水胶比对再生骨料透水混凝土性能的影响分析

陈守开，李炳林，蒋海峰，何启东，郭 磊，杨 晴

(1.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450045；2.河南省水环境模拟与治理重点实验室，河南 郑州 450045；3.河南省水环境治理与生态修复院士工作站，河南 郑州 450002)

0 引 言

建设海绵城市能够提高雨水渗透率，从而缓解城市热岛效应问题。海绵城市建设包括低影响开发与绿色雨水基础设施建设[1]，透水混凝土属于绿色雨水基础设施的重要组成部分，是实现城市雨水径流“渗、滞、净、用、排”五大作用的必要条件之一[2]，但由于天然资源的日益缺乏，使得利用再生骨料制备透水混凝土的研究与应用愈加广泛。

利用再生骨料部分或完全替代天然骨料，制成的透水混凝土称为再生骨料透水混凝土(Recycled aggregate pervious concrete，RAPC)，当前国内外学者在这方面已有一定研究。薛冬杰等[3]研究了水灰比与养护龄期对再生骨料透水混凝土抗压强度以及透水性能的影响，结果表明，随着水灰比的增加，混凝土抗压强度先增加后降低；孙家瑛等[4]研究了再生透水性混凝土的力学性能和耐久性能，并指出随着骨料粒径的增大或者骨灰比的提高，再生骨料透水混凝土强度降低，渗透性能增加；陈守开等[5]研究了内掺粉煤灰与硅粉对再生骨料透水混凝土的力学与渗透性能的影响，结果表明，掺量20%的粉煤灰能提高骨料粒径为4.75～9.5 mm制成的再生骨料透水混凝土强度，但降低孔隙率与透水系数，掺量6%的硅粉对再生骨料透水混凝土的改性效果不明显；Yan等[6]研究了骨灰比、砂骨比、水灰比对再生骨料透水混凝土力学性能和透水系数的影响，结果表明，再生骨料透水混凝土强度随骨灰比的增大而减小，随砂骨比和水灰比的增大而增大，且透水系数的变化与力学性能相反；Rasiah等[7]通过掺高细度高炉矿渣进行再生骨料透水混凝土试验研究，发现透水混凝土抗压强度主要取决于孔隙率，随孔隙率的增大而增大，且渗透系数与孔隙率不受骨料类型的影响。由此可知，目前有关水胶比对RAPC性能影响的研究还不系统，有待进一步完善。

本文以废弃混凝土路面为再生骨料来源，通过RAPC的制备及其强度、孔隙率与渗透性能的试验研究，并结合基于灰色关联分析法和熵值法的综合评价分析，研究水胶比对RAPC性能的影响规律及确定优选配合比，为RAPC的设计和应用提供理论支撑。

表1 粗骨料的基本性能指标

1 试验设计

1.1 原材料

试验采用丰瑞天博P·O 42.5普通硅酸盐水泥；再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate，RCA)由C20废弃混凝土路面经颚式破碎机破碎，XSZ-73型单双层两用振筛机筛分后获得10～20 mm粒径的骨料，RCA性能按JGJ 53—1992《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》进行测试，相关指标满足GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》，试验结果见表1；天然粗骨料(Natural Coarse Aggregate，NCA)为天然碎石，骨料级配为10～20 mm，其基本性能见表1；粉煤灰为II级；水采用郑州市自来水。

由表1可知，RCA的表观密度和堆积密度均低于NCA，而其压碎指标和含水率高于NCA，NCA泥块含量是RCA的4.5倍，而RCA的10 min吸水率是NCA的4.6倍，吸水率远小于规范GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》要求的3.0%，属于Ⅰ类再生骨料，可不考虑附加用水量。

1.2 配合比设计

一般来说，透水混凝土水胶比的范围为0.26～0.40[8，9]。根据现有规范及研究成果，拟定再生骨料透水混凝土的基准水胶比为0.30[3-9]，并设计1组天然骨料透水混凝土(Natural aggregate pervious concrete， NAPC)作为参考。以再生粗骨料制备透水混凝土，在保证用水量与骨料用量不变的前提下，设计5个梯度的水胶比系列，水胶比分别为0.24、0.27、0.30、0.33、0.36；以水胶比0.30为基准，设计4个梯度的定水胶比系列，粉煤灰掺量分别为5%、10%、15%、20%，共计9组试验配合比，见表2，其中NAPC0.30表示水胶比为0.30的普通透水混凝土；RAPC0.24表示水胶比为0.24的再生骨料透水混凝土，其余水胶比配比编号与此类似；RAPC05F表示粉煤灰掺量为5%的再生骨料透水混凝土，其余掺量配比编号与此类似。

1.3 试验方法

试件制备参照GB 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用SJD型单卧轴强制式混凝土搅拌机拌制，其中，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体1组，用于孔隙率和透水性能试验；Φ100 mm×200 mm圆柱体2组，分别用于抗压强度(1组)和劈裂抗拉强度试验(1组)。每组包括3个试块，取其平均值作为试验结果。试件成型24 h后，放入标准养护室养护28 d。

表2 试验配合比

再生骨料透水混凝土抗压与劈裂抗拉强度试验方法均参照GB 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。连续孔隙率测试方法参照CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》；透水性能试验采用定水头法(200 mm)，参照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》。自制透水性能试验装置见图1。

图1 自制透水试验装置示意

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对RAPC的影响

2.1.1密度

水胶比与RAPC的密度ρ呈线性关系，如图2所示，满足ρ=2 118.61-1 036.4(W/B)。由图2可知，在保证骨料用量与用水量不变的前提下，RAPC密度会随着水胶比的增大而降低，且均比NAPC0.30的密度低，ρNACP0.30=1 961.78 kg/m3。

图2 水胶比与密度

2.1.2强度

图3 水胶比对强度的影响

图3为水胶比对RAPC 28 d抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。由图3可知，水胶比从0.24增加到0.36时，RAPC抗压强度由10.70 MPa减小到5.67 MPa，满足线性规律，且符合Bolomey公式形式[12]，这与普通混凝土的规律一致；RAPC劈裂抗拉强度也相应减小，由2.10 MPa减小到1.44 MPa。

根据试验结果，NAPC0.30的抗压强度为6.89 MPa，比RAPC0.30的抗压强度9.06 MPa低23.95%，NAPC0.30的劈裂抗拉强度为1.60 MPa，比RAPC0.30的劈裂抗拉强度1.75 MPa低8.57%。NAPC强度比RAPC强度低，其主要原因为：①RCA多棱角且表面粗糙，增强了骨料与水泥浆体的粘结性；②RCA的多孔隙特性[10-11]，以及高含水率(4.23%)，使得“内养护”作用在养护期间充分发挥效应，有利于RAPC强度的发展；③本试验NCA泥块含量比RCA高4.5倍，一定程度上影响NAPC的强度性能。

此外，由于透水混凝土的强度主要取决于骨料之间极薄水泥浆层与骨料的粘结性及粘结数量[13-15]，因此，也能从骨灰比及密度反映RAPC的强度特征。图4为骨灰比对RAPC 28 d抗压强度的影响。由图4可知，在骨料用量不变的条件下，随着骨灰比的增加，RAPC抗压强度不断降低，Cheng An等[16]也得出了相同的结论。

图4 骨灰比与抗压强度

2.1.3孔隙率与渗透系数

图5为水胶比和骨灰比对RAPC孔隙率、渗透系数的影响。由图5可知，随着水胶比或骨灰比的增大，混凝土孔隙率与渗透系数保持同步增长的规律，两者呈正相关关系。因为骨灰比的大小直接决定骨料表面水泥浆层的厚薄程度、粘接面积以及骨料间的咬合作用，进而影响连通孔隙率的大小，故水胶比或骨灰比的增大，孔隙率越大，渗透系数也越大，且满足如下关系：

图5 骨灰比对孔隙率、渗透系数的影响

(1)

式中，Va为孔隙率V或渗透系数P；Vb为水胶比W/B或骨灰比A/C；a、b、c均为常数。

此外，变水胶比条件下，渗透系数随孔隙率的增加而增大，二者呈指数关系(图6)，这与NAPC的研究结果一致[17]，也和现有的RAPC研究结果保持一致[8，18-20]，即变水胶比条件下，孔隙率与渗透系数满足如下关系：

P=e(aV-b)

(2)

式中，P为渗透系数；V为孔隙率；a、b为常数，与骨料类型、尺寸有关。

图6 变水胶比条件下孔隙率与渗透系数

2.2 定水胶比对RAPC的影响

2.2.1密度及强度

图7为粉煤灰掺量与RAPC密度、28 d强度关系。总体上，内掺粉煤灰会使RAPC的密度、强度降低。由图7可知，RAPC的密度先随粉煤灰掺量的增加而减少，在粉煤灰掺量达到15%时，密度则呈现略微增加的趋势。内掺粉煤灰的定水胶比系列中，掺量为10%时(RAPC10F)，RAPC的强度最高，抗压强度为6.45 MPa，劈裂抗拉强度为1.78 MPa。与RAPC0.30相比，RAPC10F抗压强度减少了28.8%、劈裂抗拉强度增加了1.71%。这是由于内掺粉煤灰等量替代水泥，水泥用量随着粉煤灰掺量的增加相应减少，而粉煤灰的火山灰效应提高的强度值远小于水泥用量减少导致的强度损失值。仅从强度方面考虑，建议粉煤灰掺量不超过10%为宜。

图7 粉煤灰掺量与28 d混凝土的强度及密度

2.2.2孔隙率与渗透系数

图8为粉煤灰掺量与孔隙率、渗透系数的关系。粉煤灰掺量为5%、10%、15%所对应的孔隙率分别为28.12%、27.12%、26.93%，渗透系数分别为4.39、4.24、4.17 mm/s，相较RAPC0.30的孔隙率为19.05%、渗透系数 4.05 mm/s，掺粉煤灰后的混凝土孔隙率分别增加42.94%、42.36%、41.36%，对应渗透系数分别提升8.40%、4.69%、2.96%。但掺入20%粉煤灰时，RAPC孔隙率只提升了9.66%(孔隙率 20.89%)，而渗透系数为3.99 mm/s，有所降低。这是由于粉煤灰的微集料效应的填充效应[21]，改变了透水混凝土的孔隙结构，并减小孔径以及降低孔隙率，随着粉煤灰掺量的增大，RAPC孔隙率与渗透系数相应降低。此外，内掺适量粉煤灰的RAPC，其孔隙率与渗透系数高于不掺粉煤灰的RAPC。因此在考虑渗透性能的情况下，建议内掺粉煤灰掺量不超过15%。

图8 粉煤灰掺量与孔隙率、渗透系数

2.3 RAPC综合评价分析

2.3.1综合评价分析理论与方法

灰色关联分析(Grey Relational Analysis， GRA)是一种多因素统计分析方法，其基本思想是判断参考数列与比较数列几何图形的接近程度，依照接近程度得结论[22]。利用GRA能够分析出各因素对结果的影响程度，也可运用GRA解决随时间变化的综合评价类问题。GRA用于混凝土领域也是一大研究热点，于本田等[23]利用灰色关联分析法研究粗骨料紧密空隙率、针片状含量、压碎指标值和破碎面占比等对混凝土强度和耐久性的影响。贺图升等[24]利用GRA研究水胶比、骨灰比以及骨料级配对透水混凝土表观密度、抗压强度、孔隙率以及透水系数的影响程度。鲍学英等[25]选用GB/T25177—2010《混凝土用再生粗骨料》里的7个性能参数作为评价指标，以GRA进行再生骨料粗骨料的质量优选。另外在综合评价中，指标权重的确定是一项重要环节，直接影响到评价结果的准确性[25]。指标权重的确定方法，分主观赋权、客观赋权和组合赋权3种[26]。为保证试验结果的客观性，本文采用客观赋权里常用的熵值法。

(3)

这三个月，我带着他们逛街，吃吃喝喝、旅行，他们就像两个小孩一样全程跟着我，甚至怕在车来车往中走丢，他们不会用ATM取钱，不会交水电费，不会用滚筒洗衣机，不会用电脑智能高压锅，甚至不会开装了小米盒子的电视。他们操着一口方言，不喜欢与人交流，害怕和外界接触，甚至不敢坐公交车，也不知道怎么乘地铁。

(4)

式中,ρ∈[0,1],ρ为分辨系数，作用在于提高ξi(k)之间的差异性，本次取ρ=0.5。

通过式(4)得到评价矩阵{E}，然后利用熵值法确定各个指标的权重。将{T1}通过进行标准化：

(5)

其中，正向指标取“+”，负向指标取“-”。

第i个指标的信息熵hi和熵权wi分别为

(6)

(7)

(8)

ri越接近1，则越接近理想最优指标集。

2.3.2综合评价指标确定

前面研究表明，水胶比、骨灰比以及密度是表征RAPC强度和透水性的主要关联因素，因此选定这3个作为综合评价指标；对于透水混凝土而言，力学性能是保证其正常工作的必要条件，其中拉压比是衡量水泥基复合材料脆性的一个重要指标，拉压比越小，脆性越大[27]；另一方面，渗透系数与孔隙率直接相关，因此以两者之间的比值(渗孔比)表征RAPC的渗透性能更为客观；另外参照文献[24，28]，水泥含量对透水混凝土强度的影响最为直接，再选定水泥含量作为评价指标。因此，一共设定水胶比、骨灰比、密度、拉压比、渗孔比、水泥含量这6个性能指标作为RAPC的综合评价指标。

2.3.3综合评价分析结果

(9)

(10)

(11)

表3 综合评价结果 %

通过熵值法确定的权重从大到小依次为拉压比、渗孔比、骨灰比、密度、水胶比、水泥含量分别是23.36%、19.96%、19.02%、15.83%、11.24%、10.60%，满足混凝土以力学性能为控制性指标的要求。基于熵值法的GRA进行配合比综合评价分析，综合性能最佳的配合比为RAPC0.30。其中变水胶比系列里综合评价结果最好的是RAPC0.30，即最佳水胶比为0.30；定水胶比系列中综合评价结果最好的是RAPC05F，即掺粉煤灰的最佳掺量为5%。

3 结 论

本文利用废弃混凝土路面经破碎、筛分等工艺获得再生骨料，并制备再生骨料透水混凝土，通过强度与渗透性能等试验与规律分析，得出主要结论如下：

(1)水胶比是影响再生骨料透水混凝土强度的主要因素之一。其他条件不变的情况下，再生骨料透水混凝土水胶比与抗压强度呈线性反相关关系，满足fcu,k=19.75-37.53(W/C)(R2=0.88)，这与普通混凝土规律一致。本试验水胶比从0.24增加到0.36，强度由10.70 MPa降到5.67 MPa；再生骨料透水混凝土骨灰比与抗压强度呈线性反相关关系，满足fcu,k=19.75-2.5(A/C)(R2=0.88)。

(2)再生骨料透水混凝土骨灰比与渗透系数呈线性正相关关系，即骨灰比越大，渗透性能越好，如骨灰比由3.60变为5.62，渗透系数由3.65 mm/s增加到4.49 mm/s，此外再生骨料透水混凝土渗透系数随着孔隙率的增加而增大，满足指数关系P=e(aV-b)。

(3)掺粉煤灰的定水胶比条件下，粉煤灰的掺入会降低再生骨料透水混凝土强度，但在适宜掺量下，能够增加孔隙率与渗透系数，考虑综合性能，掺粉煤灰量建议为5%。

(4)利用基于熵值法的灰色关联分析法进行配合比综合评价分析可知，熵值法确定的权重分配合理，其中拉压比的权重最高为23.36%；不掺粉煤灰且水胶比为0.30的试验配合比综合评价结果最佳。