路用再生骨料透水混凝土的力學(xué)性能優(yōu)化研究

田小風(fēng) 李基恒 王新 張楗

路用再生骨料透水混凝土（PRAC）的力學(xué)性能直接影響再生骨料透水混凝土道路的質(zhì)量。文章基于PRAC的破壞機(jī)理，從兩個(gè)方面研究其力學(xué)性能的優(yōu)化：（1）在普通硅酸鹽水泥的基礎(chǔ)上，往PRAC的膠凝材料中分別摻入硅灰、粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等礦物摻合料和增強(qiáng)料、外加劑等進(jìn)行試驗(yàn)，研究膠凝材料的力學(xué)性能并分析其作用機(jī)理，從而提高水泥石強(qiáng)度;（2）對(duì)增加骨料之間的接觸點(diǎn)數(shù)量和面積時(shí)PRAC力學(xué)性能的變化規(guī)律進(jìn)行改性研究。結(jié)果表明：通過(guò)摻入不同礦物摻合料可以顯著提高再生骨料透水混凝土水泥石的強(qiáng)度;通過(guò)改變PRAC的骨膠比，增加骨料顆粒表面包裹的膠凝材料的厚度，可優(yōu)化PRAC的力學(xué)性能，提高PRAC的強(qiáng)度。

再生骨料;力學(xué)性能;礦物摻合料;透水混凝土

U416.03A030074

0 引言

瀝青混凝土路面、水泥混凝土路面等傳統(tǒng)路面透水性、透氣性差，當(dāng)遭遇暴雨時(shí)，城市排水系統(tǒng)的壓力在短時(shí)間內(nèi)劇增，從而容易發(fā)生積水內(nèi)澇，降低道路行車安全性，同時(shí)也會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。透水混凝土是一種改善城市生態(tài)環(huán)境的環(huán)保型建筑材料，目前在城市中有較多的應(yīng)用，主要應(yīng)用在園林工程中的輕荷載道路、城市廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、步行街、人行道、樹(shù)池、居民小區(qū)內(nèi)等道路的路面。透水混凝土作為一種環(huán)保材料，能夠很好地促進(jìn)水循環(huán)，是海綿城市道路建設(shè)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。再生骨料透水混凝土（pervious recycled aggregate concrete，簡(jiǎn)稱PRAC）作為新型建筑材料，是一種再生骨料替代天然骨料，再由特定級(jí)配的再生骨料、水、膠凝材料、礦物摻合料和外加劑等按一定比例制備而成且具有連續(xù)孔隙的透水混凝土，具有良好的排水蓄水、透氣調(diào)溫、吸聲降噪以及凈化水體等生態(tài)環(huán)境效益。同時(shí)，再生骨料的替代減少了天然骨料的消耗，實(shí)現(xiàn)了建筑垃圾的資源再利用，能夠節(jié)約自然資源，實(shí)現(xiàn)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用[3-5]。PRAC強(qiáng)度的影響因素較多，根據(jù)對(duì)PRAC的破壞機(jī)理進(jìn)行分析，本文從提高膠凝材料強(qiáng)度、改善界面過(guò)渡區(qū)以及增加骨料之間的接觸點(diǎn)數(shù)量和面積等方面對(duì)PRAC的力學(xué)性能進(jìn)行綜合分析。

1 透水混凝土破壞的原因

再生骨料透水混凝土在受壓破壞時(shí)，表面產(chǎn)生的裂縫是縱向通長(zhǎng)的，在試件棱角位置處裂縫較多且產(chǎn)生骨料脫落，直至試件整體破碎，PRAC受壓破壞基本上沒(méi)有“環(huán)箍效應(yīng)”。

再生骨料透水混凝土與普通混凝土的受壓破壞不同，屬于“骨架-空隙結(jié)構(gòu)”，當(dāng)它承受抗壓破壞時(shí)，表面的實(shí)體部分是它的受壓面，力的接觸面積小，所以承受的應(yīng)力相對(duì)集中，骨料和骨料之間相互擠壓，通過(guò)膠凝材料層傳遞機(jī)械咬合力。當(dāng)PRAC受到外力作用時(shí)，PRAC內(nèi)部顆粒的接觸點(diǎn)將會(huì)受到集中應(yīng)力作用，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)承載力極限時(shí)，首先發(fā)生破壞的是骨料間的接觸面，緊接著發(fā)生骨料錯(cuò)動(dòng)，填充內(nèi)部的孔隙，使試件變得更加密實(shí)。如果繼續(xù)加載，由于再生骨料強(qiáng)度較低，而且質(zhì)量差異較大，除以上現(xiàn)象之外，部分再生骨料會(huì)伴隨擠壓破碎。

2 試驗(yàn)

影響再生骨料透水混凝土強(qiáng)度的因素較多，在對(duì)PRAC的破壞機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文將從提高膠凝材料強(qiáng)度和改善界面結(jié)構(gòu)，增加骨料的接觸點(diǎn)數(shù)量和面積等方面對(duì)再生骨料透水混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行綜合性分析。

2.1 提高膠凝材料強(qiáng)度，改善界面結(jié)構(gòu)

根據(jù)PRAC的破壞機(jī)理，再生骨料透水混凝土中的膠凝材料作為力的傳遞介質(zhì)，主要作用有：（1）控制骨料間接觸點(diǎn)處的粘結(jié)強(qiáng)度;（2）傳遞骨料與骨料之間的機(jī)械咬合力。通過(guò)在膠凝材料中摻加磨細(xì)礦渣粉、粉煤灰、硅灰等礦物摻合料，以摻加增強(qiáng)料、外加劑等方式，可以改善膠凝材料漿體的微裂縫和孔結(jié)構(gòu)，提高膠凝材料漿體的致密程度和強(qiáng)度，并改善骨料與漿體間的界面結(jié)構(gòu)，從而有效地提高PRAC的力學(xué)性能。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 粉煤灰對(duì)再生骨料透水混凝土水泥石強(qiáng)度的影響

通過(guò)圖1可知，摻加粉煤灰后的膠凝材料的早期強(qiáng)度較低，而后期抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有所提高，甚至超過(guò)基準(zhǔn)膠砂的強(qiáng)度。原因是在摻加粉煤灰的二元膠凝材料中，膠凝材料的水化反應(yīng)由水泥熟料礦物的水化反應(yīng)和粉煤灰的火山灰反應(yīng)兩部分組成。由于粉煤灰的礦物組成中大部分為玻璃體結(jié)構(gòu)，且表面富集SiO2和SiO2-Al2O3，使其在水化早期具有較低的火山灰活性。首先，水泥熟料礦物在發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)生成Ca（OH）2，然后粉煤灰的活性成分與生成的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而提高水泥石的后期強(qiáng)度。

2.2.2 礦渣對(duì)再生骨料透水混凝土水泥石強(qiáng)度的影響

通過(guò)圖2可知，礦渣摻量在20%以內(nèi)，對(duì)膠凝材料抗折的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均有一定程度提高。礦渣摻量在15%以內(nèi)對(duì)膠凝材料的早期強(qiáng)度有所提升，摻加磨細(xì)礦渣粉的二元膠凝材料在水泥熟料水化放出的Ca（OH）2的激發(fā)下，發(fā)揮膠凝效應(yīng)和火山灰活性效應(yīng)，使水泥石的早期強(qiáng)度基本不變，且后期強(qiáng)度有所提高。

2.2.3 硅灰對(duì)再生骨料透水混凝土水泥石強(qiáng)度的影響

通過(guò)圖3可以看出，膠凝材料中摻入硅灰，形成的硅灰微集料效應(yīng)使水泥石早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均顯著提高。由于硅灰的高火山灰活性效應(yīng)和微集料填充密實(shí)效應(yīng)，摻硅灰的二元膠凝材料不僅能夠顯著提高膠砂的早期強(qiáng)度，而且水泥石的后期強(qiáng)度也得到了顯著提高。

2.2.4 不同增強(qiáng)料對(duì)膠凝材料強(qiáng)度的影響

分別采用多元膠凝材料、可再分散性乳膠粉、聚丙烯纖維等制備PRAC，再生骨料用量為1 640 kg/m3，水用量為124 kg/m3，減水劑為

0.89 kg/m3，制備PRAC并測(cè)定抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果可知，由多元膠凝材料制備PRAC的抗壓強(qiáng)度影響最為顯著，

7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了23%和29%。通過(guò)試驗(yàn)表明，由多元膠凝材料制備PRAC不僅能提高早期強(qiáng)度，并且使其綜合性能得到改善。在PRAC中摻加可再分散性乳膠粉可以明顯提高PRAC的抗壓強(qiáng)度，7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了10%、21%。首先，可再分散性乳膠粉在拌和中溶解形成乳液，黏性較大，可以有效地增大膠凝材料的粘結(jié)強(qiáng)度，提高骨料間的粘結(jié)力。另外聚合物顆粒填充在水泥漿體和界面過(guò)渡區(qū)的孔隙中，可通過(guò)改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高PRAC的強(qiáng)度。摻聚丙烯纖維對(duì)PRAC的抗壓強(qiáng)度提升幅度較小。聚丙烯纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和韌性，可以有效地阻止混凝土的開(kāi)裂。在PRAC中摻入聚丙烯纖維，纖維均勻地分布在水泥漿體中，增強(qiáng)水泥漿的粘結(jié)作用，共同承擔(dān)骨料間的剪切應(yīng)力，從而提高PRAC的強(qiáng)度。

3 機(jī)理分析

骨料間的機(jī)械作用力是影響PRAC力學(xué)性能的重要因素之一。增加骨料間的接觸點(diǎn)數(shù)量，主要有兩個(gè)方面：（1）優(yōu)化粗骨料級(jí)配，減少粗粒徑骨料的使用比例，隨著骨料粒徑的減小，骨料的總比表面積增大，接觸點(diǎn)增多，并且由于骨料趨于球形的幾率增大，接觸面積增大，從而使骨料之間的嵌擠作用和摩擦阻力增強(qiáng)，使透水混凝土的強(qiáng)度提高;（2）在保證PRAC骨架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，摻入一定量的細(xì)骨料，填充在粗骨料之間的空隙中，使細(xì)骨料在粗骨料之間相互搭接，從而使接觸點(diǎn)明顯增多，其骨架結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。通過(guò)改變PRAC的骨膠比，增加骨料顆粒表面包裹的膠凝材料的厚度，增大骨料間的接觸點(diǎn)面積，增強(qiáng)骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度，從而使PRAC的強(qiáng)度得到提高。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用摻粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉、硅灰等礦物摻合料的多元膠凝材料，優(yōu)化了路用再生骨料透水混凝土骨料之間的水泥石界面，從而大幅提升路用再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（2）在路用再生骨料透水混凝土中摻入一定摻量的可分散乳膠粉，可有效提升路用再生骨料透水混凝土骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

（3）加入聚丙烯纖維，其在水泥石中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到良好的阻裂作用，承擔(dān)骨料之間的剪切應(yīng)力，從而提高了PRAC的強(qiáng)度。

[1]張明濤.混凝土礦物增強(qiáng)改性劑與增強(qiáng)機(jī)理研究[D].成都：西南科技大學(xué)，2011.

[2]聶 品.再生骨料透水混凝土的路用性能研究[D].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2012.

[3]王永海.再生骨料透水混凝土力學(xué)性能的影響因素研究[J].工程質(zhì)量，2015（5）：46-50.

[4]孫躍東.再生混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

[5]肖力光，林 俠.再生骨料透水混凝土在海綿城市中的應(yīng)用研究[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（4）：9-12.