再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度和透水性能試驗(yàn)研究*

王軍強(qiáng)

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，徐州221116)

1 引言

再生骨料透水混凝土是采用廢棄混凝土生產(chǎn)的骨料配制大孔隙具有一定透水功能的生態(tài)混凝土。再生骨料透水混凝土充分利用了再生混凝土和透水混凝土的功能優(yōu)勢(shì)，利用再生骨料可以變廢為寶，減少垃圾處置費(fèi)用，節(jié)能減排，減少環(huán)境污染［1］;而具有有連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)的透水混凝土，連續(xù)的孔隙結(jié)構(gòu)有利雨水的滲透，應(yīng)用于小區(qū)道路，則有利排除雨天地面雨水，改善小區(qū)微環(huán)境［2－3］。再生骨料透水混凝土，在技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐方面，需要解決再生骨料透水混凝土的配制技術(shù)理論研究、配制技術(shù)研究［4］、施工技術(shù)研究等方面的技術(shù)難題。在配制技術(shù)方面，需要確定其組分、配比、性能、強(qiáng)度、抗凍性、透水性等諸多方面的技術(shù)難題［5］。如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和連續(xù)孔隙的技術(shù)矛盾，如何解決再生骨料應(yīng)用帶來的強(qiáng)度降低問題，如何因地制宜地利用再生骨料配制滿足透水性設(shè)計(jì)要求的透水混凝土［6－7］，這些在理論技術(shù)研究和實(shí)踐應(yīng)用方面尚不多見，還處于應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的瓶頸階段。

2 再生骨料的性能

試驗(yàn)中采用的再生骨料來源于混凝土框架結(jié)構(gòu)的拆除構(gòu)件，原生混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30－C40，鉆芯取樣實(shí)測(cè)強(qiáng)度為 34．7 ～40．6 MPa，經(jīng)過破碎、篩分、分級(jí)后使用。再生骨料生產(chǎn)工藝為:拆除結(jié)構(gòu)的混凝土，經(jīng)過破碎預(yù)處理;采用磁性篩分方式清除廢棄的金屬材料，接著采用雜物分選清除廢料之中的木料和塑料等;然后采用破碎機(jī)進(jìn)行一級(jí)破碎處理，接著進(jìn)行一級(jí)篩分;一級(jí)篩分的集料清洗凈化之后，進(jìn)行二級(jí)破碎和骨料篩分分離，通過以上步驟即可生產(chǎn)出粒徑5～40 mm的再生骨料。試驗(yàn)研究中采用的骨料粒徑為5～20 mm。

再生骨料的表觀密度、堆積密度、空隙率、壓碎指標(biāo)等物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。不同粒徑再生骨料的堆積密度、空隙率和吸水率測(cè)試結(jié)果見表2。試驗(yàn)中采用再生骨料顆粒級(jí)配見表3。同一批再生骨料表觀密度基本相同，隨著粒徑的增大，再生骨料孔隙率減小，相應(yīng)的吸水率變小，堆積密度增大。再生骨料孔隙率的大小反映了散粒再生骨料顆?；ハ嗵畛涞闹旅艹潭?，可作為控制骨料級(jí)配的依據(jù)。分析再生骨料的性能，對(duì)于其再生應(yīng)用于混凝土，研究其對(duì)再生骨料透水混凝土性能的影響有意義。

表1 再生骨料的性能Table 1 Performance of recycled aggregate

3 再生骨料透水混凝土的配比設(shè)計(jì)

再生骨料透水混凝土配比的設(shè)計(jì)需要滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和透水性要求。透水混凝土采用了再生骨料，要求混凝土具備一定的透水性能，這些因素對(duì)普通混凝土的配比設(shè)計(jì)提出了新的要求，再生骨料透水混凝土配比設(shè)計(jì)和普通混凝土配比設(shè)計(jì)是有區(qū)別的。

表2 不同粒徑再生骨料堆積密度、空隙率和吸水率Table 2 Bulk density porosity and water absorption of different particle sizes recycled aggregate

表3 再生骨料顆粒級(jí)配Table 3 Grain size distribution of recycled aggregate

根據(jù)降雨情況、小區(qū)環(huán)境和道路狀況，確定用于小區(qū)道路的透水混凝土的透水性能要求(透水量和透水系數(shù))，結(jié)合建筑再生骨料情況，確定集料堆積孔隙率要求，根據(jù)透水混凝土目標(biāo)孔隙率和集料堆積孔隙率要求，確定建筑再生骨料的粒徑、級(jí)配和質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)而確定集料和膠凝材料的用量和體積。根據(jù)混凝土強(qiáng)度和耐久性的要求，確定水膠比。選用外加劑，確定用水量和膠凝材料用量。檢測(cè)透水混凝土的透水性，調(diào)整優(yōu)化后進(jìn)而確定滿足小區(qū)道路要求的無砂再生骨料透水混凝土配制要求。

再生骨料透水混凝土的配制流程為:透水混凝土設(shè)計(jì)透水量和透水系數(shù)確定→建筑再生混凝土集料堆積空隙率要求→建筑再生混凝土集料粒徑和級(jí)配確定→集膠比和膠凝材料用量確定→用水量確定→外加劑摻量確定→成型試件測(cè)試透水性能→調(diào)整優(yōu)化級(jí)配→確定透水混凝土施工配比。

再生骨料透水混凝土配制中考慮了再生骨料的粒徑、級(jí)配和比例、水膠比、膠凝材料摻量以及活性材料的類型和摻加比例、孔隙率要求等因素對(duì)透水混凝土性能的影響。試驗(yàn)中采用的配比見表4，水膠比控制在 0．25～0．35之間。編號(hào)RPC1、RPC2、RPC3考慮骨料級(jí)配、粒徑和質(zhì)量對(duì)透水混凝土性能的影響，編號(hào)RPC4、RPC5、RPC6考慮水膠比的影響，編號(hào)RPC4、RPC7、RPC8考慮膠凝材料組成及礦物摻和料摻加比例的影響，編號(hào)RPC6、RPC7、RPC8考慮目標(biāo)孔隙率的影響。

表4 再生骨料透水混凝土的配比Table 4 Proportion ratios of recycled aggregate pervious concrete

4 再生骨料透水混凝土的試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中測(cè)試了各種編號(hào)混凝土的工作性能、孔隙率、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和透水系數(shù)。

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)［8］，測(cè)試了混凝土的塌落度、黏聚性和保水性，判定再生骨料透水混凝土的工作性能。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2011)［9］，測(cè)試了再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度采用150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，每組3塊?？拐蹚?qiáng)度采用150 mm×150 mm×550 mm的梁型試件。采用不變水頭方法測(cè)試透水混凝土的透水系數(shù)，通過測(cè)試透水量和時(shí)間，來測(cè)試混凝土的透水系數(shù)，進(jìn)而判定透水混凝土的透水性能。

采用質(zhì)量法測(cè)試混凝土的有效孔隙率，通過測(cè)試試件浸泡在水中24 h后和48 h自然風(fēng)干飽和面干之后的質(zhì)量變化，來獲得透水混凝土的有效孔隙率?？紫堵实臏y(cè)試方法和步驟如下:

(1)制備150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件3塊，在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d;

(2)將制備好的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件烘干到恒重，取出冷卻至室溫，測(cè)量試件尺寸，計(jì)算體積V;

(3)將試件放入水中，計(jì)量試件浸水24 h后飽和狀態(tài)下在水中的質(zhì)量m1;

(4)計(jì)量試件在飽和面干狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量m2;

試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 再生骨料透水混凝土的性能Table 5 Recycled aggregate pervious concrete performance

4．1 孔隙率影響因素分析

圖1給出了不同編號(hào)再生骨料透水混凝土的目標(biāo)孔隙率和實(shí)測(cè)孔隙率的變化。在目標(biāo)孔隙率、膠凝材料用量相同的情況下，再生骨料的緊密堆積率對(duì)再生混凝土的實(shí)測(cè)孔隙率有影響，再生混凝土的實(shí)測(cè)孔隙率隨著再生骨料堆積孔隙率的變大而增大。目標(biāo)孔隙率和實(shí)測(cè)孔隙率基本相近，變化幅度在－10% ～13%之間，主要受膠凝材料水化程度、透水混凝土收縮、徐變、混凝土內(nèi)部非貫通孔隙等因素的影響。再生骨料的級(jí)配、組成和緊密堆積孔隙率對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率有一定影響。可見，根據(jù)透水混凝土設(shè)計(jì)目標(biāo)孔隙率來調(diào)整實(shí)測(cè)孔隙率，對(duì)于控制透水混凝土的透水性能有明確效果，是設(shè)計(jì)透水混凝土的主要影響參數(shù)。

圖1 不同系列再生骨料透水混凝土的孔隙率Fig．1 Porosity of different recycled aggregate pervious concrete

4．2 強(qiáng)度影響因素分析

不同編號(hào)再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度分布規(guī)律見圖2。在水膠比保持不變的情況下，采用間斷級(jí)配兩種粒徑編號(hào)RPC3的強(qiáng)度比采用單一級(jí)配的編號(hào)RPC1和編號(hào)RPC2的強(qiáng)度要高。在水膠比不變的情況下，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著骨料堆積孔隙率的增大而變小，堆積孔隙率由39．3%增加到 43．6%，抗壓強(qiáng)度降低了約19．2%。采用礦物摻和料，有利于改善再生混凝土的工作性能。編號(hào)RPC4、RPC7、RPC8中礦物摻和料比例分別為30%、20%、10%，摻入礦物摻和料比例為20%的RPC7的強(qiáng)度最高，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到25．9 MPa和5．73 MPa。礦物摻合料的火山灰效應(yīng)和微填充效應(yīng)可改善再生骨料透水混凝土的工作性能和骨料間的粘結(jié)，最佳摻量有利于提高強(qiáng)度。水膠比對(duì)再生骨料透水混凝土強(qiáng)度的影響和普通混凝土有些不同，隨著水膠比的增大，透水混凝土的強(qiáng)度有降低的趨勢(shì)，但降低的幅度沒有普通混凝土明顯，這在透水混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，采用普通混凝土的水灰比定律來計(jì)算強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，需要做進(jìn)一步深入的研究。再生骨料透水混凝土在材料組成、微觀結(jié)構(gòu)、受力機(jī)理等方面和普通混凝土有較大的差別。

4．3 透水系數(shù)影響因素分析

實(shí)測(cè)孔隙率和再生混凝土的透水性有重要關(guān)系，再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)隨著實(shí)測(cè)孔隙率的增大而增大。實(shí)測(cè)孔隙率的增大，表明混凝土內(nèi)部形成了更多的貫通孔隙，有利于提高其透水性能，當(dāng)透水混凝土實(shí)測(cè)孔隙率由13．4%增大到29．3%，透水系數(shù)增加了約1．4倍(圖4)。

圖2 不同系列再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度Fig．2 Strength of different recycled aggregate pervious concrete

圖3 不同系列再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)Fig．3 Permeation coefficient of different series of recycled aggregate pervious concrete

圖4 孔隙率對(duì)透水系數(shù)影響Fig．4 The influence of porosity on permeation coefficient

實(shí)測(cè)骨料粒徑、級(jí)配和質(zhì)量組成對(duì)再生混凝土的透水性能也有影響，采用兩種粒徑級(jí)配的再生混凝土透水性最低，再生骨料之間的相互嵌入降低了骨料堆積孔隙率，影響了混凝土內(nèi)部連續(xù)貫通孔隙的形成，降低了其透水性能。膠凝材料用量和水膠比對(duì)再生骨料混凝土透水性也有影響，透水系數(shù)隨著水膠比的增大而增大。礦物摻和料的摻入對(duì)改善再生骨料透水混凝土的工作性能有利，但隨著礦物摻和料摻量的增加，透水系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在所分析的所有影響因素中，透水混凝土的透水性能受孔隙率影響最為敏感，研究透水系數(shù)和孔隙率的相關(guān)關(guān)系對(duì)于配制透水混凝土有重要意義。

5 結(jié)論

再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度和透水性能與再生混凝土骨料的組成、級(jí)配、堆積孔隙率、水膠比和膠凝材料用量、目標(biāo)和實(shí)測(cè)孔隙率等因素有關(guān)，通過試驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)和混凝土的孔隙率有重要的關(guān)系，其透水系數(shù)隨著目標(biāo)孔隙率和實(shí)測(cè)孔隙率增大而增大。

(2)再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)隨著膠凝材料用量的增加和水膠比的降低呈現(xiàn)非線性增加的趨勢(shì)。

(3)再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度和水膠比呈現(xiàn)非線性關(guān)系，需要結(jié)合骨料堆積孔隙率和目標(biāo)設(shè)計(jì)孔隙率確定最佳水膠比。

(4)再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度受膠凝材料用量以及礦物摻和料比例的影響，試驗(yàn)中礦物摻和料比例為20%的強(qiáng)度最高。

(5)再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)是再生骨料透水混凝土成功應(yīng)用于工程實(shí)際的重要性能參數(shù)，在實(shí)踐應(yīng)用中需要綜合評(píng)定其性能。

(6)再生骨料透水混凝土的配制，建議水膠比為 0．25～0．35，礦物摻和料比例為 15% ～30%，目標(biāo)設(shè)計(jì)孔隙率15% ～25%，透水系數(shù)1．8～3．5 mm/s，再生骨料粒徑為5 ～20 mm，堆積孔隙率≤45%。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People’s Republic of China．GB 50082—2009 Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2010．(in Chinese)

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 55—2010普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People’s Republic of China．JGJ 55—2010 Specification for mix propotion of ordinary concrete，［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2011．(in Chinese)

［3］ 王軍強(qiáng)．再生混凝土強(qiáng)度和耐久性能試驗(yàn)［J］．混凝土，2007(4):53-56．Wang Junqiang．Experim entalstudy of behavior of strength and durability of recycled aggregate concrete［J］．Concrete，2007(4)，53-56．(in Chinese)

［4］ 董建綱，張吉順．預(yù)壓應(yīng)力混凝土大管樁鋼絞線與水泥漿體粘結(jié)力試驗(yàn)研究［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2013，29(6):157-161．Dong Jiangang，Zhang Jishun．Bonding strength between the steel strand and cement in prestressed concrete pipe piles［J］．Structural Engineers，2013，29(6):157-161．(in Chinese)

［5］ 曹萬林，李東華，周中一，等．再生混凝土柱足尺試件軸心受壓性能試驗(yàn)研究［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2013，29(6):144-150．Cao Wanlin，Li Donghua，Zhou Zhongyi，et al．Experimental Study on axial compression performance of full scale recycled concrete columns［J］．Structural Engineers，2013，29(6):144-150．(in Chinese)

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 283—2012自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．Ministry of Housing and Urban-Rural Developmentn ofthe People’s Republic of China．JGJ 283—2012 Technical specification for application of self-compacting concrete，［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2012．(in Chinese)

［7］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．CJJ/T 190—2012透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People’s Republic of China．CJJ/T 190—2012 Technical specification for permeable asphalt pavement［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2012．(in Chinese)

［8］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China．GB 50080—2002 Standard for test methods of common concrete mixture performance［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2002．(in Chinese)

［9］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50081—2011普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China．GB 50081—2011 Standard for test methods of mechanics performance of common concrete［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2011．(in Chinese)