再生混合骨料透水混凝土性能研究

汪博傲，祁天杰，李 旭，徐婧文，李丹露

（中国矿业大学徐海学院，江苏 徐州221009）

混凝土作为建筑材料，在当代建筑行业中被大量使用。据统计，中国每年混凝土工程数量远超其他国家。混凝土用量随着房屋、道路的大规模建设而增加，从而产生了大量的建筑垃圾，因为混凝土耐久性能好的特点，产生的废弃垃圾难以自然分解，所以容易产生永久性污染，给环境生态带来危害与影响。

我国每年拆除建筑物产生的废弃混凝土，导致了非常严峻的环境问题。因而，对于建筑垃圾的资源化处理以及再利用，既可以解决建筑垃圾引发的环境问题[1]，也可以节约反复利用大量的天然骨料，缓解天然资源日益紧张与经济高速发展的矛盾。作为循环经济不可缺少的重要组成部分，废弃混凝土回收产业发展的重要性不言而喻。而对于废弃骨料的回收与再利用，是实现中国传统建筑垃圾资源化的主要方法。

透水混凝土因其多孔结构带来的空隙率，具备良好的渗水能力，经常运用于人行道、消防通道等路面。使用透水性混凝土，有利于降低环境的温度，增加环境的湿度，维护生活环境，改善地表生态循环的同时可以缓解城市的“热岛效应”。因此，用废弃的楼板、屋面、楼梯等制备成再生混凝土骨料去取代透水性混凝土中的部分骨料，不但可以利用废弃资源，而且节约了成本，发挥了改善环境等多重作用[2]。

为了研究砂率、再生骨料取代率与粗骨料粒径级配对再生骨料透水混凝土实际性能的影响，本小组对其展开研究并设计相关试验。

1试件制作与试验步骤

1.1 配合比设计

因为再生骨料透水性混凝土和传统混凝土的结构以及所用骨料的不同，所以传统的水泥混凝土配合比不适用于再生骨料透水性混凝土，而是必须根据再生透水性混凝土自身的特点，以及工程项目或设计的要求进行分析或者调整[3]。

透水混凝土组成的主要元素包括粗集料、浆体和孔隙，其中粗集料表面上的浆体包裹形成粘结层，粗集料堆积形成透水混凝土的基本骨架单元，集料与集料、集料与浆体、浆体与浆体之同形成孔隙结构。孔隙则分为封闭孔、半连通和连通孔三种结构，透水混凝土之所以具有透水性能，是因为其结构中的连通孔是穿透性的水流通道。因而，使用体积法来设计透水混凝土配合比的基本原理为通过计算集料体积、浆体体积和孔隙体积，从而确定透水混凝土配合比。

考虑到本次试验所用骨料中掺有再生混合骨料，且再生混合骨料（再生石子：再生砖）的比值为5：1，所以此次试验的水灰比定在0.30[4]。

1.2 试验原材料与制备

再生骨料：再生骨料的制备主要来源于废弃工地。在试验计划制定完成后，从周边寻找一处废弃的建筑工地。再从废弃工地中，挑选混凝土楼板、屋盖以及楼梯等部分，将其中的钢筋取出后，保留混凝土部分，再收集废弃普通烧结砖并将其分别装入收纳袋带回试验室，经过简单的清洗和晾晒之后，先使用鄂式破碎机将其破碎，再用铁锤处理较小体积、未完全破碎的废弃混凝土和砖[5]，然后将破碎以后的再生混合骨料表面的灰尘和泥渍通过清洗和晾晒，使用自动筛分机筛分后分别得到粒径为4.75～9.5 mm、9.5～16 mm、16～19 mm的再生石子和再生砖，最后再次清洗晾晒，得到试验用再生骨料。

水泥：本试验采用P·O 32.5水泥；

细骨料：天然河砂；

硅灰：采用巩义市邦洁净水材料销售有限公司所售的灰色硅灰，各项含量如表1所示；

表1 硅灰主要指标

试验所用水：中国矿业大学文昌校区教一楼自来水。

1.3 制作试件

在准备拌合混凝土试验开始，提前6-8 h用容器盛放此试验所需的再生混合骨料，拌合混凝土，并将试验所需再生混合骨料加入试验室自来水，使其润湿。轻轻地将浸润后的再生混合骨料从容器中取出，沥去再生混合骨料表面的多余水分，使其处于饱和面干状态。

本次混凝土试块的制作采用插捣成型法，相比于压力成型法和振动成型法，具有制作简易、保持试块力学性能以及不会产生离析现象等特点，故本次试块制作采用插捣成型法。

本次试验所需混凝土的拌制方法采用水泥裹石法，当开始拌制混凝土时，先将全部集料倒入试验容器里进行拌合，同时加入70%的拌合水。接着，加入一半用量的水泥，与其充分拌合。最后将剩余水泥与拌合水再次加入并拌合3 min，直到水泥浆均匀将集料表面包裹覆盖。

本次试验共有9组，每组3个试件。将拌合好的材料分三次填料加入准备好的100 mm*100 mm*100 mm的模具中，并在每次填料后，使用插捣棒，在每层均匀插捣25次，最后再用抹刀抹平并压实试件表面，使集料颗粒彼此粘接起来构成一个整体，完成混凝土试块的制作[6]。

试件养护：因为透水混凝土试件孔隙率件较大的特征，为防止试件中的水分大量蒸发导致其中水泥水化反应无法进行，遂在试件浇筑完成后随即在试件表面覆盖一层保鲜膜，并放入养护箱内标准养护28 d。

1.4 抗压强度

按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试，以每秒0.2 MPa的速度加载。根据规范，因为本次试验使用的是100 mm*100 mm*100 mm的模具，故在计算抗压强度承载力时乘以0.95的换算系数。

计算公式为：fce=F/A

1.5 透水系数

本文采取了如图所示的试验装置进行透水系数的测定，试验步骤如下：

图1 透水系数测试仪装置示

将混凝土试块侧面用液态石蜡涂抹后，装入钢套桶中。在试件与钢套筒相接处依次均匀涂抹硅胶及石蜡；在玻璃套筒与钢套筒相接处均匀涂抹硅胶及石蜡，防止试验装置接缝处漏水。从注水口中注水观察水是否只从钢套孔下端流出，同时若接缝处没有出现石蜡裂痕或者渗出小水珠的现象，即可开始透水系数的测定。将试验装置放入水槽内，用水管从玻璃套筒顶部注水，水流速度保持不变，直至注水量与溢水口的水量及试件的透水量稳定时，记录十秒时间内所接得的水量。

透水系数的计算公式为：K=Q*L/(H*A*t)

1.6 表观密度

采用体积法进行测试，等待试件养护至一定龄期后，将其置于干燥空气中静置，使试件处于干燥状态。之后采用电子天平和游标卡尺测试试件质量与体积。为减小试验误差，每组3个试件全部进行测试，取其平均值作为该组试件的表观密度测试结果。

按下式求得材料的表观密度：ρ=m/V

2. 正交试验设计

为了分析再生混合骨料掺量、砂率、骨料粒径三者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，在目标孔隙率20%，水灰比0.30，再生混合骨料中（再生石子：再生砖）的比例为5：1，硅灰掺量为5%的固定条件下，综合考虑了以下因素：再生骨料掺量、砂率、骨料粒径，采用L9（33）正交试验设计，正交试验因素水平见表正交试验设计及各组分掺量见表2。

表2 正交试验因素水平

表3 再生骨料透水混凝土配合比设计

3.试验的结果与分析

试件破坏过程及破坏形态：在逐步加载的过程中，试件内部发出微小的“砰砰”声并逐渐增大，并且伴随声音产生裂纹，开始时裂纹集中在应力集中区域（试件的边角处）；随着荷载的逐步增大，裂纹的数量越来越多，裂纹逐渐发展并且裂纹间相互连接，并逐步与试件内部孔隙相通，骨料颗粒随之脱落，最后形成一条贯穿试件顶面与底面的裂缝或者试件整体破碎，宣布试件破坏，加载试验结束。

表4 正交试验结果

3.1 抗压强度影响因素分析

由表5可得知对抗压强度影响最大的是再生骨料取代率。

表5 正交试验极差分析

随着再生骨料取代率的提高，再生透水性混凝土试件的强度明显下降。再生骨料取代率为40%的试块相对于30%取代率的试块强度降低了27.4%，取代率50%的试块相对于40%取代率的试块降低了9.9%；机理分析：再生骨料表面的老旧砂浆更容易脱落，并且再生骨料中的细微裂缝的数量多于天然骨料中的缝隙数量，使得再生骨料的抗压强度低于天然骨料的抗压强度。故随着掺和量的提高，试件的抗压强度处于逐渐下降的趋势。

3.2 透水系数影响因素分析

由表5可知对透水系数影响最大的是骨料粒径。

当粒径从4.75～9.5 mm增大到9.5～16 mm时，透水系数的突然降低，机理分析可能是因为再生混合骨料颗粒裂缝被水泥浆液堵塞，导致透水系数减小；当粒径从9.5～16 mm增大到16～19 mm时，随着骨料粒径的增大，再生骨料颗粒间接触点减小，导致裂缝的孔隙尺寸增大，不容易被堵住，透水系数相应增大。

3.3 表观密度影响因素分析

由表5可知对表观密度影响最大的是再生骨料取代率。

因为相较于天然骨料，再生骨料中有更多的微小裂缝和孔隙，所以再生骨料的密度稍小于天然骨料。故随着再生骨料的掺入量的提高，试件的表观密度大致呈现下降的趋势。再生混合骨料掺入量从30%提高到40%时，表观密度相对降低了4%；而从40%提高到50%时，两者表观密度近乎相等。

4.结论

本试验研究了再生骨料取代率、砂率和粗骨料粒径对再生骨料透水混凝土抗压强度、透水性系数以及表观密度的影响，得出以下结论：一是随着骨料取代率的增高，其表观密度大抵呈降低的趋势，同时抗压强度有明显增加。二是砂率的改变对试件的透水系数没有明显的影响，但是表观密度与抗压强度却随着砂率的增大而有所降低。三是随着粗骨料粒径增加，表观密度增大但抗压强度有所下降，透水性由于机理原因先降低然后增加。综上，对再生透水性混凝土的表观密度与抗压强度影响最大的为再生骨料取代率，对透水系数影响最大的因素为粗骨料粒径。