再生骨料在透水混凝土中的應用研究

魏學成

(永升建設集團有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

再生骨料在透水混凝土中的應用研究

魏學成

(永升建設集團有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

采用建筑物拆后經(jīng)破碎處理的再生骨料，替代粗骨料制備了透水混凝土。利用正交試驗，考慮集漿體積比、新舊骨料比、水膠比、硅灰摻量四因素對透水性水泥混凝土強度和透水系數(shù)的影響，分析了孔隙率與強度和透水系數(shù)之間的變化規(guī)律，并確定了試驗條件下混合料的最佳配合比及對應的透水混凝土透水系數(shù)，為再生骨料應用在透水混凝土中奠定理論基礎。

再生骨料； 透水混凝土； 強度； 透水系數(shù)

0 前言

隨著城市化進程的不斷加快和舊城改造工程的增多，城市中建筑垃圾的產(chǎn)生數(shù)量也在快速增長，這些建筑垃圾隨意堆放或填埋不但占用土地資源，而且造成環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計，我國每1萬m2建筑會產(chǎn)生建筑廢棄物500～600 t，但是對這些建筑廢棄物的再生利用率只有5%，因此，提高建筑廢棄物的資源化利用率，加強對再生骨料和再生混凝土制品技術的研究迫在眉睫。在廢棄混凝土中骨料體積約占80%，其優(yōu)良的力學性能不會因普通混凝土的破壞而受太大影響，因此廢棄混凝土中的骨料存在較高的再生利用價值。在國外，新加坡政府在2011年開始允許建筑商使用再生混凝土材料來建造最多20%的建筑物結構，不少新商業(yè)及工業(yè)建筑項目已開始使用這種材料。

透水混凝土是是一種生態(tài)環(huán)保型混凝土，其孔隙率較大，能讓雨水流入地下，有效補充地下水；同時，是保護自然、維護生態(tài)平衡、緩解城市熱島效應的優(yōu)良鋪裝材料。將大粒徑的再生骨料應用于生態(tài)透水混凝土中應用于人行道和景觀工程中，不僅有利于人類生存環(huán)境的良性發(fā)展，在城市水管理與水污染防治等工作上具有特殊的重要意義，并且可以有效緩解砂石短缺問題，達到節(jié)能減排，保護生態(tài)環(huán)境，資源循環(huán)利用的目的。關于再生骨料透水混凝土，一些發(fā)達國家已經(jīng)針對其吸聲性能[1]和抗碳化性能[2]開展了一系列的研究[3]，近年我國許多學者也開始對再生骨料透水混凝土的強度和透水系數(shù)展開研究[4-6]。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1) 水泥：采用42.5R的普通硅酸鹽水泥，其性能檢測如表1。

表1 水泥性能檢測細度/%密度/(g·cm-3)標準稠度用水量/kg初凝時間/min終凝時間/min安定性(雷氏夾法)抗壓強度/MPa抗折強度/MPa3d28d3d28d43.0726145190合格20.450.05.08.0

2) 外加劑：豐京萘系高效減水劑性能指標如表2。

3) 硅灰：采用成都東藍星科技發(fā)展有限公司產(chǎn)硅灰，SiO2含量>80%，密度2 200 kg/m3。

表2 高效減水劑性能指標外觀水泥凈漿流度棕褐色W/C=0.29,摻量C×1.0%(基準水泥)≥220密度/(g·cm-3)減水率/%pH值總含堿量/%硫酸鈉含量/%氯離子含量(CL)/%1.24≤259±2≤3≤5.0≤0.12

4) 粗骨料： 再生粗骨料采用某拆建建筑物經(jīng)過機械破碎后得到的舊骨料，原生混凝土強度等級為C40，鉆芯取樣實測強度為35.3～41 MPa。不含木塊、塑料等雜物，經(jīng)過人工篩分、分級后使用。

具體生產(chǎn)工藝為：將混凝土結構物破碎后，篩分除去廢料中的木塊等雜物；采用破碎機進行一級破碎處理后清洗，篩分分離骨料；再進行二級破碎和篩分后得到粒徑為4.75～9.5 mm的再生骨料。再生粗骨料的表觀密度、堆積密度、孔隙率和壓碎指標等物理力學性能如表3所示。

表3 再生粗骨料物理性能名稱吸水率/%壓碎指標/%堆積密度/(g·cm-3)孔隙率/%表觀密度/(g·cm-3)再生粗骨料4.6214.61.3843.112.57

試驗采用再生粗骨料和新骨料摻合，其物理性能測試結果如表4。

表4 集料物理性能測試結果粒徑/mm表觀密度/(g·cm-3)松裝密度/(g·cm-3)緊裝密度/(g·cm-3)緊裝空隙率/%松裝空隙率/%4.75～9.52.761.411.6340.948.3

1.2 試驗方法

對透水性混凝土來說，強度和透水系數(shù)是路面設計時的兩個主要性能。透水性混凝土強度的試驗方法參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。試驗采用變水頭法測試滲透速度用來表征混凝土的透水性能。研究表明，大粒徑骨料對透水混凝土的透水系數(shù)及強度發(fā)展有利[7，8]，試驗采用4.75～9.5 mm的骨料。

采用正交試驗，考慮集漿體積比、新舊骨料比、水膠比、硅灰摻量四因素對混凝土抗壓強度和透水速度的影響。試件采用碾壓成型。正交試驗因素水平表如表5所示。

表5 因素水平表水平因素新舊骨料比例(新∶舊)集漿體積比水膠比粉煤灰摻量/%10∶1001.50.320210∶901.70.355315∶851.90.3710420∶802.10.4015

2 試驗結果分析及討論

2.1 正交試驗結果分析

正交試驗及測試結果分析如表6。

由表中正交分析可知：再生骨料棱角較多、表面粗糙、粒形較差、吸水率大，以不同比例添加在混凝土中時造成強度增大或減小，無一定的規(guī)律性。

集漿比是表征水泥混凝土基體中骨料和水泥漿體之間比例的指標。集漿比增大，混凝土中骨料用量相對增大，骨料顆粒之間接觸面積增大，但是水泥漿的用量相對減少，包裹在骨料外層的水泥漿厚度較小，此時骨料之間的粘結性變?nèi)?，水泥混凝土強度降低；同時基體的孔隙率增大，透水系數(shù)增大。因此，集漿體積比是透水混凝土配合比設計時控制強度和透水系數(shù)的關鍵因素。

表中顯示，水膠比對再生骨料透水混凝土的強度影響相對較小，隨著水膠比的增大，基體的強度先增大后減小，混凝土的合理水膠比范圍在0.32～0.40。透水混凝土本身的多孔結構導致其干燥速度較快，保水能力較差。在水泥水化初期，水灰比較小，缺乏足夠的水分參與水泥的水化過程，水泥石強度發(fā)展較慢，混凝土強度較低；水膠比增大，水泥中的礦物順利進行水化反應，基體中水化產(chǎn)物數(shù)量增加，混凝土的強度較高；當水膠比繼續(xù)增大時，基體中的多余水分增大引起混凝土孔隙率增大，強度降低。相對于集漿體積比，水膠比對混凝土的強度和透水系數(shù)的影響程度較小。

硅灰的微小顆粒加入到混凝土中起到潤滑作用，對新拌混凝土來說，改善其和易性，減少泌水和流漿，使混凝土成型更加致密，改善其孔隙率和透水性能。同時，硅灰中含有活性CaO和活性SiO2，能夠在水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的堿性激發(fā)作用下發(fā)生二次水化反應，改善水泥石的水化產(chǎn)物組成，影響透水混凝土的強度。摻入硅灰后，由于二次水化反應，使混凝土的水化進程變慢，同時透水混凝土的大孔隙結構不利于保水，提供硅灰進一步反應。因此硅灰作為火山灰活性材料對混凝土的強度改善作用并不明顯。因此，綜合考慮混凝土力學性能和透水性能，粉煤灰的摻量可以控制在5%左右，既不致于導致混凝土強度降低過多也能較有效地改善透水混凝土的工作性。

表6 試驗結果正交分析因素水平透水試件密度/(g·cm-3)計算壓實空隙率/%透水系數(shù)/(mm·s-1)抗折強度/MPa抗壓強度/MPa新舊骨料比(新∶舊)0∶1002.0716.710.894.321.410∶902.0616.59.704.316.915∶852.1911.55.204.524.920∶802.1512.77.814.421.9極差1.245.25.690.2 8.00集漿體積比1.52.1710.73.955.025.81.72.1212.78.744.321.71.92.1214.57.794.321.42.12.0418.313.113.816.2極差1.487.69.161.29.6水膠比0.322.0616.911.874.119.00.352.1214.66.534.620.20.372.1513.07.664.524.60.402.1413.07.534.421.3極差0.763.95.340.55.6硅灰摻量 0%2.1712.84.145.024.6 5%2.0915.29.734.220.410%2.0815.910.034.118.915%2.1313.69.694.221.2極差0.093.15.890.95.7

2.2 透水混凝土的透水性

研究表明，透水混凝土的孔隙率與強度和透水系數(shù)有較大的相關性[9]，將以上試驗數(shù)據(jù)進行擬合得到圖1、圖2、圖3孔隙率和透水混凝土抗壓強度、抗折強度和透水系數(shù)之間的變化規(guī)律。

通過數(shù)據(jù)回歸可知，透水性混凝土強度、透水系數(shù)與孔隙率間呈顯著的線性關系，孔隙率增大，混凝土抗壓強度和抗折強度降低，透水系數(shù)提高。

強度和透水系數(shù)是生態(tài)透水混凝土的兩個重要指標，配合比設計時需要控制再生骨料的用量和孔隙率的設定，使配制的透水混凝土同時滿足非承重路面強度和城市路面透水性的要求。設孔隙率為X，透水混凝土的透水系數(shù)為Y，給出了混凝土透水系數(shù)與孔隙率的回歸方程。

圖1 孔隙率與混凝土抗壓強度關系

圖2 孔隙率與透水系數(shù)關系

圖3 孔隙率與混凝土抗折強度關系

Y=1.08X-7.189

根據(jù)本研究的試驗結果，擬合出透水系數(shù)與孔隙率之間的定量關系式，如圖2所示，相關系數(shù)R2擬合度可達0.82。圖1和圖3也給出了孔隙率與強度之間的定量關系式，因此如果能夠保證再生骨料和水泥漿體的質(zhì)量，可以在一定程度上實現(xiàn)對透水混凝土透水系數(shù)和強度的預測，為再生骨料在透水性路面的應用提供理論基礎。

3 結論

1) 各因素對透水系數(shù)的影響效果為：集漿體積比>硅灰摻量>新舊骨料比>水膠比，硅灰摻量、新舊骨料比、水膠比對透水系數(shù)的影響差異較小。

2) 各因素對抗折強度的影響效果為：集漿體積比>硅灰摻量>水膠比>新舊骨料比。

3) 各因素對抗壓強度的影響效果為：集漿體積比>新舊骨料比>硅灰摻量>水膠比，水膠比和硅灰摻量對抗壓強度影響差異較小。

4) 透水性混凝土強度、透水系數(shù)與孔隙率間呈顯著的線性關系。孔隙率增大，混凝土抗壓強度和抗折強度降低，透水系數(shù)提高。

5) 在本試驗條件下最佳配合比為：集漿體積比1.7，水膠比0.32，粉煤灰摻量5%，舊骨料∶新骨料為85∶15。此時對應的透水系數(shù)分別為：8.74、7.66、9.72、5.20 mm/s，具有較好的透水性能。

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2016-10-09

魏學成( 1972-) ，男，研究生，工程師，研究方向: 公路工程。

1008-844X(2017)01-0084-04

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