再生集料透水混凝土基层的路用性能研究

冯仁科，彭 斌，乔建刚,3 FENG Renke, PENG Bin, QIAO Jiangang,3

（1. 山西省公路局 阳泉分局，山西 阳泉045000；2. 河北工业大学 土木与交通学院，天津300401；3. 天津市交通工程绿色材料技术研究中心，天津300401）

0 引 言

随着我国城镇化进程的不断发展，城市建筑垃圾也在源源不断地产生，若不对这些建筑垃圾进行进一步的处理和再生利用，将产生大量的污染问题[1-2]。为此，国内在研究了有关透水铺装及海绵城市的理论基础上[3]，现提出一种选择建筑垃圾制成的再生集料作为透水混凝土基层骨料的新方案[4-5]，能有效解决建筑垃圾倾倒和填埋造成的一系列环境问题。

王俊岭等[6-7]检验了透水混凝土铺装改性基层路面对径流污染物的削减效果，并分析了三种骨料对典型径流污染物吸附效果；赵祥冉等[8]将建筑垃圾破碎，作为粗骨料代替部分天然碎石，辅以大掺量粉煤灰作为胶凝材料制得透水混凝土；王冬丽及Uchechi G 等[9-10]利用沿海地区的不同贝壳垃圾制得透水混凝土，并对其性能做了相关研究；尹志刚等[11]进行了基于孔结构特征的再生骨料透水混凝土抗冻耐久性试验。目前国内外学者虽然对透水混凝土基层的材料组成、作用形式、路用性能以及施工工艺等内容都有了一定的研究，但其研究相对较为粗犷，尚缺乏对再生集料透水混凝土路用性能的细化分析。因此，本文综合讨论再生集料透水混凝土的路用性能情况能否满足路用要求。

1 排水性能试验

1.1 水泥用量对空隙率的影响。选配的透水混凝土配合比情况为设计空隙率25%、水灰比0.5，水泥用量227.3kg/m3。为便于计算，将水泥用量调整为230kg/m3，其余条件不变，并将此确定为基准配合比。通过单因素试验对不同配合比参数变化下的材料渗透性能影响规律进行分析。

为考虑不同水泥用量下透水混凝土材料的空隙率变化规律，在基准配合比的条件下，恒定水灰比，变化水泥用量，分别取200kg/m3、230kg/m3、260kg/m3以及290kg/m3，将四种水泥用量下的全空隙率及有效空隙率进行试验测试，测试结果绘制成图1。

不同水泥用量下试件空隙率均满足设计要求，同时，随着水泥用量的增加，试件的全空隙率、有效空隙率均随之降低，但是降低的速率不大。这主要是由于随着水泥用量的增加，当超过集料裹附表面所需用的最高水泥用量时，剩余部分将会逐渐填充空隙，使原有的连通空隙变为半连通甚至不连通空隙，因此随着水泥用量的增加，混凝土的全空隙率和有效空隙率均随之降低，且有效空隙率的下降趋势更为明显。

1.2 水灰比对空隙率的影响。为了进一步研究水灰比对材料空隙率的影响，控制集料及水泥用量230kg/m3不变，变化水灰比即用水量的大小，水灰比分别取0.4、0.45、0.5、0.55 和0.6 共计六组，各组试件分别测定其空隙率，试验结果绘制成图2。

图1 透水混凝土空隙率随水泥用量变化规律

图2 透水混凝土空隙率随水灰比变化规律

不同水灰比条件下空隙率均满足设计要求，在同一水泥用量下，随着混合料中水灰比（0.4～0.6 范围内）的增加，试件的全空隙率变化浮动不大，只在水灰比0.55 时出现较低的峰值。不难发现，当水泥用量一定时，试件的理论密度和毛体积密度都已确定，全空隙率也相应确定；试件的有效空隙率呈现与全空隙率相同的变化趋势，但增加至水灰比为0.6 时，试件的有效空隙率急剧下降，这是因为，当水灰比超过混合料拌和及水泥水化所需的最佳值后，会导致混凝土中的水泥浆体过稀，在重力的作用下逐渐向试件的下部转移，造成跑浆、漏浆等现象出现，这部分较稀的水泥浆体在硬化后会堵塞一部分孔隙，令试件的封闭空隙增多。

1.3 空隙率对渗透系数的影响。为进一步研究渗透系数随透水混凝土设计空隙率、有效空隙率变化的影响规律，本节选择控制水灰比、水泥用量，取设计空隙率Rviod作为变量，分别取值为15%、20%、25%、30%，对四组设计空隙率状态下的试件分别测试其空隙率，并进行渗透系数的测试和计算，试验结果如表1 所示，再绘制成图3。

表1 不同空隙率下渗透系数试验结果

在有效空隙率超过15%时，渗透系数满足设计渗透系数要求，但低于15%有效空隙率时，渗透性能将不满足渗透要求。因此，验证了控制有效空隙率不低于15%的要求。同时，随着设计空隙率以及有效空隙率的增加，试件的渗透系数随之增长，且渗透系数增长趋势越显著。这是由于随着有效空隙率的增加，使原有的部分半连通空隙打通，水在试件内部流动阻力更小，当设计空隙率为25%时，试件的渗透系数能够达到1.10cm/s，远超0.25cm/s 的基本设计要求。

除此以外，观察表1 中设计空隙率与全空隙率、有效空隙率的对照情况，发现实测的有效空隙率更接近设计空隙率，而全空隙率则大于设计空隙率。这是由于本次透水混凝土选择的骨料为再生集料，再生集料表面存在有一定的开口空隙以及细小的微裂结构，因此骨料本身具有一定的吸水特性，导致实测全空隙率以及有效空隙率均会大于设计空隙率。但渗透性能试验结果满足要求，说明采用再生集料作为透水混凝土中的骨料能够满足材料的基本透水性能。

2 力学性能试验

采用再生集料作为透水混凝土基层中的骨料，除需验证混合料的排水性能之外，还应当检测其基本力学性能是否能够满足要求。相较于天然集料，再生集料的强度较低，而作为基层材料，透水混凝土层应当具备一定的抗压强度，来抵抗上部结构传递下来的荷载，并在潮湿和饱水状态下不发生过大的强度衰减，为此，选择再生集料透水混凝土基层混合料7d 龄期下浸水无侧限抗压强度作为指标，分别探究不同水泥用量以及不同水灰比条件下材料的强度变化规律。

2.1 抗压强度随龄期发展规律。为了进一步研究再生集料透水混凝土基层材料的强度发展规律，检验其实际路用效果，在选择7d 龄期浸水无侧限抗压强度试验的基础上，进一步对试件28d、90d 龄期的浸水无侧限抗压强度值进行了试验测试。

图3 渗透系数与有效空隙率关系曲线

图4 无侧限抗压强度随龄期变化

如图4，无侧限抗压强度随着龄期的发展强度在不断增加，在28d 龄期时较7d 龄期强度增加125%；90d 龄期较28d 龄期强度增加114%，说明在28d 龄期时混凝土强度增长达到其强度的90%，故在日常施工过程中应注意前28d 时透水混凝土的保水养护。同时，由于水泥及再生集料透水混凝土自身特性，在28d 后混凝土强度增加较为缓慢。

2.2 水泥用量对抗压强度的影响。为探究不同水泥用量下透水混凝土强度的变化规律，在选定的基准配合比要求下，将水泥用量作为变量，成型试件按标准试验方法进行测试，其强度试验结果制成图5 所示。

随着单位体积混凝土中水泥用量与试件的抗压强度基本呈现线性增长的关系，当透水混凝土中水泥用量为200kg/m3时，试件的抗压强度值已经能够满足基层材料3MPa 的要求，因此不必追求较高的水泥用量来保证强度，因为过高的水泥用量会堵塞试件的有效空隙率，降低材料的排水性能。

2.3 水灰比对抗压强度的影响。为研究透水混凝土材料中水灰比对抗压强度的影响，确定水泥用量不变为230kg/m3，选择水灰比作为变量，按试验要求进行测试后，结果绘制成图6 所示。

图5 试件抗压强度随水泥用量变化情况

图6 试件抗压强度随水灰比变化情况

在同一水泥用量下，试件的抗压强度随着水灰比的增加呈现先增后减的变化情况。当水灰比较低时，透水混凝土中的水泥颗粒不能够完全水化，胶结作用有限，因此试件的抗压强度相对较小；随着用水量的增加，至达到最佳用水量（水灰比）时，混凝土中的水泥既能够完全水化，又不至于过于稀释向下流淌，在这一条件下的抗压强度值达到最高；而当用水量继续增加时，水泥虽然能够完全水化，但会导致水泥浆体过稀，从而在重力作用下沿着试件内部空隙向下流淌，造成下部强度高、上部松散的情况，而在无侧限抗压强度试验的测试过程中，一旦试件发生破坏则立即显示读数，因此虽然试件下部强度高，但整体强度依然较低，低于最佳水灰比条件下的抗压强度。

3 干缩特性试验

3.1 干缩试验计算。采用再生集料作为透水混凝土中的骨料，其本身就具有一定的吸水性，会影响水泥的水化和吸水过程，进而影响其收缩情况，因此必须对其收缩特性进行研究。相关文献表明，透水混凝土材料中由于水泥用量相对较低，而骨料用量相对较高，因此其整体温度敏感性远低于普通水泥混凝土，故其收缩裂缝的主要成因是由于材料在早期强度成型阶段随龄期变化逐渐失水以及后期碳化过程而产生的干燥体积收缩。

将干缩试验结果按下式分别进行计算：

失水率：

干缩应变：

干缩系数：

式中：Δm 为标准试件称重质量变化值，g；mo为试件烘干后恒重，g；δi为第i 次干缩量观测值，mm；εi为第i 次干缩应变，mm；φi为第i 次失水率，%。

3.2 试验结果分析。考虑到本次干缩特性试验仅用于探究建筑垃圾再生集料透水混凝土基层混合料的体积稳定性，因此仅选择基准配合比（1#）进行试验，并与普通半刚性基层（水泥稳定碎石）（2#）以及普通混凝土进行对比（3#），每组试验制作三个试件，分别对失水率、干缩应变和干缩系数平均值进行对比，不再进行不同因素下干缩性能变化规律的具体分析。按基准配合比制成的试件按上述试验步骤进行试验，将试验结果分别绘制成折线图，如图7、图8 和图9 所示。

图7 累计失水率随龄期增长变化规律

图8 干缩应变随龄期增长变化规律

图9 干缩系数随龄期增长变化规律

再生集料透水混凝土相对于水泥稳定类材料以及水泥混凝土材料，表现为前期失水收缩迅速，中期和后期趋于平稳；14d时已经能够完成收缩量的50%左右，至28d 已能完成收缩量的75%左右，60d 后则能趋于稳定，不再发生显著体积收缩和水分含量变化。三类材料干缩应变变化较为一致。透水混凝土相对于水泥稳定类材料以及水泥混凝土材料前期干缩系数较小，在20d 左右达到与水泥稳定类材料以及水泥混凝土材料相一致。因此，在28d 龄期内，应注意透水混凝土的保水养护，以确保其失水及干缩较小。

采用再生集料作为透水混凝土中的骨料，能够满足透水混凝土干缩特性的基本要求。而透水混凝土作为一种干缩速度快、干缩值低的材料，将其用于路面基层可有效缓解甚至避免路面出现因基层收缩开裂而导致的路表反射裂缝病害情况。但需要说明的是，如果将再生集料透水混凝土用于实际透水铺装工程中，需要严格控制其养生龄期以及养生方法，避免在面层覆盖后内部水分缓慢丧失造成的长时间收缩过程而造成的收缩开裂。

4 结 论

（1）当水灰比一定时，随着水泥用量的增加，试件的全空隙率和有效空隙率均随之减小，容易造成渗流效果不良；（2）透水混凝土材料的强度初期增幅较大，后期逐渐平缓，7d 龄期下强度可达28d 强度的80%以上；（3）透水混凝土存在最佳水灰比，随着水灰比的增加，材料的抗压强度呈现先增后减的趋势，当水灰比超过0.5 时，材料的抗压强度开始降低，同时存在有漏浆、堵塞的情况；（4）透水混凝土试件前期失水较快，14d 时已经能够完成收缩量的50%，至28d 已能完成收缩量的75%，60d 后则能趋于稳定。