再生粗骨料透水混凝土制備工藝及配合比優(yōu)化研究

韓云婷 ，楊利香 ，陳海燕

（1.上海市建筑科學(xué)研究院，上海 201108；2.上海工業(yè)固體廢棄物資源化利用工程技術(shù)研究中心，上海 201108）

0 前言

隨著我國城鎮(zhèn)化步伐加快，建筑垃圾的產(chǎn)生量劇增，據(jù)統(tǒng)計，我國每10 000 m2建筑會產(chǎn)生建筑廢棄物500～600 t[1]，但建筑廢棄物的利用率卻不足5%，大量堆積的建筑垃圾侵占土地、污染地下水，給環(huán)境帶來了惡劣的影響，因此，提高建筑垃圾資源化利用率迫在眉睫。與此同時，為解決城市熱島效應(yīng)和雨季“看?！钡入y題，“海綿城市”成為近期城市建設(shè)的熱點。透水混凝土內(nèi)部具有大量的連通孔隙，具有透水、透氣、吸聲、降噪等特點[2]，對緩解城市熱效應(yīng)、改善地表生態(tài)環(huán)境、排水透水等方面有顯著效果。因此，利用建筑垃圾配制透水混凝土，具有一舉兩得的效果。

由于透水混凝土內(nèi)部連通孔隙的存在，常規(guī)攪拌和成型方式對透水混凝土強度和透水性能影響較大；同時，透水混凝土的設(shè)計孔隙率、水膠比、骨料粒徑等均會影響透水混凝土的強度、透水系數(shù)等，且相互影響和制約。因此，本文系統(tǒng)研究了再生骨料透水混凝土的攪拌方式和成型方式對透水混凝土強度和透水系數(shù)的影響，并采用正交試驗，分析確定了設(shè)計空隙率、水膠比、骨料粒徑和砂率等對再生骨料透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：萬安P·O42.5水泥，主要性能指標見表1；細骨料：天然砂，含泥量0.8%，泥塊含量0.1%，細度模數(shù)2.8；粗骨料：再生粗骨料來自上海城建物資再生骨料生產(chǎn)線，經(jīng)人工破碎篩分成5～10 mm、10～15 mm和5～25 mm三種粒徑；天然粗骨料來自湖州某骨料生產(chǎn)廠家，粒徑為5～10 mm，粗骨料的主要性能指標見表2；減水劑：浙江傳化聚羧酸減水劑，含固量20%，減水率27%。

表1 水泥的主要性能指標

表2 粗骨料的主要性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 測試標準

按照CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進行配合比設(shè)計，抗壓強度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》進行測試，透水系數(shù)按照CJJ/T135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》進行測試。

1.2.2 攪拌方式

本文研究一次攪拌法和水泥裹漿法2種攪拌方式，具體操作步驟如下：

（1）一次攪拌法：按照GBT 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》中相關(guān)要求，將稱好的粗骨料、膠凝材料、細骨料和水依次加入攪拌機，攪拌時間2 min以上。

（2）水泥裹漿法：①將全部粗、細骨料及1%～3%的水預(yù)拌，使骨料表面剛被潤濕為宜；加入全部膠凝材料繼續(xù)拌和，以形成包裹骨料表面的水泥漿殼；②將外加劑和剩余的水均勻混合后倒入，至混凝土拌合物表面光亮?xí)r停止攪拌，攪拌時間約2.5 min。

1.2.3 成型工藝

本文研究人工錘搗成型、振動壓實成型和靜壓力成型等3種成型工藝對透水混凝土性能抗壓強度和透水系數(shù)的影響，3種成型工藝均為2層裝料，第1層至試件模具高度的2/3處，第3層高出試模20 mm。

（1）人工錘搗成型：人工捶搗，每層均采用特制錘壓板均勻錘搗15次。

（2）振動壓實成型：人工捶搗和機械振動組合成型，將裝入混凝土的試模置于混凝土振動臺，每層均在振動情況下，采用特制錘壓板均勻錘搗15次后關(guān)停振動臺。

（3）靜壓力成型：采用實驗室壓力試驗機靜壓成型，將裝入混凝土的試模置于壓力試驗機下，以0.5 kN/s的速度加荷，試件所受壓強約為1 MPa時停止，并穩(wěn)壓30 s，然后卸荷。

1.2.4 養(yǎng)護方法

將成型好的試件表面覆蓋塑料薄膜，以防止水分蒸發(fā)，并在（20±3）℃、相對濕度大于60%的養(yǎng)護室中養(yǎng)護。試件成型24h后拆模，拆模后的試件放入（20±3）℃、相對濕度大于90%的標準養(yǎng)護室中繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 攪拌方式對透水混凝土強度和透水性能的影響

采用5～10 mm粗骨料，人工錘搗成型，設(shè)計孔隙率為15%，水膠比為0.26，砂率為0，分析不同攪拌方式對透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 攪拌方式對透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)的影響

由表3可知：

（1）相同配合比條件下，水泥裹漿法成型的試件28 d抗壓強度均高于一次攪拌法，這是因為透水混凝土最薄弱的環(huán)節(jié)是水泥石與骨料的界面，而水泥石與骨料間的界面結(jié)合力主要取決于接觸面積和接觸點處結(jié)合料的粘結(jié)強度[3]。采用水泥裹漿法，水泥漿在機械攪拌的作用下能均勻包裹于骨料表面，有效提高了包裹率，水泥和骨料的粘結(jié)面積增加，從而提高了試件的抗壓強度[4]。

（2）2種攪拌方式成型的試件透水系數(shù)相差不大，且一次攪拌法略高于水泥裹漿法，這是因為一次攪拌法對骨料的包裹率較低，所形成的水泥漿厚度較小，從而在一定程度上提升了體系的孔隙率。

（3）在攪拌過程中發(fā)現(xiàn)，采用一次攪拌法，混凝土拌合物骨料包裹差，水泥成球現(xiàn)象嚴重，且硬化后的混凝土試件掉角現(xiàn)象嚴重，而水泥裹漿法成型的試件基本無這些不良現(xiàn)象。

因此，綜合考慮透水混凝土強度和透水性能，后續(xù)試驗采用水泥裹漿法成型試件。

2.2 成型方式對透水混凝土強度和透水性能的影響

采用5～10 mm粗骨料，設(shè)計孔隙率為15%，水膠比為0.26，砂率為0，分析不同成型方式對透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 成型方式對透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)的影響

由表4可知：

（1）3種成型方式對透水混凝土28 d抗壓強度的影響基本相當，采用振動壓實成型的透水混凝土抗壓強度略高于其他2種成型方式，這是因為振動成型是通過振動克服骨料間的摩擦力并靠骨料自身重力達到密實[5]，而且在振動的同時施加一定的壓力，增加了混凝土間的密實度，從而提高強度。

所選病例符合要求，排除以下病例：（1）合并內(nèi)外科其他嚴重疾病者；（2）合并精神類疾病者；（3）合并嚴重身體缺陷者；（4）合并肝腎心肺功能嚴重損傷者；（5）入組前接受類似治療者；（6）合并器質(zhì)性病變者。

（2）人工捶搗成型和靜壓力成型的透水混凝土透水系數(shù)基本一致；而采用振動壓實成型的透水混凝土透水系數(shù)均為0，這是因為振動壓實成型時，包裹在骨料周圍的水泥漿體在重力作用下落并填充在混凝土中的孔隙中[6]，堵塞了連通孔隙所致。

（3）拌合物成型過程中發(fā)現(xiàn)，采用靜壓力成型時，成型壓力較難控制，壓力過小易導(dǎo)致透水混凝土不易成型或成型后顆粒易剝落，而成型壓力過大則易造成成型面骨料壓碎和試模破損等現(xiàn)象，可操作性相對較差。

因此，綜合考慮透水混凝土強度和透水性能等，后續(xù)試驗均采用人工捶搗成型。

2.3 正交試驗設(shè)計及結(jié)果分析

采用水泥裹漿法攪拌、人工捶搗成型試件。設(shè)置4因素3水平正交試驗，并通過控制維勃稠度（14±2）s確定減水劑摻量，正交試驗因素水平見表5。根據(jù)正交理論，分析設(shè)計孔隙率、水膠比、再生粗骨料級配、砂率等對透水混凝土抗壓強度和透水性能影響的顯著程度，確定因素和水平的最優(yōu)組合，具體試驗結(jié)果見表6，極差分析見表7。

表5 正交試驗因素水平

表6 正交試驗設(shè)計及性能測試結(jié)果

表7 正交試驗極差分析

由表6、表7分析可知：

（1）設(shè)計孔隙率是影響透水混凝土抗壓強度的主要因素，隨設(shè)計孔隙率的增加，抗壓強度呈直線下降趨勢；砂率是影響透水混凝土抗壓強度的次要因素，隨砂率的增大，抗壓強度先提高后降低；水膠比和再生粗骨料級配對透水混凝土抗壓強度影響相當。當設(shè)計孔隙孔隙率為10%、水膠比為0.32，再生粗骨料粒徑為10～15 mm、砂率為5%時，體系的抗壓強度最高。

（3）各因素對透水混凝土抗壓強度的影響順序為：設(shè)計孔隙率＞砂率＞水膠比＞再生粗骨料級配；各因素對透水混凝土透水系數(shù)的影響順序為：設(shè)計孔隙率＞再生粗骨料級配>砂率＞水膠比。

根據(jù)抗壓強度和透水系數(shù)的影響因素分析可知，其強度和透水系數(shù)呈反比關(guān)系[7]，其中設(shè)計孔隙率是影響二者的最主要因素。透水混凝土的強度由水泥漿體的粘結(jié)強度和骨料間的機械咬合力共同決定[8]，而在配合比、制備方法確定的前提下，其強度主要受水泥漿體粘結(jié)強度和粘結(jié)點數(shù)量的影響。當透水混凝土中水泥漿體粘結(jié)強度相對較高或粘結(jié)點相對較多時，混凝土的強度也相對較高，但較多的粘結(jié)點促使骨料間的點接觸變?yōu)槊娼佑|，從而導(dǎo)致骨料之間連通孔隙數(shù)量和孔徑的減小，甚至堵塞，最終致使透水混凝土的透水系數(shù)降低。

因此，透水混凝土的配合比設(shè)計，尤其是設(shè)計孔隙率的選取，要根據(jù)具體配制要求確定。根據(jù)正交試驗可知，所配制的透水混凝土透水系數(shù)富余較大，但抗壓強度較低，可選取較低的設(shè)計孔隙率；同時根據(jù)CJJ/T 135—2009要求，較優(yōu)的配合比為：設(shè)計孔隙率10%、水膠比0.32、再生粗骨料粒徑5～10 mm或10～15 mm、砂率為0。

3 結(jié)論

（1）水泥裹漿法能提高再生骨料的包裹率，增加水泥和骨料的粘結(jié)面積，提高透水混凝土強度；人工錘搗成型的透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)均較高，且試驗室的可操作性強。

（2）通過正交試驗得出透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)各影響因素的主次順序，其中影響透水混凝土抗壓強度的主次順序為：設(shè)計孔隙率＞砂率＞水膠比＞再生粗骨料級配，影響透水混凝土透水系數(shù)的主次順序為：設(shè)計孔隙率＞再生粗骨料級配>砂率＞水膠比。

（3）通過透水混凝土優(yōu)化試驗，較優(yōu)的配合比為：設(shè)計孔隙率10%、水膠比0.32、再生粗骨料粒徑5～10 mm或10～15 mm、砂率為0。