再生集料透水混凝土基層的路用性能研究

馮仁科，彭 斌，喬建剛,3 FENG Renke, PENG Bin, QIAO Jiangang,3

（1. 山西省公路局 陽泉分局，山西 陽泉045000；2. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津300401；3. 天津市交通工程綠色材料技術(shù)研究中心，天津300401）

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市建筑垃圾也在源源不斷地產(chǎn)生，若不對這些建筑垃圾進(jìn)行進(jìn)一步的處理和再生利用，將產(chǎn)生大量的污染問題[1-2]。為此，國內(nèi)在研究了有關(guān)透水鋪裝及海綿城市的理論基礎(chǔ)上[3]，現(xiàn)提出一種選擇建筑垃圾制成的再生集料作為透水混凝土基層骨料的新方案[4-5]，能有效解決建筑垃圾傾倒和填埋造成的一系列環(huán)境問題。

王俊嶺等[6-7]檢驗(yàn)了透水混凝土鋪裝改性基層路面對徑流污染物的削減效果，并分析了三種骨料對典型徑流污染物吸附效果；趙祥冉等[8]將建筑垃圾破碎，作為粗骨料代替部分天然碎石，輔以大摻量粉煤灰作為膠凝材料制得透水混凝土；王冬麗及Uchechi G 等[9-10]利用沿海地區(qū)的不同貝殼垃圾制得透水混凝土，并對其性能做了相關(guān)研究；尹志剛等[11]進(jìn)行了基于孔結(jié)構(gòu)特征的再生骨料透水混凝土抗凍耐久性試驗(yàn)。目前國內(nèi)外學(xué)者雖然對透水混凝土基層的材料組成、作用形式、路用性能以及施工工藝等內(nèi)容都有了一定的研究，但其研究相對較為粗獷，尚缺乏對再生集料透水混凝土路用性能的細(xì)化分析。因此，本文綜合討論再生集料透水混凝土的路用性能情況能否滿足路用要求。

1 排水性能試驗(yàn)

1.1 水泥用量對空隙率的影響。選配的透水混凝土配合比情況為設(shè)計(jì)空隙率25%、水灰比0.5，水泥用量227.3kg/m3。為便于計(jì)算，將水泥用量調(diào)整為230kg/m3，其余條件不變，并將此確定為基準(zhǔn)配合比。通過單因素試驗(yàn)對不同配合比參數(shù)變化下的材料滲透性能影響規(guī)律進(jìn)行分析。

為考慮不同水泥用量下透水混凝土材料的空隙率變化規(guī)律，在基準(zhǔn)配合比的條件下，恒定水灰比，變化水泥用量，分別取200kg/m3、230kg/m3、260kg/m3以及290kg/m3，將四種水泥用量下的全空隙率及有效空隙率進(jìn)行試驗(yàn)測試，測試結(jié)果繪制成圖1。

不同水泥用量下試件空隙率均滿足設(shè)計(jì)要求，同時，隨著水泥用量的增加，試件的全空隙率、有效空隙率均隨之降低，但是降低的速率不大。這主要是由于隨著水泥用量的增加，當(dāng)超過集料裹附表面所需用的最高水泥用量時，剩余部分將會逐漸填充空隙，使原有的連通空隙變?yōu)榘脒B通甚至不連通空隙，因此隨著水泥用量的增加，混凝土的全空隙率和有效空隙率均隨之降低，且有效空隙率的下降趨勢更為明顯。

1.2 水灰比對空隙率的影響。為了進(jìn)一步研究水灰比對材料空隙率的影響，控制集料及水泥用量230kg/m3不變，變化水灰比即用水量的大小，水灰比分別取0.4、0.45、0.5、0.55 和0.6 共計(jì)六組，各組試件分別測定其空隙率，試驗(yàn)結(jié)果繪制成圖2。

圖1 透水混凝土空隙率隨水泥用量變化規(guī)律

圖2 透水混凝土空隙率隨水灰比變化規(guī)律

不同水灰比條件下空隙率均滿足設(shè)計(jì)要求，在同一水泥用量下，隨著混合料中水灰比（0.4～0.6 范圍內(nèi)）的增加，試件的全空隙率變化浮動不大，只在水灰比0.55 時出現(xiàn)較低的峰值。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥用量一定時，試件的理論密度和毛體積密度都已確定，全空隙率也相應(yīng)確定；試件的有效空隙率呈現(xiàn)與全空隙率相同的變化趨勢，但增加至水灰比為0.6 時，試件的有效空隙率急劇下降，這是因?yàn)椋?dāng)水灰比超過混合料拌和及水泥水化所需的最佳值后，會導(dǎo)致混凝土中的水泥漿體過稀，在重力的作用下逐漸向試件的下部轉(zhuǎn)移，造成跑漿、漏漿等現(xiàn)象出現(xiàn)，這部分較稀的水泥漿體在硬化后會堵塞一部分孔隙，令試件的封閉空隙增多。

1.3 空隙率對滲透系數(shù)的影響。為進(jìn)一步研究滲透系數(shù)隨透水混凝土設(shè)計(jì)空隙率、有效空隙率變化的影響規(guī)律，本節(jié)選擇控制水灰比、水泥用量，取設(shè)計(jì)空隙率Rviod作為變量，分別取值為15%、20%、25%、30%，對四組設(shè)計(jì)空隙率狀態(tài)下的試件分別測試其空隙率，并進(jìn)行滲透系數(shù)的測試和計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，再繪制成圖3。

表1 不同空隙率下滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

在有效空隙率超過15%時，滲透系數(shù)滿足設(shè)計(jì)滲透系數(shù)要求，但低于15%有效空隙率時，滲透性能將不滿足滲透要求。因此，驗(yàn)證了控制有效空隙率不低于15%的要求。同時，隨著設(shè)計(jì)空隙率以及有效空隙率的增加，試件的滲透系數(shù)隨之增長，且滲透系數(shù)增長趨勢越顯著。這是由于隨著有效空隙率的增加，使原有的部分半連通空隙打通，水在試件內(nèi)部流動阻力更小，當(dāng)設(shè)計(jì)空隙率為25%時，試件的滲透系數(shù)能夠達(dá)到1.10cm/s，遠(yuǎn)超0.25cm/s 的基本設(shè)計(jì)要求。

除此以外，觀察表1 中設(shè)計(jì)空隙率與全空隙率、有效空隙率的對照情況，發(fā)現(xiàn)實(shí)測的有效空隙率更接近設(shè)計(jì)空隙率，而全空隙率則大于設(shè)計(jì)空隙率。這是由于本次透水混凝土選擇的骨料為再生集料，再生集料表面存在有一定的開口空隙以及細(xì)小的微裂結(jié)構(gòu)，因此骨料本身具有一定的吸水特性，導(dǎo)致實(shí)測全空隙率以及有效空隙率均會大于設(shè)計(jì)空隙率。但滲透性能試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，說明采用再生集料作為透水混凝土中的骨料能夠滿足材料的基本透水性能。

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

采用再生集料作為透水混凝土基層中的骨料，除需驗(yàn)證混合料的排水性能之外，還應(yīng)當(dāng)檢測其基本力學(xué)性能是否能夠滿足要求。相較于天然集料，再生集料的強(qiáng)度較低，而作為基層材料，透水混凝土層應(yīng)當(dāng)具備一定的抗壓強(qiáng)度，來抵抗上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的荷載，并在潮濕和飽水狀態(tài)下不發(fā)生過大的強(qiáng)度衰減，為此，選擇再生集料透水混凝土基層混合料7d 齡期下浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為指標(biāo)，分別探究不同水泥用量以及不同水灰比條件下材料的強(qiáng)度變化規(guī)律。

2.1 抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展規(guī)律。為了進(jìn)一步研究再生集料透水混凝土基層材料的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，檢驗(yàn)其實(shí)際路用效果，在選擇7d 齡期浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對試件28d、90d 齡期的浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行了試驗(yàn)測試。

圖3 滲透系數(shù)與有效空隙率關(guān)系曲線

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化

如圖4，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的發(fā)展強(qiáng)度在不斷增加，在28d 齡期時較7d 齡期強(qiáng)度增加125%；90d 齡期較28d 齡期強(qiáng)度增加114%，說明在28d 齡期時混凝土強(qiáng)度增長達(dá)到其強(qiáng)度的90%，故在日常施工過程中應(yīng)注意前28d 時透水混凝土的保水養(yǎng)護(hù)。同時，由于水泥及再生集料透水混凝土自身特性，在28d 后混凝土強(qiáng)度增加較為緩慢。

2.2 水泥用量對抗壓強(qiáng)度的影響。為探究不同水泥用量下透水混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律，在選定的基準(zhǔn)配合比要求下，將水泥用量作為變量，成型試件按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行測試，其強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果制成圖5 所示。

隨著單位體積混凝土中水泥用量與試件的抗壓強(qiáng)度基本呈現(xiàn)線性增長的關(guān)系，當(dāng)透水混凝土中水泥用量為200kg/m3時，試件的抗壓強(qiáng)度值已經(jīng)能夠滿足基層材料3MPa 的要求，因此不必追求較高的水泥用量來保證強(qiáng)度，因?yàn)檫^高的水泥用量會堵塞試件的有效空隙率，降低材料的排水性能。

2.3 水灰比對抗壓強(qiáng)度的影響。為研究透水混凝土材料中水灰比對抗壓強(qiáng)度的影響，確定水泥用量不變?yōu)?30kg/m3，選擇水灰比作為變量，按試驗(yàn)要求進(jìn)行測試后，結(jié)果繪制成圖6 所示。

圖5 試件抗壓強(qiáng)度隨水泥用量變化情況

圖6 試件抗壓強(qiáng)度隨水灰比變化情況

在同一水泥用量下，試件的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增加呈現(xiàn)先增后減的變化情況。當(dāng)水灰比較低時，透水混凝土中的水泥顆粒不能夠完全水化，膠結(jié)作用有限，因此試件的抗壓強(qiáng)度相對較??；隨著用水量的增加，至達(dá)到最佳用水量（水灰比）時，混凝土中的水泥既能夠完全水化，又不至于過于稀釋向下流淌，在這一條件下的抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最高；而當(dāng)用水量繼續(xù)增加時，水泥雖然能夠完全水化，但會導(dǎo)致水泥漿體過稀，從而在重力作用下沿著試件內(nèi)部空隙向下流淌，造成下部強(qiáng)度高、上部松散的情況，而在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的測試過程中，一旦試件發(fā)生破壞則立即顯示讀數(shù)，因此雖然試件下部強(qiáng)度高，但整體強(qiáng)度依然較低，低于最佳水灰比條件下的抗壓強(qiáng)度。

3 干縮特性試驗(yàn)

3.1 干縮試驗(yàn)計(jì)算。采用再生集料作為透水混凝土中的骨料，其本身就具有一定的吸水性，會影響水泥的水化和吸水過程，進(jìn)而影響其收縮情況，因此必須對其收縮特性進(jìn)行研究。相關(guān)文獻(xiàn)表明，透水混凝土材料中由于水泥用量相對較低，而骨料用量相對較高，因此其整體溫度敏感性遠(yuǎn)低于普通水泥混凝土，故其收縮裂縫的主要成因是由于材料在早期強(qiáng)度成型階段隨齡期變化逐漸失水以及后期碳化過程而產(chǎn)生的干燥體積收縮。

將干縮試驗(yàn)結(jié)果按下式分別進(jìn)行計(jì)算：

失水率：

干縮應(yīng)變：

干縮系數(shù)：

式中：Δm 為標(biāo)準(zhǔn)試件稱重質(zhì)量變化值，g；mo為試件烘干后恒重，g；δi為第i 次干縮量觀測值，mm；εi為第i 次干縮應(yīng)變，mm；φi為第i 次失水率，%。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析?？紤]到本次干縮特性試驗(yàn)僅用于探究建筑垃圾再生集料透水混凝土基層混合料的體積穩(wěn)定性，因此僅選擇基準(zhǔn)配合比（1#）進(jìn)行試驗(yàn)，并與普通半剛性基層（水泥穩(wěn)定碎石）（2#）以及普通混凝土進(jìn)行對比（3#），每組試驗(yàn)制作三個試件，分別對失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)平均值進(jìn)行對比，不再進(jìn)行不同因素下干縮性能變化規(guī)律的具體分析。按基準(zhǔn)配合比制成的試件按上述試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果分別繪制成折線圖，如圖7、圖8 和圖9 所示。

圖7 累計(jì)失水率隨齡期增長變化規(guī)律

圖8 干縮應(yīng)變隨齡期增長變化規(guī)律

圖9 干縮系數(shù)隨齡期增長變化規(guī)律

再生集料透水混凝土相對于水泥穩(wěn)定類材料以及水泥混凝土材料，表現(xiàn)為前期失水收縮迅速，中期和后期趨于平穩(wěn)；14d時已經(jīng)能夠完成收縮量的50%左右，至28d 已能完成收縮量的75%左右，60d 后則能趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生顯著體積收縮和水分含量變化。三類材料干縮應(yīng)變變化較為一致。透水混凝土相對于水泥穩(wěn)定類材料以及水泥混凝土材料前期干縮系數(shù)較小，在20d 左右達(dá)到與水泥穩(wěn)定類材料以及水泥混凝土材料相一致。因此，在28d 齡期內(nèi)，應(yīng)注意透水混凝土的保水養(yǎng)護(hù)，以確保其失水及干縮較小。

采用再生集料作為透水混凝土中的骨料，能夠滿足透水混凝土干縮特性的基本要求。而透水混凝土作為一種干縮速度快、干縮值低的材料，將其用于路面基層可有效緩解甚至避免路面出現(xiàn)因基層收縮開裂而導(dǎo)致的路表反射裂縫病害情況。但需要說明的是，如果將再生集料透水混凝土用于實(shí)際透水鋪裝工程中，需要嚴(yán)格控制其養(yǎng)生齡期以及養(yǎng)生方法，避免在面層覆蓋后內(nèi)部水分緩慢喪失造成的長時間收縮過程而造成的收縮開裂。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)水灰比一定時，隨著水泥用量的增加，試件的全空隙率和有效空隙率均隨之減小，容易造成滲流效果不良；（2）透水混凝土材料的強(qiáng)度初期增幅較大，后期逐漸平緩，7d 齡期下強(qiáng)度可達(dá)28d 強(qiáng)度的80%以上；（3）透水混凝土存在最佳水灰比，隨著水灰比的增加，材料的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當(dāng)水灰比超過0.5 時，材料的抗壓強(qiáng)度開始降低，同時存在有漏漿、堵塞的情況；（4）透水混凝土試件前期失水較快，14d 時已經(jīng)能夠完成收縮量的50%，至28d 已能完成收縮量的75%，60d 后則能趨于穩(wěn)定。