再生骨料透水混凝土力学性能试验研究
2022-09-24刘保华杜于熙
汤 峰 刘保华 方 亮 杜于熙 周 鑫
(湖南农业大学水利与土木工程学院,湖南 长沙410128)
0 引言
近年来,我国每年产生约18亿t的建筑垃圾,现阶段的废弃混凝土主要被直接填埋或弃置处理,总体的资源化利用率不足10%,远低于欧美国家的90%和日韩的95%。同时,我国的混凝土行业正以每年约50亿t的速度消耗天然骨料[1],由于长期对混凝土天然骨料的过度开采和消耗,导致天然骨料严重紧缺,所带来的环境问题也日益严峻。因此,对再生骨料的研究势在必行。同时,由于许多城市因强降雨引发城市内涝灾害频发,严重影响人们的生产生活,威胁城市安全。为有效解决市政人行道路面积水、城市内涝等问题,推动我国“海绵城市”的建设,透水混凝土的应用越来越广泛。因此,将建筑垃圾再生骨料完全取代天然骨料制备再生骨料透水混凝土,具有极高的经济效益和商业价值[2]。
本研究是利用不同强度等级、不同粒径的废弃混凝土,经破碎、清洗、筛分等过程制成再生骨料,完全代替天然骨料,与水泥、水等拌合制成具有一定抗压强度及透气透水性的再生骨料透水混凝土。在试验过程中,对不同强度等级的再生骨料进行组合试验,以期设计一种应用于人行道的再生骨料透水混凝土,并根据强度设计要求寻找废弃混凝土的最佳配比,以有效地解决废弃混凝土的污染和填埋问题。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
1.1.1 再生粗骨料
本次试验采用的再生粗骨料取自建筑废弃混凝土,经颚式破碎机和人工破碎后,并经由方孔筛筛分成4.75~9.5mm和9.5~19mm两组粒径范围,骨料表面经过人工清洗晾干,去除表面杂质,用于制备再生骨料透水混凝土,集料级配见表1。
表1 集料级配表
1.1.2 水泥和水
水泥选择南方水泥有限公司生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥,试验拌和用水为实验室自来水。水泥的基本性能指标见表2[3]。
表2 水泥的基本性能
1.2 配合比设计
再生骨料透水混凝土的基本性能指标是透水性能,最大的影响因素为目标孔隙率[4],在配合比设计时应先对目标孔隙率进行设计,设计孔隙率分别为10%、15%、20%、25%,再生骨料的强度等级分别取C20、C30、C40及以50%的比例互相进行掺和,共有6种组合,每组配合比下制备3个150mm×150mm×150mm的标准立方体试块,参照《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253-2016),再生骨料透水混凝土的水灰比介于0.25~0.35较优,且水灰比稍作调整对强度提高的作用不明显,试验采用水灰比为0.3,再生骨料由50%粒径为4.75~9.5mm的再生骨料和50%粒径为9.5~19mm的再生骨料组成,透水混凝土配合比设计结果见表3。
表3 透水混凝土配合比设计
1.3 透水混凝土的制作与养护
采用水泥裹石法拌制混凝土,具体为先投放50%的水和所有粗骨料搅拌30s,然后投放剩余拌合水和水泥灰,搅拌90s,最后装模,1d后脱模取样,将再生骨料透水混凝土试块置于标准养护室中,控制温度为20±2℃、相对湿度为95%以上,养护28d。
1.4 力学性能测试
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)规定,通过液压式压力机测试标准养护下28d龄期的再生骨料透水混凝土标准立方体试块的抗压强度,试验结果取3个150mm×150mm×150mm标准立方体试块的平均值[5]。
2 试验结果与分析
试验结果及对抗压强度的影响分析如表4所示。设计孔隙率与抗压强度的关系如图1所示。
表4 抗压强度试验结果分析
图1 设计孔隙率与抗压强度的关系
对表4试验结果进行分析可知,在再生骨料强度等级组合相同的情况下,伴随着目标孔隙率的增加,水泥和水的用量减少,骨料之间的黏结力降低,再生骨料透水混凝土的抗压强度逐渐减小。同时,由于试验中强度等级为C40的再生骨料在破碎时掺入了大量的杂质,导致其组合的抗压强度偏低。根据《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253-2016)的规定,当透水混凝土的抗压强度达到20MPa时,均可应用于人行道路面铺设,其中满足要求的试验组合共有8组。试验结果显示,再生骨料强度等级为C30、目标孔隙率为10%的组合,抗压强度达到最优[7]。如图1所示,当设计孔隙率由10%到15%时,以强度等级为C20、C30、C40、C20+C30、C20+C40、C30+C40再生骨料制备的再生骨料透水混凝土抗压强度分别下降48.0%、41.7%、44.9%、8.6%、46.6%、40.4%;当设计孔隙率由15%到20%时,抗压强度分别下降3.0%、10.4%、10.9%、10.8%、20.8%、18.3%;当设计孔隙率由20%到25%时,抗压强度分别下降23.3%、19.9%、19.8%、27.7%、31.1%、26.9%。由图1可知,以强度等级为C20+C30再生骨料制备的再生骨料透水混凝土的抗压强度基本呈线性变化,且伴随着设计孔隙率的增加,强度降低不明显。
3 结束语
利用废弃混凝土制备再生骨料代替天然骨料与水泥等拌合制成再生骨料透水混凝土,采用水泥裹石法制备24组试验样品,研究再生骨料的强度等级、目标孔隙率对再生骨料透水混凝土抗压强度的影响,得到如下结论:
(1)随着目标孔隙率的增加,再生骨料颗粒间的胶结点数量和面积减少,再生骨料透水混凝土的28d抗压强度逐渐降低,建议将再生骨料透水混凝土的孔隙率控制在10%左右。
(2)在相同的目标孔隙率下,与以单一强度等级再生骨料制备的再生骨料透水混凝土相比,以混合强度等级再生骨料制备的再生骨料透水混凝土抗压强度偏低。
(3)综合考虑抗压强度和透水系数的影响,试验得到的应用于人行道路面的最佳配比为:再生骨料强度等级为C20+C30,骨料掺和比例各为50%,设计孔隙率为15%,水灰比为0.3,再生骨料由50%粒径为4.75~9.5mm的再生骨料和50%粒径为9.5~19mm的再生骨料组成,再生骨料透水混凝土的最优配合比(kg/m3)为:m(再生骨料):m(水泥):m(水)=1357.04∶564.94∶169.88。根据此配合比制得的再生骨料透水混凝土兼具良好的抗压强度和透水性能,抗压强度为25.07MPa,符合《再生骨料透水混凝土应用技术规程》(CJJ/T 253-2016)的规定,可用于人行道路面铺设。