建筑垃圾再生砖混透水混凝土性能研究

李芳军

摘 要：建筑砖混垃圾的再利用有利于节约资源和保护环境，促进中国更快实现“双碳”目标。为研究水灰比和骨料粒径对再生砖混透水混凝土抗压强度和透水系数的影响，文章以水灰比（0.28～0.32）和骨料粒径（4.75～19 mm）作为变量，探究2个变量对抗压强度和透水系数的规律。研究结果表明：一方面，再生砖混透水混凝土的抗压强度在水灰比变化时，起初会有所增强，但之后会呈现下降趋势；而随着骨料粒径的增加，其抗压强度则逐渐减弱。另一方面，该混凝土的透水系数会随着骨料粒径的增大而增加。值得注意的是，不同骨料粒径下的水灰比对透水系数的影响并非一致，存在一定的差异，骨料粒径4.75～9.5 mm和9.5～16 mm下的透水系数随水灰比增大而呈先增大后减小的趋势，而骨料粒径16～19 mm下透水系数随水灰比的增大而减小。文章研究结果可为实际工程提供参考和借鉴。

关键词：再生砖混骨料；透水混凝土；抗压强度；透水系数

中图分类号：TU528.2 文献标志码：A

0 引言

近年来，建筑砖混垃圾再生骨料透水混凝土作为一种环保、可持续发展的新型建材备受关注。传统的建筑砖混垃圾处理方式往往无法有效回收其资源，导致浪费和环保压力。而透水混凝土材料的研究则可以有效地解决城市内涝问题，提高建筑砖混垃圾的再生利用率，减少天然骨料使用以保护生态环境，提升城市生态环境的质量[1]。因此，对再生砖混透水混凝土的力学性能进行深入研究，不仅可以为其在实际工程中的应用提供理论依据，还可以评估和改进该材料的性能，进一步推动其在工程领域的推广应用。再生砖混透水混凝土的力学性能研究主要包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度等方面的测试。抗压强度是衡量混凝土材料抵御荷载能力的重要指标[2]3-4 。通过对抗压强度进行测试，可以了解再生砖混透水混凝土的承载能力以及抗压性能的优劣。再生砖混透水混凝土的力学性能研究不仅具有学术意义，更具有实际应用价值。通过深入研究材料的力学性能，可以为其在道路、广场、停车场等场所的应用提供技术支持和合理性评估[3]，提高材料的推广应用率。此外，还可以为工程设计提供合理的参数和准确的模型，将建筑砖混垃圾资源化利用与城市生态环境改善相结合，推动可持续城市发展，更有助于建设“海绵城市”[4-5]。因此，在探讨建筑砖混垃圾再生骨料透水混凝土的力学性能时，这项研究不仅至关重要，而且它在促进绿色建筑产业进一步发展和普及方面扮演着积极的角色[5]。

再生砖混骨料中大部分被混凝土包裹，骨料中有较多裂隙，导致其吸水率较一般骨料更大，所需用水量更多，其中多出的部分称为附加水，因此其28 d抗压强度随水灰比变化的规律与一般混凝土不同，其配合比设计也较一般混凝土更为复杂。为了更深入地探讨水灰比和骨料粒径的变化如何影响再生透水混凝土在28 d龄期时的抗压强度及其透水系数，以及这些影响的规律性，文章进行了相关研究，以水灰比为变量，参照周勇[6]、郭远新[7]的研究，将设置水灰比变化范围为0.28～0.32，骨料粒径选用 4.75～9.5 mm、9.5～16 mm 及 16～19 mm 这 3种单级配粒径，研究再生砖混透水混凝土28 d抗压强度、透水系数随水灰比、骨料粒径变化的相关规律。

1 试验设计

1.1 原材料

试验原材料采用兰州西固石化14#街片区棚户区改造项目房屋拆除后产生的建筑废料，经颚式破碎机破碎，采用人工筛分的方式，将骨料筛分成4.75～9.5 mm、9.5～16 mm及16～19 mm的粗骨料，参照《建设用碎石、卵石》（GB/T 14685—2022）

[8]测试其骨料性质，相关指标满足规范要求，试验结果见表1；采用天然碎石为天然粗骨料，骨料级配分别为再生骨料粒径对应；粉煤灰为II级；水泥采用普通P.O42.5水泥；采用高效减水剂T W-10萘系高效减水剂；水采用兰州市自来水。为保证再生砖混透水混凝土的最佳性能，将再生骨料和天然骨料按照40%和60%的比例进行混合[9-10]。

1.2 配合比设计

在设计再生骨料透水性混凝土的配合比时，需要通过调整和优化配合比参数，以确保所得到的混凝土在结构上既合理又具备所需的性能，水泥浆完全包裹骨料的前提下确保其粗骨料之间留有足够的间隙以便透水。这可使透水混凝土既满足规范给定的力学性能要求，又兼具良好的透水性能。分析再生透水混凝土配比设计理论可知，影响透水混凝土抗压强度和透水系数的主要因素可能包括骨料粒径和水灰比的差异，依据袁汉卿等[11]的研究结果，取骨料粒径为4.75～9.5 mm、9.5～16 mm和16～19 mm，通过采用3种不同粒径进行配合比设计，找出再生砖混透水混凝土随骨料粒径的变化规律。根据陈守开等[12]128 的研究结果，透水混凝土水灰比的范围取0.26～0.40。再根据杨晴[2]47-48 、唐海玥和闫纾梅[13]的研究结果，将水灰比的范围缩小至0.28～0.32，在采用40%的再生砖混骨料替代天然骨料来制备再生砖混透水混凝土的过程中，不仅提升了生产效率，而且能够更加直接地观察到随着水灰比的变化，再生透水混凝土在28 d龄期时的抗压强度所呈现出的变化规律。在保证用水量与骨料用量不变的前提下，设计 3 个梯度的水胶比系列，水灰比分别为0.28、0.30、0.32；根据陈守开等[12]127 的研究结果，选定粉煤灰掺量为5%。根据试拌的结果，减水剂的用量采用0.13%。综上，共计9个配合比，见表2；RAPC-1-0.28表示水胶比为0.28、骨料粒径为4.75～9.5 mm粒径的再生骨料透水混凝土，其余水胶比和骨料粒径的配比编号与此类似。

1.3 试样制备

在实验室常温环境下制备试样，采用单轴强制式搅拌机进行拌合，加料过程中，注意先加水将骨料进行预湿，再生骨料提前将附加水部分吸收，搅拌1 min之后，将剩下的胶凝材料放入其中，再放入剩下的水拌和1 min。然后装模静置24 h后放入养护箱中养护28 d。根据该方法，将拌好的再生透水混凝土填充到模具的1/3高度时，采用捣棒在四周进行插捣，在插捣过程中需要将捣棒插捣至下一层的层面，保证捣实。对于剩下部分重复以上操作以保证透水混凝土结构的密实性，最后将其抹平。若采用机械振捣，会使水泥浆通过骨料间的孔隙下渗至底部，导致水泥浆分布不均且容易堵住下层孔隙，故采用人工插捣[14]。水泥水化仅在有充足的水分存在的情况下才会发生。因为透水混凝土水灰比（W/C）较低，且兰州地区气候干燥，所以需要在将再生透水混凝土装模之后，在其表面盖上一层保鲜膜，保证其中水分不被蒸发。抗压强度试块采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。对每个试验制备3个相同的混凝土试件并按照规范要求进行试验并处理试验数据。

1.4 试验方法

（1）抗压强度采用兰州理工大学混凝土试验室微机伺服万能试验机作为加载装置，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082—2009）

[15]对试件进行抗压试验，并结合计算公式进行计算。

试验步骤为：将养护龄期满28 d的试件从养护箱中取出后，将试件表面以及试验机清理干净，每组3个进行加载、并记录所得数据。加载的操作步骤为先将试件平放在压力机中间，与上下的轴线对齐，压力机的速度调整为0.3 MPa/s后进行匀速施压，计算试块压力值。

混凝土抗压强度值的计算方法如式（1）所示：

式中：f cc 为混凝土立方体试件抗压强度（MPa）；F为试件破坏荷载值（N）；A为试件的抗压承受面积（m 2 ）；α为修正系数，这里取0.95。

（2）根据《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T135-2009）

[16]附录A设计并定制了如图1所示的透水试验装置，在试验阶段，水通过装置上部的透水圆筒被注入，随后水会经过混凝土的孔隙，进而流入其下方的空间。下部圆柱形水槽中，通过控制进水速度使水位与上出水口持平，当圆筒内注入的水流与下水槽溢出水量相持平时，启动秒表量取时间t内下水槽出水口排出的水量V。透水系数的计算公式为：

式中：V为水流量；L为试样长度；t为测量时间；A为试样截面面积； Δ h为水头差。

2 试验结果与分析

表3为不同配合比的抗压强度和透水系数试验结果。从图2、图3可知，随着水灰比增大，28 d抗压强度值随之增大，而后又随之减小。该变化规律与普通混凝土不同，这是因为再生砖混透水混凝土中无砂，是一种干硬性混凝土，而决定混凝土强度的一个重要因素是水泥浆是否均匀包裹住骨料。当水灰比过小时，其所形成的水泥浆呈干硬状态，并不能完全包裹住骨料，使得骨料之间形成的水泥浆黏结层较为薄弱，也就使得骨料之间黏结力减弱。当增大水灰比至0.30时，此时水泥浆刚好可以包裹住骨料，使得骨料间的水泥浆黏结层黏结性增强，进而增强了抗压强度。当水灰比增加至0.32时，水胶比过大，水泥浆呈稀薄状态，在重力和外力作用下，会使得水泥浆下渗导致整体水泥浆的分布不均，使得骨料之间水泥浆黏结层变薄，也就使得水泥浆黏结层的黏结力减弱，而水泥浆黏结层的黏结强度是其抗压强度的重要组成之一，因此导致抗压强度减小[17]。所以对于再生砖混透水混凝土而言，水灰比存在一个适宜范围，在该范围内水灰比的增加有利于改善再生砖混透水混凝土和易性，并且增强骨料间水泥浆黏结性。

从图2可知，当再生砖混透水混凝土的骨料粒径增加至4.75～9.5 mm的范围内时，其抗压强度会相应地呈现出降低的趋势，抗压强度值最大可达到17.85 MPa，而随着骨料粒径增大至9.5～16 mm，此时抗压强度值最大可达到13.18 MPa，而当骨料粒径增大至16～19 mm时，最大抗压强度值仅为11.39 MPa，相较于4.75～9.5 mm减小了36.2%。这是因为，在骨料粒径较小时，骨料之间接触点较多，所形成的接触面积对应就大，因此在施加荷载后因接触点多，试件受力均匀，整体也较为密实，因此抗压强度值高，而在骨料粒径增大的过程中，骨料与骨料之间孔隙变大，使得骨料之间的接触点减少，也就导致骨料之间的接触面积减小，而骨料之间的连接点是影响其抗压强度的重要影响因素之一，因此，随着接触面积减小，试件整体结构较为松散，所能承受的荷载相应降低[18]。

从图3可知，粒径为4.75～9.5 mm、9.5～16 mm再生砖混透水混凝土的透水系数值随水灰比小幅度变化所呈现的规律与粒径为16～19 mm所呈现的规律存在较大差异。粒径为4.75～9.5 mm、9.5～16 mm时，在调整水灰比的过程中，再生砖混透水混凝土的透水系数首先会表现出增大的趋势，但随后随着水灰比的进一步增加，透水系数又会逐渐减小，同样是达到0.30水灰比时抗压强度值最大，最大可达到4.32 mm/s。分析原因认为，粒径为4.75～9.5 mm和9.5～16 mm时，当水灰比过小时，骨料之间的水泥浆呈干硬状态，使其填充在骨料之间的孔隙中，减小了骨料之间的孔隙，使得再生砖混的孔隙减小，而孔隙数量直接影响再生砖混透水混凝土透水系数的大小，进而导致透水系数减小，当水灰比增大至0.30时，此时水泥浆状态适中，且能包裹住骨料，使得骨料之间形成的水泥浆性较强。水泥浆薄厚适中使得水泥浆得以均匀分布在混凝土内部而不堵塞孔隙，进而使得骨料间的孔隙增大，孔隙增多，最终使得透水系数增大。当水灰比增大至0.32时，水泥浆含水量过大，使得水泥浆易通过骨料间的孔隙往下流动，堵塞住下层骨料之间的孔隙，导致孔隙减少，使得透水系数减小。而骨料粒径为16～19 mm时，因粒径较大，而整体骨料的比表面积较小，较小的水灰比就能使水泥完全水化并充分裹住骨料，因此，此粒径下最优水灰比为0.28，此时最大透水系数值能达到6.22 mm/s，随着水灰比的增大，水泥浆不断变稀薄，使得水泥浆下渗至试件下层，部分孔隙被堵塞，因此导致透水系数降低。

随着骨料粒径的逐渐增大，骨料间的接触点数量会相应减少，这导致骨料之间的空隙不仅变大，而且数量也会增多。透水混凝土内部存在的孔隙一般分为连通孔隙、半连通半封闭孔隙率和封闭孔隙3种，其中半连通孔隙和连通孔隙直接决定着透水系数的大小。随着孔隙的占比不断增大，最终使得透水系数增大。

从图4的抗压强度试验图可得出，再生砖混透水混凝土的抗压试件在受到加载时，裂缝主要起始于试件的边缘部位，并逐渐向内部扩展，特别是在加载的初期阶段，试块的侧表面会首先出现这些裂缝，随着荷载不断地增加使裂缝向试件中央延伸，加载至后期试件裂缝向上下段斜向发展的同时也向试件内部延伸，而透水混凝土因为内部的孔隙结构更容易产生应力集中现象，最终导致脆性破坏。试件的脆性破坏最终归因于两点原因。首先，由于再生骨料中的碎砖骨料自身强度较低，使得在抗压试验中，这些废砖骨料在面对颗粒间的挤压时，无法承受压力而先发生破坏；其次，由于单粒径透水混凝土骨料与水泥浆结构的特点，导致透水混凝土中的骨料之间存在较大间隙，骨料之间连接点减少，使得骨料与胶凝材料、骨料与骨料间接触面积减小，进而导致骨料之间形成的水泥浆黏结层较薄，黏结力也不强。并且骨料间连接点减少也使得机械咬合力减弱，致使连接处薄弱，再生骨料在经历机器破碎后，其形状变得不规则，棱角也不均匀，在受力时，应力更容易在这些不规则和棱角处集中。这种应力集中作用会使骨料的尖端处发生断裂，进而引发骨料之间的错动，最终导致整个试件的破坏。此外，再生骨料中的旧水泥砂浆与原骨料之间的界面相对薄弱，这也是导致试件性能下降的一个重要因素，存在新、老界面薄弱区[19]，即旧骨料与旧水泥浆之间、新水泥浆与旧水泥浆之间的连接处更容易在外力作用下被破坏，形成应力集中而更容易在荷载作用下产生破坏。

3 结论

采用控制变量法，以骨料粒径和水灰比作为研究的2个主要变量，并通过图像辅助的方式，深入探讨了这2个变量如何分别影响再生砖混透水混凝土的抗压强度和透水系数。在综合分析试验过程中观察现象和绘制图像后，得出以下结论：

（1）再生砖混透水混凝土的抗压强度随骨料的粒径增大而减小，骨料粒径增大了骨料之间的孔隙，减小了骨料之间接触面积，导致骨料间机械咬合力降低，最终使其抗压强度降低。其再生砖混透水混凝土抗压强度随水灰比的增大而呈现先增大后减小的趋势，过大或过小的水灰比都会降低在再生砖混透水混凝土的抗压强度。

（2）再生砖混透水混凝土的透水性能与其孔隙率紧密相关。当骨料粒径增加时，骨料间的孔隙也随之扩大，这增强了混凝土的透水能力，进而使得透水系数相应增大。然而，在不同骨料粒径下，再生砖混透水混凝土的透水系数随水灰比的变化规律并不相同。特别是在4.75～9.5 mm和9.5～16 mm这2种粒径范围内，透水系数随着水灰比的增加先呈现出上升的趋势，但随后又会逐渐减小，较小水灰比容易堵住孔隙，较大则增强水泥浆流动性，在李芳军：建筑垃圾再生砖混透水混凝土性能研究插捣和重力作用下堵住孔隙。粒径16～19mm下透水系数随水灰比增大而降低，较大水灰比导致水泥浆下渗至底层堵塞孔隙，使透水系数降低。

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Research on the Performance of Construction Waste Recycled Brick Mixed Pervious Concrete

LI Fangjun

（China Railway 21st Bureau Group Second Engineering Company Limited，Lanzhou Gansu 730030，China）

Abstract： ：The reuse of construction brick waste is conducive to saving resources and protecting the environ?ment， and promotes the faster realization of the "double-carbon" goal in China. In this paper， the water-cement ra?tio （0.28～0.32） and aggregate size （4.75～19mm） were used as variables to investigate the effects of these two vari?ables on the compressive strength and permeability coefficient of recycled brick-mixed pervious concrete. The re?sults show that，on the one hand，the compressive strength of recycled brick mixed pervious concrete increases at first，but the decreases when the water-cement ratio changes.With the increase of aggregate size，the compressive strength of aggregate decreases gradually. On the other hand， the permeability coefficient of recycled brick mixed pervious concrete increases with the increase of aggregate size.It is worth noting that there are some differences in the effect of water-cement ratio on the permeability coefficient under different aggregate sizes.The water permeability coeffi?cients of aggregate size 4.75～9.5mm and 9.5～16mm showed a tendency to increase and then decrease， while the wa?ter permeability coefficients of aggregate size 16～19mm decreased with the increase of water-cement ratio. The re?sults of this study provide references for actual projects.

Key words： ：recycled brick aggregate; permeable concrete; compressive strength; permeability coefficient