基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的再生骨料透水混凝土力學(xué)性能研究

尹志剛，范 巍，董思健，趙 越

(長(zhǎng)春工程學(xué)院 吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

透水混凝土是一種具有高孔隙率、良好透水性能的多孔材料，目前常被用于城市公園道路、停車(chē)場(chǎng)、住宅小區(qū)、人行道等輕型荷載路面[1]，但由于其強(qiáng)度較低、易堵塞、長(zhǎng)期耐久性較差等特性，也限制了其在更廣范圍內(nèi)的應(yīng)用。據(jù)《中國(guó)建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2014年度)》報(bào)道我國(guó)建筑垃圾總排放量約15.5 億t/a～24.0 億t/a，其中建筑垃圾廢棄物中廢棄混凝土的含量已達(dá)40%以上，然而這些廢棄建筑垃圾資源利用率卻不足5%，除極少數(shù)被再生用于非承重結(jié)構(gòu)外，其余大量的建筑垃圾直接用于粗放性工程回填或直接露天堆放，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)影響，也極大地造成了資源浪費(fèi)[2-3]。因此，如何合理解決廢棄混凝土再利用問(wèn)題逐漸成為工程界和學(xué)術(shù)界討論的熱點(diǎn)之一。

孫宏友等[4]通過(guò)正交試驗(yàn)研究了目標(biāo)孔隙率、骨料種類(lèi)、水膠比、粉煤灰、硅灰摻量、攪拌方式對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明目標(biāo)孔隙率的影響程度最大。姜騫等[5]研究得出增強(qiáng)劑能夠有效改善新拌透水混凝土漿體易剝落沉底的現(xiàn)象，并提高硬化透水混凝土的力學(xué)與抗凍融性能。楊小龍等[6]通過(guò)進(jìn)行重量法的對(duì)比試驗(yàn)，得出采用CT掃描技術(shù)計(jì)算透水混凝土堵塞程度是可行的結(jié)論。王永海等[7]對(duì)再生骨料透水混凝土摻入無(wú)機(jī)增強(qiáng)料并發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)試塊的28 d抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度提高了20%左右。薛冬杰等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生透水混凝土的90 d抗壓強(qiáng)度要高于采用普通骨料的透水混凝土。張浩博等[9]探討了摻30%再生骨料、水灰比、骨料粒徑、砂率等因素對(duì)透水混凝土物理及力學(xué)性能的影響。Wu等[10]開(kāi)展了不同摻合料對(duì)普通波特蘭透水混凝土的力學(xué)性能及凍融耐久性方面的試驗(yàn)研究。解偉等[11]研究了不同再生骨料和橡膠顆粒摻量對(duì)C20強(qiáng)度透水混凝土物理性能和力學(xué)性能的影響。余乃宗等[12]研究了再生細(xì)骨料混凝土的抗凍性，為再生細(xì)骨料在混凝土耐久性方面的應(yīng)用提供了一定的試驗(yàn)借鑒。

目前關(guān)于再生骨料混凝土性能的研究主要集中在普通再生骨料混凝土方面，有關(guān)再生骨料透水混凝土力學(xué)及凍融耐久性方面的研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，本文利用正交試驗(yàn)方法對(duì)摻加微硅粉、增加劑的再生骨料透水混凝土的力學(xué)性能和抗凍耐久性能進(jìn)行了試驗(yàn)，考察了外摻料、設(shè)計(jì)孔隙率、水膠比等對(duì)再生骨料透水混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)和連續(xù)孔隙率的影響，以期尋求最優(yōu)配合比，并以最優(yōu)配合比開(kāi)展快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)凍融后的再生骨料透水混凝土質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量、剩余抗壓強(qiáng)度、CT掃描斷面平均孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律開(kāi)展研究，以期為再生骨料透水混凝土在寒區(qū)的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料性能

試驗(yàn)選用吉林亞泰鼎鹿牌P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料(Natural Coarse Aggregate, NCA)選用粒徑4.75 mm～9.50 mm的瓜子石；再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate, RCA)選用實(shí)驗(yàn)室自制C30鋼筋混凝土梁經(jīng)機(jī)械破碎后人工篩分獲得，試驗(yàn)選用骨料基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.66的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，用量為粗骨料的8%；礦物摻合料選用SiO2含量為94.33%的微硅粉；選用南京某公司生產(chǎn)的增強(qiáng)劑，其主要成分見(jiàn)表2；減水劑選用FDN萘系高效減水劑，減水率為21%，含固量91.51%；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

表1 試驗(yàn)選用粗骨料基本物理指標(biāo)

表2 透水混凝土增強(qiáng)劑主要物理性能

1.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為減少試驗(yàn)工作量，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，每一因素各取3個(gè)水平，采用正交表L9(34)，開(kāi)展再生骨料透水混凝土力學(xué)性能正交試驗(yàn)，基于極差分析和層次分析來(lái)處理試驗(yàn)結(jié)果，找出滿(mǎn)足規(guī)程[8]要求的最優(yōu)配合比。試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表3。

表3 再生骨料透水混凝土正交試驗(yàn)表

試件設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20，再生粗骨料摻量為天然粗骨料用量的30%，配合比設(shè)計(jì)采用《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[13](CJJ/T 253—2016)的方法和步驟進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，按照正交試驗(yàn)表確定9組試驗(yàn)每立方米再生骨料透水混凝土各材料用量，其中粗骨料用量為1 460.6 kg/m3，細(xì)骨料為127.0 kg/m3，纖維0.6 kg/m3，其它材料用量具體見(jiàn)表4。

表4 1 m3再生骨料透水混凝土各材料用量單位：kg/m3

1.3 試件制作流程與試驗(yàn)方法

試件按照規(guī)范[13]要求制備9組100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，每組3塊，采用插搗成型法，試件制備后，在室溫下靜置24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至28 d。分別測(cè)定再生骨料透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)和28 d抗壓強(qiáng)度。透水系數(shù)試驗(yàn)參考文獻(xiàn)[14]中定水頭測(cè)試方法；抗壓強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)極差分析

表5為上述9組正交試驗(yàn)所得的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果， 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行極差分析后， 結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知：

(1) FB是影響試件連續(xù)孔隙率的最大因素，其次分別為因素FC、FA、FD，參數(shù)的最優(yōu)組合是FA2FB3FC1FD1。

(2) FB是影響試件連續(xù)孔隙率的最大因素，其次是FA。說(shuō)明設(shè)計(jì)孔隙率越大，試件的透水性越強(qiáng)。參數(shù)的最優(yōu)組合是FA2FB3FC1FD1。

(3) 各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響程度的主次順序?yàn)樵O(shè)計(jì)孔隙率、水膠比、增強(qiáng)劑摻量、微硅粉摻量。根據(jù)抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，參數(shù)的最優(yōu)組合是FA2FB1FC2FD3。

表5 各組正交試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)上述正交試驗(yàn)結(jié)果分析，在滿(mǎn)足規(guī)程中各項(xiàng)規(guī)定的前提下，得到最優(yōu)配合比，見(jiàn)表7。實(shí)測(cè)該配合比下28 d抗壓抗壓強(qiáng)度為28.6 MPa，連續(xù)孔隙率為13.4%，透水系數(shù)1.6 mm/s。

表6 連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)和28 d抗壓強(qiáng)度的極差分析表

表7 正交試驗(yàn)所得最優(yōu)配合比

2.2 凍融耐久性分析

通過(guò)文獻(xiàn)[15]可知，室內(nèi)開(kāi)展一次快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，相當(dāng)于外界自然環(huán)境下的12次～15次凍融循環(huán)，為進(jìn)一步了解再生骨料透水混凝土在凍融環(huán)境下的長(zhǎng)期耐久性能，且考慮到東北寒冷地區(qū)已有透水混凝土路面的耐久性較低的現(xiàn)狀(通常3 a～5 a就出現(xiàn)表面開(kāi)裂現(xiàn)象)，根據(jù)上節(jié)正交試驗(yàn)所得到的再生骨料透水混凝土最優(yōu)配合比制備試塊，開(kāi)展快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。共制備10組30個(gè)100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，用于測(cè)量經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度；另制備100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊3塊，用于測(cè)量經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量與質(zhì)量損失。具體抗凍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1質(zhì)量損失率與相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融次數(shù)變化曲線

圖1(a)為試件的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。由圖1(a)可以看出，試件的質(zhì)量損失在凍融過(guò)程中變化并不顯著，失重率始終處于負(fù)值，從整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中來(lái)看，在80次凍融后質(zhì)量損失呈上升趨勢(shì)。這是由于再生粗骨料自身含有的孔隙較多、吸水率較大；從結(jié)構(gòu)組成來(lái)講，透水混凝土本身的連通孔隙較大，內(nèi)部有足夠的孔隙空間可以適當(dāng)延緩凍融結(jié)冰膨脹而引起的表面凍脹開(kāi)裂現(xiàn)象。但隨著凍融次數(shù)的增多，骨料之間的粘結(jié)力不足以抵抗凍融引起的周期性疲勞應(yīng)力，導(dǎo)致再生骨料透水混凝土產(chǎn)生骨料剝落等現(xiàn)象。

圖1(b)為試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。從圖1(b)中可以看出，在凍融循環(huán)作用下，試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律與普通混凝土試件相似，即隨著凍融次數(shù)的增加而呈下降趨勢(shì)。90次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量降到60%以下。利用二次多項(xiàng)式對(duì)上述變化關(guān)系進(jìn)行擬合，從圖1(b)中可以看出，擬合得到的相對(duì)動(dòng)彈模隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律具有較高的擬合精度和相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.93以上。

2.3 CT掃描結(jié)果分析

近年來(lái)，CT掃描成為分析混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的一種新方法。每間隔20次凍融循環(huán)后利用醫(yī)用螺旋CT機(jī)對(duì)經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)后的透水混凝土試件(100 mm×100 mm×100 mm)進(jìn)行CT掃描，設(shè)定CT掃描斷面間距為2.5 mm，這樣就得到透水混凝土試件內(nèi)部不同掃描間距下孔隙分布的真實(shí)圖像，見(jiàn)圖2，對(duì)CT掃描斷面經(jīng)MATLAB數(shù)字圖像處理技術(shù)后可獲得試件在凍融前后的孔隙劣化情況。

圖2再生骨料透水混凝土斷面CT掃描斷面切片圖

圖3為再生骨料透水混凝土孔隙率分布與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。其中，橫軸表示不同CT掃描斷面距離，縱軸為不同凍融次數(shù)下的CT掃描圖像各斷面的孔隙率。由圖3可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，透水混凝土試件的CT掃描斷面平均孔隙率逐漸增大。20次凍融循環(huán)后CT掃描斷面平均孔隙率為15.4%，隨著凍融次數(shù)的不斷增加，40次、60次、80次、100次凍融循環(huán)后，CT掃描斷面平均孔隙率較20次分別增大了1.19倍、1.33倍、1.53倍、1.89倍。

圖3再生骨料透水混凝土孔隙率分布與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2.4 凍融后抗壓強(qiáng)度與孔隙率分析

抗壓強(qiáng)度是檢驗(yàn)混凝土力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。圖4為再生骨料透水混凝土試件抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。由圖4可知，在凍融循環(huán)作用下，試件的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與普通混凝土試件相似，即隨著凍融次數(shù)的增加而呈下降趨勢(shì)。在70次凍融循環(huán)之前，試件的抗壓強(qiáng)度下降速率較為緩慢；70次凍融循環(huán)之后，抗壓強(qiáng)度的下降速率明顯變大。

圖4抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)關(guān)系

圖5為再生骨料透水混凝土試件經(jīng)歷凍融后CT掃描斷面平均孔隙率p與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。由圖5可見(jiàn)，試件的抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而逐漸降低，表明在凍融循環(huán)作用下試件的孔隙率p與抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。在凍融循環(huán)的不斷作用下，試件內(nèi)部孔隙率劣化程度逐步增大，內(nèi)部密實(shí)程度和骨料膠結(jié)能力變?nèi)?，進(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)性能逐步下降。利用二次多項(xiàng)式對(duì)再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度與CT掃描斷面平均孔隙率p的關(guān)系進(jìn)行擬合，從圖中可以看出，擬合得到的凍融后抗壓強(qiáng)度與孔隙率p的變化規(guī)律具有較高的擬合精度和相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.98以上。

圖5凍融后孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文主要基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了再生骨料透水混凝土力學(xué)性能與凍融耐久性，試驗(yàn)研究了微硅粉、增強(qiáng)劑等外摻料和水膠比對(duì)再生骨料透水混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)和連續(xù)孔隙率的影響，并以正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)結(jié)果開(kāi)展了快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，基于以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

(1) 影響再生骨料透水混凝土連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)的最大的因素是設(shè)計(jì)孔隙率，水膠比、微硅粉和增加劑摻量影響程度較為接近。根據(jù)抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，參數(shù)的最優(yōu)組合是FA2FB1FC2FD3。

(2) 基于正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)配合比開(kāi)展的快速凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，再生骨料透水混凝土的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量、平均抗壓強(qiáng)度與CT掃描斷面平均孔隙率的劣化程度均逐漸增大。

(3) 隨著凍融次數(shù)的增多，試件內(nèi)部孔隙率劣化程度逐步增大，內(nèi)部密實(shí)程度和骨料膠結(jié)能力變?nèi)酰M(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)性能逐步下降。再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度與CT掃描斷面平均孔隙率p之間具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.98以上，表明再生骨料透水混凝土的孔隙率與抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。