基于骨架-空隙理論的再生透水混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)方法

王曉龍，闞濤，張旭，張愛勤

(山東交通學(xué)院山東省高校路面結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250357)

基于骨架-空隙理論的再生透水混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)方法

王曉龍，闞濤，張旭，張愛勤

(山東交通學(xué)院山東省高校路面結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250357)

將試算法與貝雷法相結(jié)合，提出一種適用于再生透水混凝土的再生骨料骨架-空隙級(jí)配設(shè)計(jì)方法。選取3個(gè)級(jí)配組配方案，先用試算法對(duì)再生粗骨料進(jìn)行初步分檔組配，再以貝雷法進(jìn)行骨架效應(yīng)驗(yàn)算分析。結(jié)果表明：礦質(zhì)混合料中細(xì)檔料與粗檔料質(zhì)量比為0.7～1.0時(shí)，再生透水混凝土中再生骨料級(jí)配易形成骨架，且骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=64:36～80:20，可使再生骨料透水混凝土獲得最優(yōu)的級(jí)配范圍。

骨架-空隙級(jí)配；試算法；貝雷法；聯(lián)合設(shè)計(jì)；再生透水混凝土

隨著城市化發(fā)展與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命要求，廢舊混凝土結(jié)構(gòu)物拆除數(shù)量逐漸增多，產(chǎn)生大量建筑垃圾且呈增長趨勢[1-2]，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此建筑垃圾再生循環(huán)利用的研究應(yīng)運(yùn)而生，再生骨料的生產(chǎn)與再生混凝土的研究應(yīng)用備受關(guān)注[3-7]。當(dāng)前，再生骨料混凝土的研究主要集中在配合比設(shè)計(jì)方法、力學(xué)性能、透水性能及耐久性能等方面[8-12]，而對(duì)再生骨料的生產(chǎn)、性能與組配等方面研究尚少。本文主要對(duì)建筑垃圾再生骨料的級(jí)配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，借鑒瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中常用的方法，將試算法與貝雷法相結(jié)合，提出再生骨料骨架-空隙級(jí)配設(shè)計(jì)方法，分析再生骨料骨架級(jí)配設(shè)計(jì)范圍與優(yōu)配再生骨料透水混凝土之間的定量關(guān)系，為再生透水混凝土中再生粗骨料骨架-空隙級(jí)配設(shè)計(jì)提供參考。

1 再生骨料骨架-空隙級(jí)配設(shè)計(jì)范圍

1.1 骨料級(jí)配設(shè)計(jì)方法

礦質(zhì)混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定級(jí)配混合料各種骨料用量的配合比，其組成設(shè)計(jì)方法有多種，其中圖解法和數(shù)解法具有設(shè)計(jì)簡單、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，故在礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)中較多采用[13]，國內(nèi)外學(xué)者也多以這兩類方法為基礎(chǔ)進(jìn)行電算優(yōu)化[14]。但圖解法和數(shù)解法在設(shè)計(jì)過程中均未體現(xiàn)粗骨料骨架形成問題，無法對(duì)混合料中的骨架作用進(jìn)行評(píng)價(jià)。

貝雷法是由美國工程師Robert Bailey發(fā)明的一種由粒子干涉理論發(fā)展而來的級(jí)配組成設(shè)計(jì)方法，在瀝青混合料的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)中得到較廣泛應(yīng)用[15-17]。貝雷法的核心思想是以粗骨料的骨架作為混合料的承載主體，通過調(diào)整各級(jí)骨料的比例，獲得合適的礦料間隙率[18-20]。在貝雷法中，粗、細(xì)骨料的定義不同于傳統(tǒng)以4.75 mm篩孔為界限的劃分方法，粗、細(xì)骨料的分界點(diǎn)隨著最大粒徑的不同而變化，并以該分界點(diǎn)作為第一控制篩孔。這種方法考慮了骨料形態(tài)、尺寸對(duì)礦質(zhì)混合料空隙及礦料間接觸的影響，是一種良好的骨架-空隙級(jí)配組成分析方法[21]，該設(shè)計(jì)思想可用于再生透水混凝土的級(jí)配設(shè)計(jì)。

1.2 骨架設(shè)計(jì)原則及其級(jí)配設(shè)計(jì)范圍

對(duì)于透水混凝土再生骨料的級(jí)配范圍，國內(nèi)外尚缺乏相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。由于水泥混凝土與瀝青混合料的礦料組成結(jié)構(gòu)相似，因此，研究中借鑒瀝青混合料骨架-空隙結(jié)構(gòu)的級(jí)配設(shè)計(jì)原則對(duì)再生透水混凝土進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)。ATPB-25排水式瀝青穩(wěn)定碎石為骨架-空隙結(jié)構(gòu)，其級(jí)配設(shè)計(jì)范圍見表1。再生透水混凝土再生骨料級(jí)配設(shè)計(jì)范圍參照ATPB-25級(jí)配范圍選用。

表1 ATPB-25瀝青穩(wěn)定排水基層級(jí)配范圍

2 再生骨料骨架-空隙級(jí)配聯(lián)合設(shè)計(jì)法

再生透水混凝土再生骨料級(jí)配設(shè)計(jì)中，先利用試算法對(duì)再生粗骨料進(jìn)行初步分檔與組配，再運(yùn)用貝雷法對(duì)級(jí)配進(jìn)行骨架效應(yīng)驗(yàn)算與分析。采用貝雷法與試算法聯(lián)合設(shè)計(jì)，既能夠發(fā)揮試算法簡便實(shí)用的特點(diǎn)，又可以引入骨架-空隙作用設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，切合實(shí)際。

2.1 再生粗骨料級(jí)配

研究采用的再生粗骨料以拆除近代混凝土結(jié)構(gòu)建筑物為主，為工廠化集中生產(chǎn)，出廠產(chǎn)品分為10～25、5～10 mm兩種規(guī)格。由于采用特殊的加工工藝，再生粗骨料以拳形為主，表面渾圓，無針片狀顆粒。兩種再生粗骨料的篩分試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.2 試算法進(jìn)行再生粗骨料分檔組配

表2 再生粗骨料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3 再生粗骨料組配方案的配合比

參照瀝青混合料級(jí)配組配方法，分別以表1 ATPB-25級(jí)配范圍的上限、中值和下限為基準(zhǔn)提出骨架-空隙結(jié)構(gòu)再生骨料的3個(gè)級(jí)配設(shè)計(jì)方案，采用試算法組成設(shè)計(jì)，對(duì)再生粗骨料進(jìn)行初步分檔組配。分析表2篩分結(jié)果，5～10 mm再生粗骨料在級(jí)配組配中具有明顯優(yōu)勢的粒徑為4.75 mm，其分計(jì)篩余比例a4.75=91.4%，而再生粗骨料10～25 mm則不存在特征優(yōu)勢粒徑。計(jì)算3個(gè)級(jí)配設(shè)計(jì)方案中4.75 mm粒徑的分計(jì)篩余比例a4.75上限=67%、a4.75中值=41.5%、a4.75下限=16%，以級(jí)配中值設(shè)計(jì)方案為例，假設(shè)混合料中4.75 mm粒徑全部由5～10 mm再生粗骨料提供，忽略10～25 mm再生粗骨料中該粒徑的比例，則5～10 mm再生粗骨料在混合料中的用量比例為45%，10～25 mm再生粗骨料在混合料中的用量比例為55%。同理，可計(jì)算ATPB-25級(jí)配范圍上限、下限設(shè)計(jì)方案的再生骨料配合比。3個(gè)方案的設(shè)計(jì)結(jié)果見表3。

經(jīng)校核，表3中3個(gè)方案的級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果均滿足ATPB-25的級(jí)配要求，其合成級(jí)配曲線、中值曲線及級(jí)配范圍見圖1～3。

2.3 貝雷法對(duì)再生骨料骨架-空隙結(jié)構(gòu)驗(yàn)證分析

第一控制篩孔的通過率PPCS和礦質(zhì)混合料中細(xì)檔料與粗檔料質(zhì)量比rCA是貝雷法進(jìn)行骨架設(shè)計(jì)的關(guān)

鍵參數(shù)。PPCS是混合料中粗、細(xì)部分粒徑的分界點(diǎn)，計(jì)算式為：

PPCS=0.22SNMP，

式中SNMP為最大公稱粒徑。

圖1 組配方案1級(jí)配曲線 圖2 組配方案2級(jí)配曲線

圖3 組配方案3級(jí)配曲線

rCA適用于評(píng)價(jià)礦料中粗骨料的嵌擠與填充狀況，計(jì)算式為：

式中PD/2為D/2篩孔 (D為最大粒徑)的通過率。

研究認(rèn)為，rCA=0.7～1.0時(shí)，D/2～DPCS(DPCS為第一控制篩孔的孔徑)與D/2～D的粗骨料用量相對(duì)均衡，粗骨料易形成骨架[22]，且骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，骨架作用效應(yīng)明顯[23]。

采用貝雷法對(duì)3個(gè)組配方案確定的配合比進(jìn)行骨架效應(yīng)驗(yàn)算。按照表3，從較細(xì)粗骨料占主導(dǎo)作用的方案1級(jí)配范圍上限配合比開始，以10～25 mm再生粗骨料組配比例依次遞增1%的方法驗(yàn)算，直至方案3級(jí)配范圍下限配合比。以3個(gè)級(jí)配設(shè)計(jì)方案為基準(zhǔn)，將典型的計(jì)算結(jié)果列于表4。

表4 PPCS、rCA驗(yàn)算結(jié)果

分析表4知，隨著粗檔料比例的提高，PD/2、PPCS及rCA呈下降趨勢。當(dāng)m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=27:73～63:37時(shí)，rCA>1.0，說明粗骨料中相對(duì)較細(xì)部分比例大于相對(duì)較粗部分，此時(shí)較細(xì)粗骨料為控制骨架結(jié)構(gòu)篩孔，而大粒徑骨料懸浮結(jié)構(gòu)中，粗骨料骨架作用效果降低[22]，此時(shí)配合比范圍不理想。當(dāng)m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=64:36～80:20時(shí)，rCA=0.7～1.0，說明較細(xì)粗骨料等于或稍小于較粗粗骨料用量，該配合比范圍的粗骨料易形成骨架，可作為再生透水混凝土骨料設(shè)計(jì)的最優(yōu)配合比，并通過混凝土設(shè)計(jì)可獲得一定的孔隙率。當(dāng)m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=81:19～82:18時(shí)，rCA<0.7，較細(xì)粗骨料用量小于較粗粗骨料，后者對(duì)骨架起主導(dǎo)作用，混凝土結(jié)構(gòu)可形成較大孔隙，但拌和易離析，此配合比范圍比較敏感，在級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)慎用。

3 再生透水混凝土級(jí)配應(yīng)用

采用試算法與貝雷法相結(jié)合的級(jí)配聯(lián)合設(shè)計(jì)法對(duì)再生透水混凝土進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，確定再生骨料骨架-空隙結(jié)構(gòu)的合適配合比為m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料) =64:36～80:20，因此并非ATPB-25級(jí)配范圍均可作為再生透水混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)依據(jù)，即位于ATPB-25級(jí)配范圍中值與下限級(jí)配之間一個(gè)較窄的級(jí)配范圍才能作為最優(yōu)推薦范圍。以此推算出再生骨料透水混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)適用的級(jí)配范圍見表5。

表5 再生骨料透水混凝土的設(shè)計(jì)級(jí)配范圍

分別選擇上述骨架-空隙結(jié)構(gòu)再生粗骨料配合比的級(jí)配上限、中值及下限，配制相同配合比條件下的C20再生骨料透水混凝土。再生粗骨料以中值比例m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=70:30為基準(zhǔn)，采用等體積取代法確定選取級(jí)配上限及下限時(shí)再生粗骨料的單位用量，以飽和面干質(zhì)量計(jì)。制作標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及空隙率試驗(yàn)；采用成型直徑為150 mm，高徑比均為1:1的圓柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，測定其滲透系數(shù)。再生骨料透水混凝土的級(jí)配、配合比及主要性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表6。分析表6知，再生骨料透水混凝土的級(jí)配選取上限、中值及下限，即rCA分別為0.7、0.9及1.0時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求，且實(shí)測空隙率及滲透系數(shù)較大，穩(wěn)定性良好。表明再生骨料透水混凝土透水效果良好，骨架作用明顯。

表6 再生骨料透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、實(shí)測空隙率及滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)借鑒ATPB-25排水式瀝青穩(wěn)定碎石級(jí)配范圍，采用試算法與貝雷法相結(jié)合的骨架-空隙級(jí)配聯(lián)合設(shè)計(jì)法對(duì)再生骨料透水混凝土進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，方法可靠。

2)當(dāng)rCA=0.7～1.0時(shí)，再生透水混凝土中再生骨料級(jí)配易形成骨架且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3)組配再生透水混凝土的再生骨料最優(yōu)配合比范圍為m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=64:36～80:20。

4)ATPB-25級(jí)配范圍不能完全適用再生透水混凝土，只有位于其級(jí)配范圍中值與下限之間的一個(gè)較窄范圍才能作為最優(yōu)推薦級(jí)配范圍。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

Gradation Design Method of Recycled Pervious Concrete Based on Skeleton-Void Theory

WANGXiaolong,KANTao,ZHANGXu,ZHANGAiqin

(KeyLaboratoryofPavementStructureandMaterialinUniversitiesofShandongProvince,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

Based on the trial calculation and Bailey method, this paper discusses the skeleton-void grading design method about the gradation design of recycled pervious concrete, among which three grading schemes are selected. The recycled coarse aggregates are preliminarily classified for the collocation with trial method,checking and analysis of the skeleton effect is conducted by the Bailey method. The results show that the CA ratio is 1.0～0.7, the recycled aggregate gradation of recycled concrete is easy to form the skeleton, and the skeleton structure is stable. The recycled aggregate ratiom(10～25 mm):m(5～10 mm)=64:36～80:20 is obtained as the optimal gradation range of recycled pervious concrete for guiding skeleton-void structure gradation design.

skeleton-void gradation; trial method; Bailey method; co-design; recycled pervious concrete

2016-12-18

王曉龍(1989—)，男，濟(jì)南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈缆饭こ滩牧?，E-mail: 530280161@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.008

U414.18

A

1672-0032(2017)01-0046-06