無砂再生骨料透水性混凝土試驗及應(yīng)用研究★

陳安邦 江偉超

混凝土的產(chǎn)生對人類文明和進(jìn)步發(fā)揮了積極的推動作用。但隨著混凝土需求的急劇增長，砂石骨料的使用量也不斷增加，而隨著對天然砂石的不斷開采，天然骨料資源亦將趨于枯竭，而且其開采的運(yùn)輸能耗與費用驚人，對生態(tài)環(huán)境的破壞也十分嚴(yán)重。同時廢舊混凝土的大量產(chǎn)生，由此引發(fā)的資源、能源和環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。再生骨料混凝土簡稱再生混凝土，廢棄混凝土作為再生骨料的來源又稱母體混凝土。廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗與分級后形成的骨料簡稱再生骨料;再生骨料部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成的混凝土稱為再生骨料混凝土。充分利用再生骨料混凝土，不但能有效降低建筑垃圾的數(shù)量，減少建筑垃圾對自然環(huán)境的污染，同時利用再生骨料制造再生骨料混凝土還能減少建筑工程中對天然骨料的開采，保護(hù)環(huán)境。

1 試驗

1)試驗?zāi)繕?biāo)。本試驗的主要考核指標(biāo)是再生混凝土的強(qiáng)度和透水性，旨在通過實驗確定一個最優(yōu)配合比范圍使生產(chǎn)出來的混凝土在具有較高強(qiáng)度的同時又具有較好的透水性。目標(biāo)強(qiáng)度為15 MPa以上，目標(biāo)透水性系數(shù)為1.5 mm/s以上。溫州是一個典型的南方城市又是沿海城市，雨量充足，降雨過后我們常會發(fā)現(xiàn)道路積水的問題，所以，我們希望本試驗研究得出的結(jié)論可以為以后在道路建設(shè)方面的應(yīng)用研究提供依據(jù)。

2)試驗原料。水泥:考慮到再生骨料混凝土對強(qiáng)度的要求，以及本次試驗不添加細(xì)骨料等因素我們選用了P.O42.5級普通硅酸鹽水泥。物理力學(xué)性能見表1。水:普通飲用水。廢舊混凝土:廢舊混凝土可能由不同強(qiáng)度等級的混凝土所組成。要想改善廢舊混凝土的質(zhì)量，就需要對不同類型的混凝土加以分選。本次試驗選用的再生混凝土骨料就是實驗室廢棄的舊混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方抗壓試塊(尺寸為150 mm×150 mm×150 mm)，經(jīng)過分選、破碎、烘干和篩分等過程，獲得具有一定力學(xué)性能和顆粒級配的人工石料。分選和破碎過程中，我們將夾雜在原混凝土中的雜物除去，做了初步處理。廢棄混凝土經(jīng)過破碎處理，生產(chǎn)出的再生骨料含有一定量的硬化水泥砂漿，這些水泥砂漿有的獨立成塊，有的附著在天然骨料的表面，導(dǎo)致再生骨料棱角較多，表面積大，粗糙密度小，吸水率高，粘結(jié)能力弱。廢棄混凝土塊再生破壞過程中由于損傷積累會使再生骨料內(nèi)部存在大量微裂紋。由于再生骨料加工過程及本身微觀結(jié)構(gòu)的特殊性，再生骨料與天然骨料相比具有如下特點:a.顆粒棱角多;b.表面粗糙;c.微裂紋，由于組分中還含有硬化水泥砂漿，再加上混凝土塊在破碎過程中因損傷累積在內(nèi)部大量造成;d.孔隙率大;e.吸水率大;f.堆積密度小;g.壓碎指標(biāo)高。此外，再生混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化能力、收縮、徐變和抗氯離子滲透性等耐久性能也均低于新混凝土。按照GB/T 25177-2010混凝土利用再生粗骨料，通過一系列的再生過程，我們得到了本試驗用再生骨料。其物理性質(zhì)見表2。

表1 42.5級普通硅酸鹽水泥物理力學(xué)性能

表2 再生骨料的物理性質(zhì)

3)抗壓強(qiáng)度。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果表明再生骨料混凝土的透水性能和其孔隙率成正相關(guān)關(guān)系，所以為了預(yù)估混凝土構(gòu)件的透水性能，為下面的透水性能研究做好鋪墊，我們在測定強(qiáng)度的同時還測定其孔隙率。參考影響普通混凝土抗壓強(qiáng)度的因素以及大量有關(guān)再生骨料混凝土的研究結(jié)果，我們選定了水灰比、骨灰比和再生骨料粒徑作為測驗抗壓強(qiáng)度和孔隙率的影響因素。其中，水灰比選用 0.45，0.50，0.55 三個水平;骨灰比選用 3.0，3.5，4.0三個水平;再生骨料粒徑選用 9.5 mm ～4.75 mm，16 mm ～9.5 mm，20 mm～16 mm三個水平。試驗時用適當(dāng)?shù)氖止嚢璧姆椒ㄏ葘⑺鄡魸{攪拌均勻，再加入再生骨料拌和成混凝土料，采用人工插搗的方法成型。每組6個試塊，尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm立方體。拆模前表面覆蓋塑料薄膜，防止水分過多的散失，拆模后灑水自然養(yǎng)護(hù)，自然養(yǎng)護(hù)28 d后，先測孔隙率并取平均值，自然風(fēng)干后再按照GB 50081-2002普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)公式N=P/A，得到28 d的抗壓強(qiáng)度并取平均值作為28 d抗壓強(qiáng)度。將表3試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表4。從表3試驗結(jié)果和表4極差計算結(jié)果可以看出，對于考核指標(biāo)為28 d抗壓強(qiáng)度來說，水灰比為0.55，骨灰比為3.0，粒徑為16 mm～9.5 mm時最好，根據(jù)極差R的大小，對抗壓強(qiáng)度的影響順序為:B→D→A，即骨灰比影響最大，粒徑次之，水灰比最小。對于考核指標(biāo)為孔隙率時，水灰比為0.50，骨灰比為4.0，粒徑則是9.5 mm～4.75 mm時最好，根據(jù)極差R的大小，對孔隙率的影響順序為:B→D→A→C，即骨灰比影響最大，粒徑次之，水灰比的影響最小。

4)透水性。在上述正交試驗結(jié)果及極差分析的基礎(chǔ)上，考慮到本次試驗預(yù)定的混凝土的強(qiáng)度目標(biāo)，做透水性試驗時，選用的再生骨料粒徑為16 mm～9.5 mm，單獨考察骨灰比和水灰比對透水性的影響。研究骨灰比和水灰比對透水性的影響時，本試驗也采用標(biāo)準(zhǔn)試塊，即尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。為了簡化透水系數(shù)的測定過程，又考慮了實際工程應(yīng)用中透水混凝土在透水過程中的水頭高度是變化的，所以我們采用不定水位測試法測試透水性系數(shù)(透水性系數(shù)測定示意圖如圖1所示)。

表3 正交試驗方案和試驗結(jié)果

表4 正交試驗結(jié)果的極差分析

圖1 透水性系數(shù)測定示意圖

計算公式為:K1=h/t，K=(K1×L)/(H1+L)。其中，h為水位變化高度，mm;t為時間，s;L為試件厚度，mm;H1為水頭差，mm。當(dāng)骨灰比(S/C)為3.0時，改變水灰比(W/C)并測定相應(yīng)的透水性系數(shù)(K)得到如表5，圖2所示試驗結(jié)果。

表5 改變水灰比測定的透水性系數(shù)

圖2 透水性系數(shù)隨水灰比變化規(guī)律

從圖2中我們可以看出隨著水灰比的增大透水系數(shù)明顯下降，且變化幅度較大。當(dāng)水灰比維持在較小值時，由于水相對較少，包裹在再生骨料表面的水泥凈漿較薄，骨料與骨料間的空隙較大，而且較容易連成貫通的孔隙，隨著水灰比的增大包裹在骨料表面的凈漿逐漸變厚，再生骨料間的孔隙逐漸被水泥凈漿填滿，導(dǎo)致制成的混凝土構(gòu)件內(nèi)部難以形成貫通的孔隙，從而大大降低了其透水性能。當(dāng)水灰比增至4.5時透水性系數(shù)已接近我們期望的最小值，水灰比再增大到5時，透水性系數(shù)只有0.81 mm/s，

表6 改變骨灰比測定的透水性系數(shù)

從圖3中我們可以很明顯看出透水性系數(shù)受骨灰比影響很大，隨骨灰比的增大透水性系數(shù)增大很明顯，且當(dāng)骨灰比介于3～4之間時透水性系數(shù)與骨灰比幾乎呈線性變化。相對而言骨灰比介于2.5～3之間和4～4.5之間時，透水性系數(shù)變化較小。骨灰比為2.5時由于水泥凈漿太多幾乎將再生骨料間的空隙填滿，所以此時的透水性系數(shù)很低，不滿足本次試驗對透水性的預(yù)期目標(biāo)。

綜上所述，就本次試驗而言，既要滿足預(yù)期的15 MPa以上的強(qiáng)度要求，又要滿足1.5 mm/s以上的透水性系數(shù)要求，我們得出了如表7所示的最優(yōu)配合比。遠(yuǎn)小于我們的預(yù)期目標(biāo)。

表7 最優(yōu)配合比

當(dāng)水灰比(W/C)為0.55時，改變骨灰比(S/C)并測定相應(yīng)的透水性系數(shù)(K)得到如表6，圖3所示試驗結(jié)果。

圖3 透水性系數(shù)隨骨灰比變化規(guī)律

2 道路建設(shè)上的應(yīng)用前景分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化建設(shè)的加快，混凝土的用量正在以驚人的速度增長，隨之而來的是一系列的問題。對于像溫州這樣雨量充沛的南方城市來說，普通的混凝土路面和瀝青路面在雨天的時候都面臨著積水的問題，雖然南方城市都有完善的城市排水系統(tǒng)，但每次一到下雨就會有積水。這不僅影響道路交通安全，而且降雨過后雨水都通過城市排水系統(tǒng)排走，長時間以后城市地下水會由于得不到補(bǔ)充而導(dǎo)致地下水位下降，從而造成地表沉降，而這無論對建筑物還是對道路本身都會造成無法挽回的破壞。而再生骨料混凝土不僅變廢為寶解決了大量的建筑垃圾，還能解決雨天路面積水的問題，同時保證正常的大氣水循環(huán)，減少地表沉降的發(fā)生。無砂再生骨料混凝土的特殊的多孔結(jié)構(gòu)還能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氣溫改善城市熱島效應(yīng)。本次試驗的結(jié)果表明，無砂再生骨料透水混凝土能夠既具有較高的強(qiáng)度，又具有良好的透水性能。應(yīng)用于道路工程時透水性能已經(jīng)能滿足要求，但滿足透水性能的同時抗壓強(qiáng)度與道路規(guī)范要求的混凝土強(qiáng)度有一定差距，不過這并不影響其在道路工程中的應(yīng)用。因為本次試驗我們并未對再生骨料做特殊處理，也未采用優(yōu)化的加工和混凝土成型工藝。而據(jù)相關(guān)的研究表明采用化學(xué)方法等對再生骨料進(jìn)行處理后得到的混凝土強(qiáng)度可以提高10%～20%。那么強(qiáng)度就可以提高到20 MPa以上，該無砂透水性混凝土就可以應(yīng)用于人行道、步行街等承受荷載不大的地方，也可以適當(dāng)降低其透水系數(shù)將強(qiáng)度提高到30 MPa以上應(yīng)用于輕量車的停車場。

3 結(jié)語

本次試驗成功地達(dá)到了我們預(yù)期的強(qiáng)度和透水性目標(biāo)，這也是有力地說明其可以在道路建設(shè)方面推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。同時我們也通過本試驗發(fā)現(xiàn)了無砂再生骨料透水混凝土的幾個主要影響因素對強(qiáng)度和透水性的影響規(guī)律，為以后提高該材料的性能研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

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