性能的因素很多，这些因素之间的关系也复杂，仅凭以往的经验很难合理设计。为此，本文选取了目标孔隙率、水灰比、砂率、硅灰掺量为主要因素，各因素设计3个水平，通过正交试验分析了各因素对再生骨料透水混凝土力学性能、透水性能、表观密度的影响规律。此外，还分析了各性能与实测孔隙率之间的对应关系，以此为再生骨料透水混凝土的工程设计提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：海螺牌P·O42.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求；水：自来水；细骨料：天然河砂，细度模数为3.0～2.3（中砂）；减水剂：河北星辰化工生产的高效聚羧酸减水剂，减水率21.5%；粗骨料：建筑废弃混凝土，经破碎、清洗、晾晒、筛分后，得到级配为5～20 mm的再生碎石骨料，基本性能如表1所示，符合GB/T 25177—2010《混凝上用再生粗骨料》中Ⅱ类用石的要求；硅灰：行唐鑫磊矿物粉体场生产的普通二氧化硅微粉，符合透水混凝上增强料技术要求，具体性能指标如表2所示。

表1 再生粗骨料的基本性能指标

表2 硅灰的主要性能指标

1.2 正交试验设计

为了分析配合比对再生骨料透水混凝土抗压强度、透水系数、表观密度的影响，综合考虑了以下因素：目标孔隙率、水灰比、砂率、硅灰掺量（按占胶凝材料总质量计），采用L9（34）正交试验设计，并在基础上按照体积法进行各组分掺量的计算（共计9组，每组制作6个试块），正交试验因素水平见表3，正交试验设计及各组分掺量见表4。

表3 正交试验因素水平

表4 正交试验设计及各组分掺量

1.3 试件成型与养护

再生骨料透水混凝土的制备按照水泥裹石法进行，先将再生骨料和天然河砂按比例混合，并掺入50%的拌合水浸湿、搅拌120 s，骨料搅拌均匀后掺入水泥继续搅拌60 s，之后加入剩余的拌和水搅拌120 s，集料搅拌完成后立即装入100 mm×100 mm×100mm的试模中进行振捣、成型。成型后的试件用保鲜膜包好，以防止水分蒸发，之后置于标准养护室中进行养护[温度（20±2）℃、相对湿度95%]。试件成型1 d后拆模，然后继续置于标准养护室中养护至28d。

1.4 测试方法

抗压强度：按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，由于试块的成型尺寸均为非标准试件尺寸，故在计算抗压强度时乘以0.95的换算系数。

表观密度：采用体积法进行测试，试件养护完成后，将其置于干燥空气中静置24 h（温度30℃，相对湿度40%左右），使试件达到干燥状态。之后采用电子天平和游标卡尺测试试件质量与体积，计算二者比值即为表观密度。为减小实验误差，每组选取3个试件进行测试，取其平均值作为该组表观密度测试结果。

实测孔隙率：采用游标卡尺测量并计算试件体积V，之后将试件完全浸泡在清水中1 d，称量水中试件的质量m1。测试完成后将试件取出，置于60℃烘箱中烘至恒重，记录质量m2。按照式（1）计算再生骨料透水混凝土的实测孔隙率P：

透水系数：采用固定水头法进行测试，自制透水系数测试仪装置示意如图1所示。该装置由上下两端开口的透明塑料板长柱组成，柱体量筒侧面具有测量刻度。透水系数测试采用试件的非成型面作为2个透水面，以保证水流方向保持竖直。测试时将试件其余4面进行蜡封处理，以保证水流流向固定。测试前在透水系数测试仪和试件之间的接缝处填入适量橡皮泥，以排除水流通过缝隙渗出造成的实验误差。之后向量筒中注水，缓慢调节注水速度，待水面与上出水孔齐平时，保持注水速度不变，用容器从下出水孔量取一定时间之内的溢出水，并记录透水量Q。按式（2）计算透水系数K：

式中：K——透水系数，cm/s；Q——透水量，ml；L——试件高度，cm；H——水头差，cm；A——透水面积，cm2；t——透水时间，s。

每组测试2个试件，每个试件在不同水头高度下进行4次透水时间测试，剔除最大、最小值后取平均值，以此作为该组的透水系数测试结果。

图1 透水系数测试仪装置示意

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏过程及破坏形态

再生骨料透水混凝土的破坏形式如图2（a）所示，具体破坏断面形态如图2（b）所示。

图2 再生骨料透水混凝土破坏形式及断面形态

由试验过程可知，试件加载初期，由于加荷不大，试件受力较为稳定，未出现肉眼可观察到的裂缝。随着荷载的增大，试件内部发出“咔、咔”的响声，并伴随着产生细微裂纹，且裂纹产生部位集中在试件边角（应力集中区域）。当荷载进一步增大时，裂纹逐步扩张并趋于明显，且试件左右两侧出现较大的鼓起现象。荷载继续提高，裂纹不断扩张开展，并逐步与试件内部孔隙连通，骨料颗粒随之掉落，最终形成2条主要的竖向贯通裂缝，宣告试件破坏。通过对断裂面的细致观察可发现，再生骨料透水混凝土的断裂模式基本表现为界面破坏，即骨料之间的水泥基材破碎脱落。

2.2 正交试验结果与分析

正交试验结果见表5，极差分析见表6。

表5 正交试验结果

表6 正交试验极差分析

2.2.1 实测孔隙率

由表5可知，试件的实测孔隙率与目标孔隙率二者间偏差不大，且各组实测孔隙率均略低于目标孔隙率。产生该现象的原因可归结于再生骨料透水混凝土拌合成型过程中浆料的填充不可避免地形成部分封闭孔隙，至使有效孔隙降低（有效孔隙包括开口孔和半连通孔，不包含封闭孔）。水灰比、砂率、硅灰掺量等因素的改变对其实测孔隙率影响较小。

2.2.2 抗压强度影响因素分析

由表6可知：（1）目标孔隙率对试件抗压强度影响最显著，随着目标孔隙率的增大，透水混凝土的抗压强度明显降低，目标孔隙率为25%的透水混凝土抗压强度相对于15%时降低了35.8%。（2）随着水灰比的增大，透水混凝土抗压强度呈现出先提高后降低的变化规律。这是因为，水灰比小于0.30时，未达到透水混凝土的水化反应饱和用水量，水泥水化程度较低；超过饱和用水量后继续增大水灰比至0.35，多余水分将残留在水泥基体内部，并随着养护过程蒸发，残留大量缺陷孔隙，使其抗压强度明显下降。（3）砂率的增大可增加粗骨料接触点的数量，提高集料间的粘结力，使透水混凝土内部更加密实，抗压强度有所提高，砂率从0.05增大到0.15的过程中，透水混凝土的抗压强度提高了28.4%。（4）硅灰掺量对再生透水混凝土抗压强度的影响不明显。

2.2.3 透水系数影响因素分析

由表6可知：（1）目标孔隙率对透水混凝土透水系数的影响远大于其它3个因素，目标孔隙率由15%增大到25%时，试件的透水系数提高了112.7%，透水性能得到显著增强。（2）透水系数随水灰比的增大呈现先增大后减小的特征，由此可判断，再生骨料透水混凝土较为合适的水灰比为0.30。（3）细骨料（天然河砂）的掺入，将填充于混凝土内部，使得部分有效透水孔转化为封闭孔隙，从而使试件透水系数降低。砂率由0.05提高到0.15时，试件透水系数降低20.7%。（4）硅灰掺量对透水系数的影响不显著。

2.2.4 表观密度影响因素分析

由表6可知，4个因素中，目标孔隙率对试件表观密度影响最显著，随着目标孔隙率的增大，透水混凝土的表观密度呈现明显的减小趋势（透水混凝土内部孔隙增多，密实度降低，密度减小），目标孔隙率由15%增大到25%时，透水混凝土的表观密度降低了7.07%。随着砂率的增大，透水混凝土的表观密度呈现出较为明显的提高趋势（细骨料填充于透水混凝土内部，密实度提高，密度增大），砂率为0.15时再生骨料透水混凝土的表观密度相对于砂率为0.05时增大了7.06%。水灰比和硅灰掺量2个因素对透水混凝土表观密度的影响甚微。

3 抗压强度、透水系数、表观密度与实测孔隙率之间的对应关系

通过极差分析可以明显看出，4个因素中目标孔隙率对再生骨料透水混凝土各项性能的影响均最为显著。为了进一步探讨孔隙率与再生骨料透水混凝土性能之间关系，将实测孔隙率作为变化参数与各组试件抗压强度、透水系数、表观密度等进行综合分析，对应关系分别见图3～图5。

由图3可见，再生骨料透水混凝土的抗压强度与实测孔隙率间基本呈现出线性单调递减关系，即孔隙率越高的情况下，试件内部密实程度越低，导致其抗压强度越小。

图3 试件抗压强度与实测孔隙率的对应关系

图4 试件透水系数与实测孔隙率的对应关系

图5 试件表观密度与实测孔隙率的对应关系

由图4可见：再生骨料透水混凝土透水系数与实测孔隙率间呈现出明显的线性递增关系。即随着孔隙率的增大，试件透水性能得到明显增强。此外，各组再生透水混凝土的透水系数集中在0.72～2.13 cm/s，透水系数达到最大时基本能满足公路路面排水要求（JTJ 018—97《公路排水设计规范》规定的孔隙率为20%时，透水系数要求达1.084 cm/s以上）。

由图5可见，再生骨料透水混凝土的表观密度随实测孔隙率变化与抗压强度相似，基本呈现出线性单调递减关系，即孔隙率越大的情况下试件内部密实程度越低，从而使得试件质量越轻，表观密度减小。