不同废玻璃掺量对透水混凝土的性能影响

林书立 梁毅 覃振林 周源芳 杨卿松

摘 要：为探究废玻璃掺入透水混凝土中对透水混凝土性能的影响，以目标孔隙率、水胶比、玻璃砂率和粉煤灰掺量为因素设计不同因素水平的正交试验，并对试验结果进行了极差分析和方差分析。结果表明，透水混凝土的抗压强度、透水系数、有效孔隙率、保水性和降温性等性能影响因素主次顺序为：目标孔隙率>玻璃砂率>水胶比>粉煤灰掺量。增加废玻璃的掺入量对透水混凝土的性能有明显的影响，抗压强度先增大后减小，透水系数降低。通过综合评价分析选出最优配合比：目标孔隙率为15%，水胶比为0.32，玻璃砂率为10%，粉煤灰掺量为10%，且各性能指标均满足规范与实际使用要求。适量掺入玻璃砂有效地提升了透水混凝土力学性能和降温性能，并保持良好的透水性能，为提高废玻璃回收利用率和缓解城市热岛效应的工程应用提供参考。

关键词：透水混凝土；废玻璃；正交试验；保水性；降温性；综合分析

中图分类号：TU528.581 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.03.005

0 引言

城市化发展过程中会产生大量的固态废物，据联合国的相关统计，废玻璃在固体废弃物中的占比达到7%左右[1]。中国再生资源回收行业发展报告（2022）显示[2]，2021年我国废玻璃产生量约为2.275×107 t，而废玻璃回收量约为1.005×107 t，回收利用率为44.2%左右，大量废玻璃未被回收利用，既造成资源浪费，又会给环境带来极大的负面影响。同时，在城市化的大背景下，海绵城市的建设在缓解城市内涝、区域水资源短缺、水污染加重等方面发挥了重要作用[3]。透水混凝土由于其孔隙众多，透水性和保湿性良好，能有效地渗透、补充地下水，减少雨水径流，降低热岛效应，是一种符合“海绵城市”理念的绿色建材[4-6]。因此，探索用废玻璃作为透水混凝土原材料不仅会带来显著的经济效益，而且会产生重要的社会效益。

目前，国内外诸多学者已对废玻璃掺入混凝土或透水混凝土中对其性能影响进行了相关研究。Mallum等[7-9]研究发现：玻璃的性质与天然砂较为相似，将玻璃磨细取代混凝土的细骨料是可行的，在合理的取代范围内，能得到较好的抗压强度。金珊珊等[10]将废弃玻璃骨料掺入混凝土中可改善混凝土的工作性能。透水混凝土一般不含或含有少量的细骨料，具有多孔结构，以满足渗透性要求，较大的孔隙率将增加透水系数，但其强度会降低[11-12]。赵绍飞等[13]适当掺入细骨料砂可以在不影响透水系数的情况下提高透水混凝土强度。陈守开等[14]提出了废玻璃颗粒替代天然河砂后，可改善再生骨料透水混凝土的孔结构，并提高其强度性能。Lu等[15]在透水混凝土中掺入适量的废玻璃可获得较好的抗压强度和透水性能。

综上所述，目前关于废玻璃掺入透水混凝土中对其性能影响的研究多集中于抗压强度和透水性能方面，对透水混凝土的保水性和降温性方面却鲜有研究。因此，对透水混凝土的保水性、降温性的研究十分必要。本试验针对透水混凝土强度偏低的问题，将废玻璃作为细骨料掺入透水混凝土中，探究废玻璃对透水混凝土各项性能的影响。选取目标孔隙率、水胶比、玻璃砂率、粉煤灰掺量为因素，并对各因素设置了4个水平进行正交试验。通过极差和方差分析来研究各因素对透水混凝土力学性能、物理性能的影响规律，并筛选出兼顾抗压强度和透水性能的最优配合比。一方面可以提高废玻璃回收利用率；另一方面可为透水混凝土性能改善提供新途径，对相关的工程应用提供一定的参考。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥；粗骨料：采用粒径为4.75 ～ 9.50 mm的天然碎石，测得其表观密度2 621 kg/m3；细骨料：由废弃玻璃瓶加工制成的玻璃中砂，细度模数2.66；粉煤灰：I级粉煤灰；水：自来水；减水剂：采用聚羧酸高效减水剂。

1.2 正交试验设计

本试验采用正交试验方法进行配合比的设计，研究目标孔隙率、水胶比、玻璃砂率和粉煤灰掺量4个因素分别对抗压强度（fc）、透水系数（KT）、有效孔隙率、保水性和降温性的影响程度，从而寻找出具有较高强度和良好透水性能的最优配合比。试验选用L16（44）正交表进行试验设计，因素与水平如表1所示，配合比如表2所示。

1.3 试件制备工艺

试验采用水泥裹石法，根据表2的配合比称量材料。先将石子和玻璃砂加入混凝土单卧轴搅拌机中，加入50%的水预湿骨料并搅拌30 s；然后依次加入胶凝材料，再进行搅拌30 s；最后将剩余的水和减水剂加入搅拌机中，搅拌120 s后出料装模。采用振动成型法，为保证透水混凝土试件的强度和防止发生沉底现象，振动时间不宜过长，振动台振动控制时间为15 s。成型后的试件立即用保鲜膜进行包裹以防止水分蒸发。1 d后进行脱模，并放置在标准养护室（温度（20±2）℃、相对湿度95%）中养护至3 d、7 d、28 d。

1.4 试驗方法

抗压强度：选用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，按照我国《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）[16]进行测试。

透水系数：按照我国《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T 135—2009）[17]附录A进行测试。

有效孔隙率：按照我国《再生骨料透水混凝土应用技术规程》（CJJ/T 253—2016）[18]附录A进行测试。

保水性：按照我国《透水砖》（JC/T 945—2005）[19]进行测试。

降温性：9月初，将试件完全浸水24 h后，在室外自然状态下，从上午10点到下午4点，每隔1 h用红外线测温仪测量试件的表面温度，每次测量3组实验数据，取平均值[20]。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果

正交试验结果如表3所示。由表3可知：1）在不同龄期下，3 d和7 d抗压强度分别能达到其28 d抗压强度的60%和75%左右。这是因为透水混凝土内部为多孔结构，使得水泥能更迅速地发生水化反应，获得较高的早期强度。2）透水系数的范围是0.71～2.51 mm/s，均大于0.50 mm/s，符合规范要求。3）有效孔隙率与目标孔隙率较为一致，且各组有效孔隙率均略低于目标孔隙率。造成该现象的原因是透水混凝土在拌制成型时，浆料填充必然会形成部分封闭孔隙，导致有效孔隙减少。4）保水性的范围是0.47～0.70 g/cm2，目标孔隙率大于10%的试件保水性均大于0.60 g/cm2，符合规范要求。

降温性正交试验结果如表4所示。由表4可知，透水混凝土在各时间段的温度均低于普通混凝土和水泥路面。一方面是因为透水混凝土具有一定数量的孔隙，可保存一定的水分，使其温度降低；另一方面是因为玻璃材料本身导热系数较低，从而提高了试件的保温性能，导致温度变化较小。

2.2 极差分析

2.2.1 抗压强度极差分析

抗压强度极差分析如表5所示。由表5可知，影响透水混凝土3 d、7 d和28 d抗压强度的因素主次顺序均为：目标孔隙率>玻璃砂率>水胶比>粉煤灰掺量。

各因素对抗压强度的影响趋势如图1所示。由图1可知：1）抗压强度随着目标孔隙率的增大而减小（图1（a））。这与透水混凝土内部的多孔结构有关，增大目标孔隙率必将导致内部的孔隙增多，使其密实度降低，从而导致抗压强度下降。2）抗压强度随着水胶比的增大而先增大后减小（图1（b））。这是因为水胶比的增大会提高水泥浆体的流动性，使浆体能够均匀地包裹骨料，增加骨料之间的连接度，从而提高了抗压强度。当水胶比过大时，易产生离析，骨料上的水泥浆脱落，黏附困难，造成不利于其强度提高的水泥浆沉底，从而导致抗压强度降低。3）抗压强度随着玻璃砂率的增大先增大后减小（图1（c））。这是因为废玻璃具有硬度高的特点，充当细骨料能够增加骨料之间的接触面，增大其密实度，加强骨料之间的咬合力，骨料之间的应力得到有效传递，致使其抗压强度提高。但当玻璃砂率超过一定量时，透水混凝土中水泥浆含量不变，增大了骨料间的表面积，水泥浆无法完全包裹所有玻璃砂的外表面，不能形成工作性能良好的水泥砂浆，使其胶结性能降低，抗压强度也因此降低。4）抗压强度随着粉煤灰掺量的增大而先增大后减小（图1（d））。这是因为粉煤灰表面光滑致密，在透水混凝土拌和中起到润滑的作用，使浆体黏稠，颗粒包裹均匀，故强度提高。但过量的粉煤灰会减少单位体积透水混凝土的水泥用量，造成水泥浆的稀释，导致抗压强度降低。

2.2.2 透水系数极差分析

透水系数极差分析如表6所示。由表6可知，影响透水混凝土28 d透水系数的因素主次顺序为：目标孔隙率>玻璃砂率>水胶比>粉煤灰掺量。

各因素对透水系數的影响趋势如图2所示，由图2可知：1）透水系数随着目标孔隙率的增大而增大（图2（a））。这是因为目标孔隙率增大后，透水混凝土内部的连通孔隙会相应增加，透水系数也随之增大。2）透水系数随着水胶比的增大而减小（图2（b））。这是因为随着水胶比的增大，水泥浆体流动性增强，在重力作用下试件底部浆体逐渐增多，部分孔隙被堵塞，从而使其透水系数降低。3）透水系数随着玻璃砂率的增大而减小（图2（c））。这是因为玻璃砂的掺入，将填充于透水混凝土内部，使得部分有效透水孔变为封闭孔隙，导致其透水系数降低。4）透水系数随着粉煤灰掺量的增大而减小（图2（d））。这是因为粉煤灰填充在骨料的间隙之间，增加了透水混凝土的密实度，减少了孔隙数量，从而使透水系数降低。

2.2.3 有效孔隙率极差分析

有效孔隙率极差分析如表6所示。由表6可知，各因素对有效孔隙率的影响主次顺序为：目标孔隙率>玻璃砂率>水胶比>粉煤灰掺量。因透水混凝土的孔隙率与透水系数之间有较好的相关性，故各因素对有效孔隙率的影响规律与对透水系数的影响基本一致，影响原因也大致相同。

2.2.4 保水性极差分析

保水性极差分析如表6所示。由表6可知，各因素对保水性的影响主次顺序为：目标孔隙率>玻璃砂率>水胶比>粉煤灰掺量。各因素对保水性的影响趋势为：1）保水性随着目标孔隙率的增大而增大。这是因为随着目标孔隙率的增大，透水混凝土中孔隙数量增多，同时连通的孔隙增多，使得透水混凝土大量吸水并保存水分，故保水性随之增大。2）保水性随着玻璃砂率的增大而减小。这是因为玻璃砂掺入后将填充于透水混凝土内部，使部分有效透水孔变为封闭孔隙，使其保水性降低，但降低幅度较小，仍能保持良好的保水性。3）保水性随着水胶比、粉煤灰掺量的增大略有降低，总体来说，对其影响较小。

2.2.5 降温性极差分析

降温性极差分析如表7所示。选取温度变化较大的3个时间段进行分析，各因素的影响主次顺序为：目标孔隙率>玻璃砂率>水胶比>粉煤灰掺量。各因素对降温性的影响趋势为：1）随着目标孔隙率的增大，温度呈递减的趋势。这是因为随着孔隙率的增大，可保存更多的水分，使其温度得以降低。2）随着玻璃砂率的增大，温度呈递减的趋势。这是因为玻璃集料掺量越大，其导热系数越小，相应的透水混凝土的温度也相对较低[21]。因此可以使用玻璃砂材料对透水混凝土温度进行有效控制，可有效地改善城市热岛效应。3）水胶比、粉煤灰掺量等因素的改变对其降温性影响较小。

2.3 方差分析

采用方差分析法对正交试验结果进行分析，分析各因素对28 d抗压强度、28 d透水系数的影响是否具有显著性。抗压强度方差分析如表8所示，透水系数方差分析如表9所示。

由表8可知，目标孔隙率、玻璃砂率、水胶比3个因素的F比在置信度为95%时均大于F临界值9.28，对28 d抗压强度具有显著性影响。虽然粉煤灰掺量没有达到显著水平，但其偏差平方和大于误差的偏差平方和，表明了其正交试验结果的合理性。

由表9可知，目标孔隙率、玻璃砂率、水胶比、粉煤灰掺量4个因素的F比在置信度为95%时均大于F临界值9.28，对28 d透水系数均有显著性影响。

由表8、表9可知，显著水平P值越小，因素对目标量的影响越大[22]。各因素对透水混凝土28 d抗压强度和28 d透水系数的影响程度主次顺序均为：目标孔隙率>玻璃砂率>水胶比>粉煤灰掺量，与极差分析的结果一致。

2.4 综合评价分析

为综合考察透水混凝土的评价指标，采用功效系数法进行分析。功效系数法是将每组试验试件的性能指标抗压强度（fc）和透水系数（KT）与所有试验组试件中的性能指标（fc， KT）的最大值相比得到抗压强度功效系数（d1）和透水系数功效系数（d2），最后再将每组各指标的功效系数相乘并开2次方得到总功效系数，即为[d=d1×d2]，总功效系数值最大的组是此正交试验综合性能的优化配合比[23]。因为抗压强度和透水系数是衡量透水混凝土性能最重要的2个指标，故选取28 d抗压强度、28 d透水系数的测试结果进行综合评价分析，其分析结果如表10所示。

本研究的透水混凝土以应用于公园、人行道等路面为目的，因此强度等级为C20。由表10可知，第13、14组总功效系数大于第8组，但因第13、14组的抗压强度低于《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T 135—2009）[17]规范要求，故第8组配合比A2B4C3D2满足规范要求，其总功效系数最大值为0.670，该组试件的抗压强度为20.59 MPa，透水系数为1.46 mm/s。综合性能下最优配合比为：目标孔隙率为15%，水胶比为0.32，玻璃砂率为10%，粉煤灰掺量为10%。使用功效系数法得出了兼顧抗压强度和透水性能的最优配合比，满足了普通透水混凝土路面的需求，对实际工程的应用可提供一定的参考。

3 结论

1）通过正交试验分析得出，各因素对透水混凝土的力学性能及物理性能的影响程度大小均为：目标孔隙率>玻璃砂率>水胶比>粉煤灰掺量。废玻璃掺量的增加对透水混凝土的性能有明显的影响，抗压强度先增大后减小，透水系数有下降的趋势。

2）通过保水性与降温性试验分析得出，掺入废玻璃后仍有较好的保水性能，且能利用玻璃导热系数小的特点，对透水混凝土温度进行有效控制，可有效地改善城市热岛效应。

3）通过综合评价分析，得出了兼顾抗压强度和透水性能的透水混凝土最优配合比为：目标孔隙率为15%，水胶比为0.32，玻璃砂率为10%，粉煤灰掺量为10%。其抗压强度为20.59 MPa，透水系数为1.46 mm/s，各指标均满足规范要求。

4）适量掺入玻璃砂可有效提升透水混凝土的力学性能，并保持良好的透水性能。不仅为透水混凝土提供了新的材料选择，也为废玻璃的回收利用提供新的方法，对今后海绵城市的建设和新型绿色建材的研究提供参考。

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Effects of different waste glass content on performance of

pervious concrete

LIN Shuli， LIANG Yi*， QIN Zhenlin， ZHOU Yuanfang， YANG Qingsong

（School of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： To explore the effect of waste glass mixed into pervious concrete on the performance of pervious concrete， orthogonal tests with different factor levels were designed with target porosity， water-binder ratio， glass sand rate and fly ash content as factors， and range analysis and variance analysis were carried out on the test results. The results show that the main and secondary factors affecting the performance of pervious concrete， such as compressive strength， permeability coefficient， effective porosity， water retention and cooling performance， are as follows： target porosity>glass sand ratio>water-binder ratio>fly ash content. Increasing the amount of waste glass has obvious effect on the performance of pervious concrete， the compressive strength increases first and then decreases， and the permeability coefficient decreases. Through comprehensive evaluation and analysis， the optimal mix ratio was selected as the target porosity of 15%， water-binder ratio of 0.32， glass sand rate of 10%， fly ash content of 10%， and all performance indexes meet the requirements of the specification and actual use. The appropriate amount of glass sand can effectively improve the mechanical properties and cooling performance of pervious concrete， and maintain a good water permeability， which provides a reference for improving the recycling efficiency of waste glass and alleviating the urban heat island effect.

Key words： pervious concrete; waste glass; orthogonal test; water retention; cooling performance; comprehensive analysis

（责编编辑：罗小芬）