再生骨料品質(zhì)對透水混凝土性能的影響

趙 斌，李如林，劉東基，姬晨光

（1.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北建研工程技術(shù)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

隨著我國城市化水平的不斷提升，拆遷和新建過程中產(chǎn)生的建筑垃圾隨之增多，而廢棄混凝土在建筑垃圾中所占比例較高，據(jù)統(tǒng)計全球每年約有建筑垃圾 20 億 t，其中廢棄混凝土大約 6 億 t，如果將棄混凝土經(jīng)過加工后用作透水混凝土的骨料，可以在一定程度上減少對礦山的開采，保護(hù)自然資源，拓展再生骨料的應(yīng)用范圍。透水混凝土是由膠凝材料、粗骨料、水、外加劑等拌制而成，由膠凝材料漿體包裹骨料粘結(jié)形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的多孔混凝土。由于其內(nèi)部的孔隙率能達(dá)到 15 %～25 %，所以，透水混凝土具有透氣、透水的特點，能夠緩解城市熱島效應(yīng)、保護(hù)地下水資源和改善土壤生態(tài)環(huán)境［1，2］，因此，再生骨料透水混凝土具有多重環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，是一種優(yōu)良的生態(tài)型路面材料。隨著海綿城市建設(shè)上升至國家戰(zhàn)略層面，透水混凝土作為海綿城市建設(shè)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于公園道路、市政廣場、小區(qū)道路等承載要求相對較低的輕交通路面。

透水混凝上為骨架空隙結(jié)構(gòu)、作為骨架的再生骨料，其壓碎指標(biāo)、針片狀含量、骨料級配、微粉含量等指標(biāo)對透水混凝土的主要性能有著很大的影響［3-6］，包括強(qiáng)度及透水性。并且由于受取材及生產(chǎn)工藝影響，一般來說再生骨料與天然骨料相比針片狀顆粒較多、強(qiáng)度低，微粉含量、吸水率較大，導(dǎo)致再生骨料在透水混凝土中的應(yīng)用受到了限制。因此，本文對再生骨料壓碎指標(biāo)、針片狀含量、骨料粒徑、微粉含量等指標(biāo)對透水混凝土的主要性能抗壓強(qiáng)度及透水性的影響，可以為再生骨料在透水混凝土中的應(yīng)用、透水混凝土用再生骨料標(biāo)準(zhǔn)的制定及再生骨料生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：采用 P·O42.5 R 普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能如表 1 所示。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

增強(qiáng)料：采用硅灰作為增強(qiáng)料，硅灰的性能指標(biāo)如表 2 所示。

表2 硅灰的性能指標(biāo)

外加劑：采用聚羧酸高性能減水劑，其性能指標(biāo)如表 3 所示。

表3 聚羧酸減水劑性能指標(biāo)

再生骨料：本實驗采用小型顎式破碎機(jī)分別對不同原強(qiáng)的廢棄混凝土進(jìn)行破碎，用試驗篩對破碎物進(jìn)行篩分控制粒徑及級配，水洗方式控制微粉含量，分別得到顆粒級配、壓碎值、微粉含量等性能指標(biāo)不同的再生骨料。

拌合及養(yǎng)護(hù)用水：飲用水。

1.2 成型及試驗方法

攪拌與成型：先將再生骨料和一半水量加入攪拌機(jī)攪拌 30 s，然后加入水泥及硅灰與剩下一半拌合水逐漸加入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，整個攪拌過程控制在120～180 s，試件成型時的拌合物工作狀態(tài)以“漿體均勻包裹骨料顆粒，粘結(jié)良好，不松散，手攥成團(tuán)為宜”。將攪拌均勻的混凝土裝入 150 mm×150 mm×150 mm 的抗壓試模和高 50 mm、直徑 100 mm 的透水試模中，搗棒均勻插搗后采用低頻平板振動器抹壓到位?？箟簭?qiáng)度試驗依據(jù) GB/T 50081－2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。透水混凝土透水系數(shù)依據(jù) CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。

1.3 配合比設(shè)計

本試驗采用體積法進(jìn)行設(shè)計，基準(zhǔn)配合比如圖4 所示。

表4 基準(zhǔn)配合比 kg·m-3

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 再生骨料壓碎值對透水混凝土性能的影響

透水混凝土主要由再生骨料之間相互咬合形成骨架結(jié)構(gòu)，透水混凝土強(qiáng)度取決于骨架之間接觸點處的黏結(jié)力和骨料的強(qiáng)度，再生骨料的強(qiáng)度直接影響了透水混凝土的力學(xué)性能，骨料的強(qiáng)度通常用壓碎值表征。再生骨料的壓碎值一般在 10 %～30 %，本文選取了粒徑為 4.75～9.50 mm單一級配壓碎值分別為 10.4 %、12.2 %、14.8 %、16.3 %、19.8 %、22.5 % 的再生骨料，研究其對透水混凝土 28 d 強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果如圖 1 所示。

圖1 骨料壓碎值對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖 1 中可知，隨著骨料壓碎值的增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，在壓碎值為 10.4 %時達(dá)到最大值 29.1 MPa。同時，在所選取的骨料壓碎值水平范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度值前后相差不明顯，并且可以看到，骨料壓碎值減小到一定程度后，透水混凝土抗壓強(qiáng)度提升速率開始減緩。這是由于透水混凝土的抗壓強(qiáng)度不僅取決于骨料壓碎值，還與膠凝材料與骨料之間的過渡區(qū)、骨料形貌等因素有關(guān)。通常情況下，小的水灰比有利于減小界面過渡區(qū)的寬度，有利于強(qiáng)度的提升；另一方面，由于容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，骨料中針片狀顆粒含量應(yīng)盡可能的少，其對于體系的強(qiáng)度起負(fù)面作用。

2.2 再生骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

骨料粒徑在透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水性方面起著十分關(guān)鍵的作用，通過大量研究，得到一致結(jié)論，認(rèn)為骨料粒徑越大透水混凝土的透水性能越強(qiáng)，而抗壓強(qiáng)度則會越低。為了明確具體的影響效果，本文采用單粒粒級的再生骨料，選取粒徑分別為 2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm、9.50～16 mm、16～19 mm 和 19～26.5 mm 的再生骨料，研究了粒徑對透水混凝土 28 d 抗壓強(qiáng)度、透水性能的影響，試驗結(jié)果如圖 2 和圖 3 所示。

圖2 骨料粒徑對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 骨料粒徑對透水混凝土透水系數(shù)的影響

由圖 2 和圖 3 可知，透水混凝土隨骨料粒徑變化規(guī)律為：隨著骨料粒徑的增大，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，而透水性能則明顯上升。由于大粒徑骨料比表面積較小，彼此之間的接觸位點少，導(dǎo)致膠凝材料對其粘結(jié)作用降低，使透水混凝土的抗壓強(qiáng)度減小。同理，較少的接觸位點使體系內(nèi)部更容易形成貫通的，并且彎曲程度小的孔隙，使水更容易通過，從而透水系數(shù)提高。

在最小粒徑范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值28.83 MPa，此時，透水系數(shù)僅為 0.43 mm/s，低于 CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)要求，相反，當(dāng)粒徑范圍增大到19～26.5 mm 時，抗壓強(qiáng)度減小為 14.33 MPa，而透水系數(shù)變?yōu)?3.21 mm/s，兩指標(biāo)前后差異明顯，說明骨料粒徑對透水混凝土的抗壓和透水性能起到十分關(guān)鍵的作用。綜合考慮，取骨料粒徑為 4.75～9.5 mm為宜，此時即可滿足透水率要求，同時又最大限度地保證了材料強(qiáng)度。

2.3 再生骨料級配對透水混凝土性能的影響

由 2.2 中可以看出，在骨料粒徑 4.75～9.50 mm 到9.50～16.0 mm 材料抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)分別出現(xiàn)了驟升和驟降，因此選取粒徑為 4.75～9.50 mm 和9.50～16.0 mm 以 10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8、0∶10 混合得到 5 種級配的再生粗骨料，考察了其對透水混凝土 28 d 抗壓強(qiáng)度和透水性能的影響。實驗結(jié)果如圖 4、圖 5 所示。

圖4 骨料級配對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 骨料級配對透水混凝土透水系數(shù)的影響

從圖 4 和圖 5 中可知，隨著骨料級配中 9.50～16.0 mm 顆粒含量的增加，透水混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，其原因在于，當(dāng)大粒徑骨料加入時，與 2.2 中結(jié)論類似，骨料間接觸位點減少，導(dǎo)致膠凝材料對其粘結(jié)效果變差，少量大粒徑骨料產(chǎn)生的縫隙由小粒徑骨料填充，提高了密實度，這也很好的解釋了骨料級配 8∶2 時抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了略微提升的原因。對于透水性，其變化趨勢與抗壓強(qiáng)度相反，隨著大粒徑骨料摻量的增加而大致呈現(xiàn)上升的趨勢。因此骨料粒徑 4.75～9.50 mm：9.50～16.0 mm 為 8∶2 為最優(yōu)級配。

2.4 再生骨料微粉含量對透水混凝土性能的影響

再生骨料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粒徑＜0.16 mm的粉塵為再生微粉，該微粉主要成分為硬化水泥石、粗骨料和細(xì)骨料的碎屑，不包含泥塊含量。研究微粉含量對透水混凝土性能的影響，既可保證透水混凝土的性能，又能合理利用微粉，減少資源浪費(fèi)，避免二次污染。本研究選取了粒徑為 4.75～9.5 mm，并分別摻入 1.0 %、2.5 %、4.0 %、5.2 %、6.67 %、8 %、9.2 %、14.5 % 的再生微粉等量替代粗骨料，研究其對透水混凝土 28 d 強(qiáng)度的影響和透水性能的影響，試驗結(jié)果如圖 6 和圖 7 所示。

圖6 骨料微粉含量對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖7 骨料微粉含量對透水混凝土透水性的影響

由圖 6、7 可以看出，在骨料微粉含量為 8.0 % 以內(nèi)時，透水混凝土抗壓強(qiáng)度變化不大，甚至有略微提升，在 8 % 達(dá)到最高值 27.8 MPa，之后開始出現(xiàn)驟降，其原因在于，少量的微粉不僅可以起到填充效應(yīng)，其含有的SiO2能與水泥中的 Ca（OH）2反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，填充在混凝土內(nèi)部的孔隙中，增加密實度，提升強(qiáng)度。對于透水性而言，隨著微粉含量的增加，透水性混凝土透水系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)微粉含量為 14.5 % 時達(dá)到最大，此時透水系數(shù)為 2.66 mm/s。在保證透水混凝土強(qiáng)度，并且透水性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，微粉含量在 8 % 左右為宜。

3 結(jié)論

本文主要研究了骨料壓碎指標(biāo)、骨料粒徑與級配、微粉含量等指標(biāo)對透水混凝土強(qiáng)度和透水性的影響，研究結(jié)果如下。

1）再生骨料壓碎值對透水混凝土抗壓強(qiáng)度影響相對較小，當(dāng)骨料壓碎值為 10.4 % 時，抗壓強(qiáng)度最大，為29.1 MPa。

2）骨料粒徑對透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水性能影響較大，在粒徑范圍在 4.75～9.50 mm 為宜，此時即可滿足透水率要求，同時又能最大程度的保證材料強(qiáng)度。

3）對于骨料級配，在單一小粒徑骨料中摻入少量大粒徑骨料有利于透水混凝土抗壓強(qiáng)度的提升，在骨料粒徑 4.75～9.50 mm∶9.50～16.0 mm 為 8∶2 時為最優(yōu)級配。

4）少量的微粉可略微提升透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，但含量超過 8 % 以后會出現(xiàn)驟降，而透水系數(shù)則隨著微粉含量的增加而升高，綜合考慮，微粉含量在8%左右為宜。Q