基于正交试验的透水再生混凝土性能优化试验研究

夏冬桃，李向阳，胡军安

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068)

0 引 言

2021年7月河南特大暴雨和同年10月山西连续强降雨引发了严重城市内涝灾害，使以解决水危机为背景提出的海绵城市理念越发引人关注[1]。海绵城市又称水弹性城市，是指城市在应对环境变化和自然灾害等方面对雨涝的调蓄能力，而透水混凝土作为绿色环保路面铺装材料，具有高透水性、高透气性、质轻、吸声降噪的优点，被广泛应用于海绵城市的人行道、园林道路、广场等强度要求不高的路面，以减少城市内涝和缓解城市热岛效应[2]。

基于生态节能和可持续发展的理念，利用再生骨料制备透水混凝土是目前研究的热点。国内外学者从水胶比、目标孔隙率、外掺料、再生粗骨料粒径级配和取代率等方面对优化透水混凝土性能做了大量研究，结果表明：水胶比对透水混凝土的抗压强度和透水性能影响显著，过大或过小的水胶比均对其强度和透水性能不利[3-4]；有效孔隙率是连通孔隙体积与透水混凝土堆积体积的比值，连通孔隙在外荷载作用下会成为透水混凝土的薄弱层，对抗压强度不利，而且连通孔隙的占比直接决定透水性能的好坏，因此在配合比设计时至关重要[5]；粉煤灰由于自身的火山灰效应和填充效应在透水混凝土中存在最优掺量[6-8]；再生粗骨料粒径的增大会降低透水混凝土的抗压强度[9]；关于再生粗骨料取代率对透水混凝土抗压强度的影响，各位学者的研究结论并不一致。朱金春等[10]与陈守开等[11]得出30%再生粗骨料等质量取代天然粗骨料时透水混凝土的抗压强度达到最大，张浩博等[12]得出30%再生粗骨料等质量取代天然粗骨料后透水混凝土的抗压强度接近未掺再生粗骨料的透水混凝土，王玉梅等[13]的研究表明透水混凝土的抗压强度随再生粗骨料取代率的提高而降低，Güneyisi等[14]研究发现掺入再生粗骨料会使透水混凝土的抗压强度下降，下降幅度达25%以上。

聚丙烯纤维作为低弹性模量纤维，由于抗拉强度高，可以改善混凝土韧性，是改性混凝土的常用材料[15]。虽然聚丙烯纤维在普通混凝土中的应用已经较为成熟，但在透水混凝土中的研究还处于初步阶段。目前的研究[16-18]表明，透水再生混凝土的抗压强度随着聚丙烯纤维掺量的增加呈先上升后下降的趋势，存在最优掺量，而且聚丙烯纤维的加入对孔隙率和透水系数的影响不大，但是聚丙烯纤维对提高透水混凝土抗压强度的最优掺量各研究并不一致，而且0.3%体积掺量以下的聚丙烯纤维对透水混凝土透水性能的改性效果还未见研究。

因此针对在透水混凝土中掺加再生粗骨料和聚丙烯纤维的争议问题，本文将再生粗骨料和聚丙烯纤维加入透水混凝土中，通过正交试验研究两者对透水混凝土抗压强度和透水性能的影响规律，以期提高建筑垃圾的利用率和透水混凝土的应用范围。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：选用湖北武汉华新水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料：选用5～10 mm的单粒径级配的天然粗骨料和再生粗骨料，其中再生粗骨料由武汉市拆除的老旧居民楼产生的废弃混凝土经人工初步破碎和颚式破碎机破碎，筛分、清洗获得，属于Ⅱ类再生粗骨料，物理性能见表1；外掺料：Ⅰ级粉煤灰；聚丙烯纤维：美国兄弟化工公司生产的改性束状聚丙烯单丝纤维，性能参数见表2；减水剂：蓝科环保净水材料厂生产的PC-1007型聚羧酸高性能减水剂，外观为米白色粉体，减水率为20%。

表1 粗骨料物理性能Table 1 Physical properties of coarse aggregate

表2 聚丙烯纤维性能参数Table 2 Performance parameters of polypropylene fiber

1.2 配合比设计

《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253—2016)[19]推荐水胶比范围为0.25～0.35，结合文献[20],透水再生混凝土合适的水胶比范围为0.25～0.45，试验选取四种水胶比,分别为0.25、0.28、0.31、0.34，采用体积法进行配合比计算，体积法是假设粗骨料、胶凝浆体和孔隙的体积为1 m3，然后根据粗集料的紧密堆积空隙率和设计目标孔隙率的差值获得胶凝浆体体积，最后根据水胶比计算各材料用量。考虑到再生粗骨料的高吸水性，采用附加用水量补偿法减小对试验的影响[21]。

规范[19]和《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135—2009)[22]中透水混凝土设计强度仅有C20和C30，限制了透水混凝土的应用范围。为制备高性能混凝土，本试验采用正交试验研究水胶比(A)、目标孔隙率(B)、再生粗骨料取代率(C)、粉煤灰掺量(D)和聚丙烯纤维掺量(E)五个因素对透水再生混凝土力学性能和透水性能的影响，每个因素设置四个水平，选用L16(45)正交表，因素水平见表3，正交试验设计及试验配合比见表4。

表3 透水再生混凝土的正交试验因素水平Table 3 Orthogonal test factor level of pervious recycled concrete

表4 透水再生混凝土的正交试验设计及试验配合比Table 4 Orthogonal test design and test mix ratio of pervious recycled concrete

1.3 制备工艺、成型方式和养护方法

(1)制备工艺

《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253—2016)[19]推荐的搅拌方式为水泥裹石法，而且采用水泥裹石法有利于透水再生混凝土强度的提升[23]，具体的搅拌流程：先将再生粗骨料、天然粗骨料和20%～30%的水放入搅拌机搅拌1 min，使骨料表面充分湿润且搅拌机内没有多余的水，然后放入聚丙烯纤维、胶凝材料和50%的水搅拌2 min，最后放入搅拌均匀的减水剂和剩余的水搅拌1 min，整个搅拌过程4 min。

(2)成型方式

为防止水泥浆体在振动过程中向下流动堵塞孔隙影响透水性能，采用手工插捣的成型方式，搅拌好的透水再生混凝土分两次装入100 mm×100 mm×100 mm的抗压强度试件和φ100×50 mm的透水试件塑料模具，每层插捣25次，插捣完毕后表面使用抹刀压实、抹平。

(3)养护方法

文献[7]表明20 ℃下采用水养护透水试件的抗压强度优于标准养护和自然养护条件下的抗压强度，因此，成型的透水试件在自然条件下覆膜养护24 h后放入水中养护至标准龄期。

1.4 试验方法

(1)抗压强度

参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)[24]执行，采用2 000 kN数显式压力试验机，加载速率控制在0.3～0.5 MPa/s，由于试验采用的是100 mm×100 mm×100 mm的非标准试件，因此得出的立方体抗压强度乘以尺寸换算系数0.95。

(2)有效孔隙率

参照《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253—2016)[19]附录A中的方法执行。具体步骤为：首先将试件放入(105±5) ℃的烘箱中烘至恒重，取出冷却至室温后，用直尺量出试件的尺寸，计算其体积V，然后将试件完全浸泡在水中，待无气泡出现后用高精度电子秤称量试件在水中的质量m1，最后取出试件，放置在60 ℃烘箱中烘24 h后称量试件的质量m2，有效孔隙率按式(1)计算。

Cvoid=(1-m2-m1ρV)×100%

(1)

式中：Cvoid为有效孔隙率，%；m1为试件在水中的质量，g；m2为试件烘干后的质量，g；ρ为水的密度，g/cm3；V为试件的体积，cm3。

(3)透水系数

透水系数的测定方法有基于达西定律的定水头法和基于质量守恒定律的变水头法，使用定水头法时需要控制水的流速，一旦水的流速过大，层流出现过渡流，达西定律将不再适用，由于无法准确衡量层流状态，因此采用变水头法[25]。基于质量守恒定律，参考Yang等[26]开发的透水系数测定仪器，自制透水系数测定仪,如图1所示，使用石蜡将透水试件侧面与量筒壁接触部分密封严实，外部使用丁基防水胶带粘贴，保证水流仅从试件的上下表面渗透，经测试没有水流从外表面渗出，测试时使用量筒向玻璃量筒加水，加水量超过16 cm的刻度线，以水位线16 cm为起点开始计时，到14 cm水位线时结束，记录时间t，每组测试3次，透水系数按式(2)计算。此装置不仅可以准确测量透水系数,而且操作简便易行。

K=Ht

(2)

式中:K为透水系数，mm/s；H为水位从160 mm降至140 mm的水位差，mm；t为水位从160 mm降至140 mm所用时间，s。

图1 透水仪器示意图Fig.1 Schematic diagram of permeable instrument

2 结果与讨论

按上述试验方法对透水再生混凝土的抗压强度、有效孔隙率和透水系数进行测试，正交试验结果如表5所示，极差分析结果见表6。

表5 透水再生混凝土正交试验结果Table 5 Orthogonal test results of pervious recycled concrete

表6 正交试验极差分析Table 6 Range analysis of orthogonal test

从表5可以看出，透水再生混凝土的抗压强度最大为48.26 MPa，此时透水系数为1.96 mm/s，有效孔隙率为8.22%，16组试验的透水系数均符合《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253—2016)[19]中大于0.5 mm/s的规定。将16组试件相同目标孔隙率对应的有效孔隙率求平均值，结果如图2所示，可以看出有效孔隙率和目标孔隙率基本吻合，表明采用体积法进行透水再生混凝土配合比设计是可行的。

图2 取均值后的有效孔隙率和目标孔隙率Fig.2 Effective porosity and target porosityafter taking mean values

2.1 抗压强度极差分析

为了更加直观地分析各因素对透水再生混凝土抗压强度的影响规律，绘制各因素不同水平对透水再生混凝土抗压强度的影响效应图，如图3所示。

从表6的抗压强度极差分析结果和图3可以看出，透水再生混凝土的抗压强度随水胶比的增大呈先增大后减小的趋势。当水胶比小于0.31时，水泥未完全水化，造成水泥浆体的流动性较差，难以均匀包裹骨料，骨料间的黏结力不足，以致抗压强度较低；当水胶比为0.31时，水泥充分水化且水泥浆体流动性良好可以均匀包裹粗骨料，此时抗压强度达到峰值；当水胶比大于0.31时，此时水泥已充分水化，但是水泥浆体的流动性过大导致部分水泥浆体在试件底部积聚，试件上部水泥浆体变薄，抗压强度降低。

目标孔隙率的极差最大，是影响透水再生混凝土抗压强度的主要因素，随着目标孔隙率的提高抗压强度呈线性下降趋势。原因是目标孔隙率的提高使透水再生混凝土内部连通孔隙增多进而导致密实度降低，当试件加载出现裂缝后更容易扩展和贯穿破坏，造成抗压强度显著降低。

图3 各因素对透水再生混凝土抗压强度的影响效应图Fig.3 Diagram of the effect of each factor on compressive strength of pervious recycled concrete

再生粗骨料的取代率提高，抗压强度先增加后降低，取代率为40%时抗压强度达到峰值(28.7 MPa)，与取代率为0%时的透水混凝土相比，抗压强度提升119.08%。再生粗骨料的加入对于抗压强度的提高普遍大于天然粗骨料，这与现有的研究结论[12,27]一致。原因是再生粗骨料表面旧的水泥砂浆层导致再生粗骨料表面粗糙，将其应用到强度较低的透水再生混凝土提高了骨料间的机械咬合力和内摩阻力，而且随着水泥水化的进行，再生粗骨料吸收的一部分水分释放进一步提高养护效果，发挥了正面效应，随着取代率的提高，再生粗骨料本身压碎指标较大、机械破碎产生的裂缝与孔隙等缺陷对抗压强度的影响增大，这些负面效应大于正面效应，抗压强度随之降低，但总体降低幅度不大。第1组10%目标孔隙率下不掺再生粗骨料的抗压强度为14.91 MPa，而第8组25%目标孔隙率下40%再生粗骨料取代率时抗压强度达20.33 MPa，抗压强度提高36.4%。分析原因：透水再生混凝土的水泥浆结合层很薄，透水再生混凝土的强度主要取决于骨料间水泥石的强度[27]，第1组实测孔隙率偏离目标孔隙率较大，内部连通孔隙多，且水胶比较小，胶凝材料间的黏结力不足，骨料间的水泥石成为破坏的薄弱面，而第8组采用的再生粗骨料具有表面粗糙、内部多裂缝的结构特征，增强了与水泥浆体的黏结性能，另外第8组水胶比较高，因此在以水泥石破坏为主时，第8组的抗压强度高于第1组。

透水再生混凝土随着粉煤灰掺量提高，抗压强度先增大后减小，在5%的掺量下抗压强度达到峰值，提升幅度为32.49%。原因是粉煤灰可以填充再生粗骨料的裂缝与孔隙，细化孔径，降低透水再生混凝土的孔隙率，同时粉煤灰中的SiO2、Al2O3可以与水泥水化产生的Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙凝胶，提高透水再生混凝土的强度[28]，随着水泥水化产物Ca(OH)2耗尽，粉煤灰便不再发挥活性作用，此时继续加入粉煤灰反而降低水泥的掺量，对强度不利，因此抗压强度出现先增大后减小的趋势。

聚丙烯纤维对透水再生混凝土抗压强度的影响存在最佳掺量，最佳体积掺量为0.11%，此时抗压强度为27.4 MPa，与不加聚丙烯纤维相比抗压强度提升10.48%。分析其原因，适量的聚丙烯纤维可以形成均匀连续的网状结构，与骨料、水泥浆体协同变形，提高透水再生混凝土的整体性，透水再生混凝土的抗压强度提高。添加聚丙烯纤维和不加聚丙烯纤维的透水再生混凝土试件破坏形态分别如图4和图5所示，可以看出：与不加聚丙烯纤维的透水试件相比，添加聚丙烯纤维的透水试件在破坏时表现出明显的韧性破坏特征；随着聚丙烯纤维掺量增加，拌和过程中极易发生结团现象，增加透水再生混凝土的内部缺陷，同时聚丙烯纤维具有较大比表面积，一部分水泥浆体包裹纤维势必会使骨料间水泥胶结层变薄，降低透水再生混凝土的抗压强度。

图4 添加聚丙烯纤维的透水试件破坏形态Fig.4 Failure pattern of permeable specimenwith polypropylene fiber

图5 不添加聚丙烯纤维的透水试件破坏形态Fig.5 Failure pattern of permeable specimenwithout polypropylene fiber

综上，对透水再生混凝土抗压强度影响的主次因素为目标孔隙率>再生粗骨料取代率>水胶比>聚丙烯纤维掺量>粉煤灰掺量，这与文献[5，23]中的结论一致，采用天然粗骨料制备透水混凝土时，目标孔隙率和水胶比是影响透水混凝土抗压强度的主要因素。本文采用正交试验将再生粗骨料的取代率作为变量研究得出，再生粗骨料对透水再生混凝土抗压强度的影响高于水胶比，而且再生粗骨料对于透水再生混凝土抗压强度的提升优于天然粗骨料。基于强度考虑,透水再生混凝土的最佳组合为水胶比0.31，目标孔隙率10%，再生粗骨料取代率40%，粉煤灰掺量5%，聚丙烯纤维掺量0.11%。

2.2 透水系数极差分析

绘制各因素不同水平对透水再生混凝土透水系数的影响效应图，如图6所示。

从表6的透水系数极差分析结果和图6可以看出,随着水胶比的增大，透水系数持续降低。水胶比小于0.28时，用水量相对较少，水泥未充分水化，透水再生混凝土的流动性较差，一部分孔隙未能得到填充,使有效孔隙率较大，此时透水系数也较大；当水胶比从0.28增加到0.31时，水泥得到充分水化后，孔隙被均匀填充，透水系数急剧降低；当水胶比继续增大时，相对用水量较多，透水再生混凝土的流动性较好，水泥浆体极易沉浆封底，透水再生混凝土的连通孔隙减少，因此透水系数持续降低。

随目标孔隙率的增大，透水系数呈线性增长趋势。这是由于随着设计目标孔隙率的增大，试件内部的连通孔隙增加，进而透水系数持续增加。

随再生粗骨料取代率的提高，透水系数持续增大，最大提高9.44%。原因是再生粗骨料的粗糙表面和机械破碎产生的裂缝有利于透水再生混凝土内部孔隙的提高，进而提高透水系数。

随着粉煤灰掺量的增加，透水系数持续降低，最大降低幅度为20.29%。粉煤灰中的SiO2、Al2O3消耗了水泥水化产生的Ca(OH)2，反应生成水化硅酸钙凝胶，减小孔径，降低孔隙率，同时粉煤灰的填充作用也进一步降低孔隙率，因此透水系数持续降低。

聚丙烯纤维的加入使透水系数呈先增大后减小的趋势，与不掺纤维的透水再生混凝土相比，0.11%体积掺量下透水系数提高4.51%，随着掺量的提高，透水系数随之降低，透水系数最低为5.02 mm/s，最大降低幅度为13.00%。聚丙烯纤维的加入可以抑制透水再生混凝土硬化收缩时微裂缝的产生，降低孔隙率，导致透水系数降低。透水系数与有效孔隙率的变化规律不一致，透水系数在0.11%聚丙烯纤维掺量下出现小幅度的增长，原因可能为，相比0.165%和0.22%掺量的透水再生混凝土，尽管0.11%聚丙烯纤维掺量时的实测有效孔隙率较低，但透水的连通孔隙较多，蓄水的半连通孔隙较少，透水性能反而更高。

综上，对透水再生混凝土透水系数影响的主次因素为目标孔隙率>水胶比>粉煤灰掺量>聚丙烯纤维掺量>再生粗骨料取代率，这与文献[29]中的研究结论一致，采用单一粒径的天然粗骨料制备透水混凝土时，目标孔隙率和水胶比是影响透水系数的主要因素。本文研究得出聚丙烯纤维和再生粗骨料的加入对透水系数的影响不大。对于透水性能要求较高的路面，透水再生混凝土的最佳组合为水胶比0.25，目标孔隙率25%，再生粗骨料取代率50%，粉煤灰掺量0%，聚丙烯纤维掺量0.11%。

2.3 有效孔隙率极差分析

绘制各因素不同水平对透水再生混凝土有效孔隙率的影响效应图，如图7所示。

图7 各因素对透水再生混凝土有效孔隙率的影响效应图Fig.7 Diagram of the effect of each factor on effective porosity of pervious recycled concrete

从表6的透水系数极差分析结果和图7可以看出,有效孔隙率和透水系数具有极高的相关性，除了再生粗骨料取代时，有效孔隙率基本不变化，其余因素对透水再生混凝土有效孔隙率的影响与透水系数变化规律基本一致。综合极差分析结果，对透水再生混凝土有效孔隙率影响的主次因素为目标孔隙率>粉煤灰掺量>水胶比>聚丙烯纤维掺量>再生粗骨料取代率，最佳组合为水胶比0.25，目标孔隙率25%，再生粗骨料取代率50%，粉煤灰掺量0%，聚丙烯纤维掺量0%。

2.4 综合分析

功效系数法根据多目标规划原理，对各指标进行归一化处理得到相应指标的功效系数，然后综合各指标的功效系数计算总功效系数，以此进行综合分析，总功效系数越大说明此组试验配合比的综合性能越好[30]。各指标功效系数归一化计算公式和总功效系数计算公式如式(3)、(4)所示。

dji=TjiTmax

(3)

dj=n(dj1×dj2×…×djn)

(4)

式中：dji为第j组试验第i个指标的功效系数；Tji为第j组试验第i个指标实测值；Tmax为16组试验中第i个指标的实测最大值；dj为第j组试验的总功效系数；n为评价指标的数量。

对正交试验所得的抗压强度和透水系数采用功效系数法进行综合分析，结果见表7。可以看出：第8组的总功效系数最大，即目标孔隙率25%、水胶比0.28、再生粗骨料取代率40%、粉煤灰掺量5%、聚丙烯纤维掺量0%时，透水再生混凝土的综合性能最佳；其次是第7组和第10组，分别对应20%和15%目标孔隙率下的最佳因素组合。

表7 正交试验结果综合分析Table 7 Comprehensive analysis of orthogonal test results

3 结 论

采用五因素四水平正交试验研究透水再生混凝土抗压强度、透水系数和有效孔隙率，重点分析了再生粗骨料取代率、聚丙烯纤维掺量和粉煤灰掺量对透水再生混凝土的影响规律，得出如下结论：

(1)目标孔隙率和再生粗骨料取代率是影响透水再生混凝土抗压强度的主要因素，影响透水再生混凝土透水性能的主要因素是目标孔隙率和水胶比。透水再生混凝土的抗压强度最大为48.26 MPa，此时透水系数为1.96 mm/s，有效孔隙率为8.22%。

(2)再生粗骨料的取代可以有效提高透水再生混凝土的抗压强度，其中40%再生粗骨料等质量取代天然粗骨料时，透水再生混凝土的抗压强度达到28.7 MPa,提高119.08%，而且透水系数有9.44%的增幅；粉煤灰的掺入可以提高透水再生混凝土的抗压强度，但会降低其透水系数和有效孔隙率；0.11%体积掺量聚丙烯纤维的加入可以提高透水再生混凝土的抗压强度，相比不加纤维的透水再生混凝土，其抗压强度达到27.4 MPa，提高幅度为10.48%，而且透水系数有4.51%的增幅。

(3)对于抗压强度有较高要求的路面，透水再生混凝土的最优配合比为水胶比0.31，目标孔隙率10%，再生粗骨料取代率40%，粉煤灰掺量5%，聚丙烯纤维掺量0.11%。

(4)对于降雨量较大的地区，应用于路面的透水再生混凝土的最优配合比为水胶比0.25，目标孔隙率25%，再生粗骨料取代率50%，粉煤灰掺量0%，聚丙烯纤维掺量0.11%。

(5)对于抗压强度和透水性能的综合分析，基于功效系数法得到了25%、20%和15%目标孔隙率下的最优配合比，综合性能最优的是25%目标孔隙率下的配合比：水胶比0.28，再生粗骨料取代率40%，粉煤灰掺量5%，聚丙烯纤维掺量0%。