再生骨料透水混凝土配合比設(shè)計(jì)及工作性能研究

林 澤 羽

(山西交通控股集團(tuán)有限公司太舊高速公路分公司,山西 晉中 030600)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的逐步加快、中小城市城鎮(zhèn)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大型新建筑物的拔地而起，需要被處理的建筑垃圾的含量也不斷增加。有關(guān)資料表明，拆除10 000 m2的老舊建筑會(huì)帶來大約7 500 t～1.25萬t的建筑垃圾。無秩序的堆放建筑垃圾既會(huì)造成土地資源的浪費(fèi)，也會(huì)帶來伴隨而來的各類環(huán)境污染，引發(fā)社會(huì)公害。如果能夠合理將建筑材料的廢棄物進(jìn)行有效地回收利用，使之成為再生骨料，這會(huì)有著良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境綜合效益。因此，對(duì)建筑垃圾的回收與再利用，是相關(guān)學(xué)者們?cè)絹碓街匾暤默F(xiàn)實(shí)問題。

透水混凝土是通過特定比例的粗骨料、細(xì)骨料、膠凝材料、水、礦物摻合料和外加劑配制而成的多孔混凝土。由于其結(jié)構(gòu)為多孔骨架結(jié)構(gòu)且構(gòu)造特殊，因此透水混凝土具有改善城市熱島效應(yīng)、快速緩解城市道路的排水壓力、滲透性能良好等諸多的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。除此之外，還具有降低城市噪聲的功能。因此，透水混凝土能解決諸多普通混凝土所不能解決的一些生態(tài)問題。

如何能夠用再生骨料替換掉部分天然骨料制備的透水混凝土，成為了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)之一。再生骨料透水混凝土的運(yùn)用與推廣，與城市市政的發(fā)展與需求完美契合，也符合國(guó)家的大政方針。作為一項(xiàng)新興的節(jié)能環(huán)保技術(shù)和海綿城市建設(shè)的中流砥柱，再生骨料透水混凝土?xí)谖磥碛瓉砹己脥湫碌陌l(fā)展機(jī)遇。

本文采用正交試驗(yàn)的方式，以水灰比、含砂率、硅灰摻量以及目標(biāo)孔隙率作為基本因素，每個(gè)因素分別設(shè)計(jì)了3個(gè)不同的水平，研究了各種因素對(duì)再生骨料透水混凝土的表觀密度、抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的作用規(guī)律，隨后分析了每一種性能和實(shí)測(cè)孔隙率之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 再生骨料應(yīng)用和制備工藝

在廢混凝土資源化和再生骨料的應(yīng)用方面，我國(guó)的起步較晚，并把它們應(yīng)用于路基路面的項(xiàng)目工程中，同時(shí)數(shù)量有限。雖然研究的領(lǐng)域相對(duì)受限，但是大多數(shù)都處于慎用和試驗(yàn)階段。1997年，建設(shè)部將“建筑廢渣綜合利用”視作重要的推廣項(xiàng)目；2004年，交通部全面啟動(dòng)了“水泥混凝土路面再生利用關(guān)鍵技術(shù)研究”工作，建筑垃圾資源化利用被視為科技攻關(guān)的子課題；在近10年來，國(guó)內(nèi)的學(xué)者們對(duì)建筑廢料的重新利用做了基礎(chǔ)性研究，取得了較為豐厚的成果。許多國(guó)內(nèi)大城市的建筑單位也逐漸嘗試廢棄混凝土的回收利用工作，其強(qiáng)度和透水性能均達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)當(dāng)前的研究具有一定的推動(dòng)作用[1]。

2 試驗(yàn)操作

2.1 試驗(yàn)用原材料

減水劑：高效聚羧酸減水劑，減水率22.5%；硅灰：本試驗(yàn)采用硅灰作為礦物摻合料，是灰色或灰白色的粉末，耐火度高于1 600 ℃。硅灰：活性大，可以作為理想的活性礦物摻合料，其指標(biāo)如表1所示；粗骨料：為建筑廢棄混凝土，經(jīng)過粉碎、清洗、晾曬以及篩選分離后，能夠得到級(jí)配為5 mm～20 mm的再生碎石骨料[2]，具備若干基本性能，如表2所示。能夠符合GB/T 25177—2010中的相關(guān)要求。水泥：是透水混凝土的粗骨料之間的重要膠結(jié)材料，可以為強(qiáng)度高的硅酸鹽水泥，其基本指標(biāo)如表3所示。除此之外，還需要水和增強(qiáng)劑等試驗(yàn)必備材料。

表1 硅灰的性能指標(biāo)表

表2 再生粗骨料的性能指標(biāo)表

表3 水泥的性能指標(biāo)表

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

作為一種可以研究多種因素水平的試驗(yàn)方法，正交試驗(yàn)法能夠在不影響試驗(yàn)可行度的前提下大幅降低試驗(yàn)次數(shù)。其以正交性為基礎(chǔ)，并選擇具有代表性的若干個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行測(cè)試[3]。

本節(jié)考慮了水灰比、砂率、目標(biāo)孔隙率和按占膠凝材料總質(zhì)量計(jì)的硅灰摻量4種因素來分析配合比對(duì)再生骨料透水混凝土的表觀密度、透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的綜合影響[4]，運(yùn)用了L9正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于試驗(yàn)的基礎(chǔ)進(jìn)行了分摻量的計(jì)算。試驗(yàn)的因素水平如表4所示，試驗(yàn)的每組分摻量見表5。

表4 正交試驗(yàn)的因素水平表

表5 試驗(yàn)的各組分摻量表

2.3 試件成型與試件養(yǎng)護(hù)

本節(jié)采用水泥裹石法來制備再生骨料透水混凝土。先按比例把天然河砂和再生骨料混合隨后摻入拌合水浸濕攪拌；然后加入水泥繼續(xù)攪拌1 min，再加入余下的拌合水繼續(xù)攪拌2 min，隨后振搗、成型。為防止水分蒸發(fā)，成型后的試件需要包裝好。成型1 d后可以拆膜，隨后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d[5]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果及方差結(jié)果

本次正交試驗(yàn)的結(jié)果如表6所示，該表囊括了透水混凝土的表觀密度、孔隙率、抗壓強(qiáng)度以及透水系數(shù)。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

本次正交試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度、孔隙率、表觀密度以及透水系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果的極差分析分別如表7～表10所示。

表7 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表8 孔隙率試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表9 表觀密度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表10 透水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果極差分析

3.2 抗壓強(qiáng)度、表觀密度、實(shí)測(cè)孔隙率與透水系數(shù)四者的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過前文所述的極差分析可以看出，在上述四個(gè)影響因素中，孔隙率對(duì)再生骨料透水混凝土的各項(xiàng)性能的影響均很顯著。如圖1～圖3是對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率與各組抗壓強(qiáng)度、表觀密度和透水系數(shù)之間的綜合深度分析[6]。

從圖1中可以看出，再生骨料透水混凝土與孔隙率之間有著線性增加的關(guān)系?？紫堵视?，透水系數(shù)越強(qiáng)。

從圖2中可以看出，再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間呈現(xiàn)明顯的遞減關(guān)系，孔隙率越高，抗壓強(qiáng)度越小，內(nèi)部密實(shí)程度越低。

從圖3中可以看出，再生骨料透水混凝土的表觀密度與孔隙率之間同樣存在著遞減的關(guān)系。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文采用正交試驗(yàn)的方式，以水灰比、含砂率、硅灰摻量以及目標(biāo)孔隙率作為基本因素，每個(gè)因素分別設(shè)計(jì)了3個(gè)不同的水平，研究了各種因素對(duì)再生骨料透水混凝土的表觀密度、抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的作用規(guī)律，隨后得出如下試驗(yàn)結(jié)論：

1)孔隙率對(duì)再生骨料透水混凝土的透水系數(shù)、表觀密度、抗壓強(qiáng)度的影響均為最大?？紫堵实奶嵘龝?huì)導(dǎo)致目標(biāo)的透水性能顯著上升，表觀密度、抗壓強(qiáng)度則會(huì)相應(yīng)下降。2)再生骨料透水混凝土的實(shí)測(cè)孔隙率比目標(biāo)孔隙率偏低，但是二者相差不大。3)再生骨料透水混凝土的孔隙率與其抗壓強(qiáng)度、表觀密度呈現(xiàn)出線性負(fù)相關(guān)的規(guī)律。4)再生骨料透水混凝土的水灰比的改變對(duì)其目標(biāo)的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)存在著一定的關(guān)聯(lián)，其變化規(guī)律為先增大后減小；當(dāng)水灰比為0.20時(shí)，具有最佳的抗壓強(qiáng)度和透水性能。