再生骨料混凝土力學(xué)特性和透水性能研究與應(yīng)用

劉詠梅

(中鐵二十三局集團(tuán)第三工程有限公司 四川成都 611130)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在建設(shè)過程中產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。將廢棄的建筑混凝土破碎后制備成再生骨料，部分代替或全部代替普通骨料，可以實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化利用的目的[1-2]。再生骨料混凝土，具有透水性強(qiáng)、水泥用量少、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、施工簡便等優(yōu)點(diǎn)，是一種低碳環(huán)保材料，在透水路面、水工結(jié)構(gòu)及生態(tài)護(hù)坡等方面都有應(yīng)用[3-6]。近年因全球氣候變化，很多地區(qū)出現(xiàn)極端氣候，降雨量極大、極端暴雨較多，這對(duì)路基的排水性能提出了更高要求。將透水性強(qiáng)的再生骨料混凝土用于路基填筑和路基邊坡防護(hù)工程中可以滿足這一要求。

目前，對(duì)再生骨料混凝土的力學(xué)性能已有一些研究。薛如政、朱建鋒等[7-8]以天然巖石骨料和再生粗骨料分別制備混凝土，對(duì)比二者的28 d強(qiáng)度后發(fā)現(xiàn)前者的強(qiáng)度比后者低20%左右。Wagih等[9]和Rahal[10]的研究結(jié)果表明，摻入再生骨料的混凝土其力學(xué)指標(biāo)都比普通混凝土低，并且強(qiáng)度降低的程度與再生骨料的替換量成一定比例關(guān)系。Zaetang等[11]的研究結(jié)果表明:再生骨料摻入量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響顯著，但二者之間并不符合線性關(guān)系，而是先增大、后減小的關(guān)系。Sriravindrarajah等[12]研究表明，混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨著再生骨料摻量增加而降低，但在孔隙率基本不變的情況下，其透水性能也基本不變。目前針對(duì)再生骨料混凝土的劈裂性能、彎拉性能等力學(xué)性能的研究很少，系統(tǒng)研究其力學(xué)性能和透水性能的相關(guān)報(bào)道也很少。

本文系統(tǒng)研究再生骨料混凝土的力學(xué)性能和透水性能，探討再生骨料混凝土在多雨水和極端氣候頻發(fā)地區(qū)路基填筑和路基邊坡防護(hù)工程中應(yīng)用的可能性。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

(1)拌和水:自來水。

(2)水泥:四川威遠(yuǎn)西南水泥有限公司生產(chǎn)的32.5普通硅酸鹽水泥。

(3)外加劑:聚羧酸減水劑。

(4)天然骨料:樂山市沙灣區(qū)興遠(yuǎn)砂石廠提供的骨料。

(5)再生骨料:采用廢棄混凝土試塊經(jīng)破碎、篩分得到。

試驗(yàn)用骨料的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 骨料基本性能

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

(1)抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度:采用SANS試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為(150×150×150)mm，在試件和壓力機(jī)之間放置1根鐵棒，以測(cè)試劈裂強(qiáng)度。

(2)彎拉強(qiáng)度:使用SNT4605萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改裝，來測(cè)試混凝土試件的三點(diǎn)彎拉強(qiáng)度和四點(diǎn)彎拉強(qiáng)度。

(3)單軸拉伸強(qiáng)度:在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，由于直接拉伸混凝土試件有困難，所以在(100×100×200)mm長方體試件的上下兩端用特殊的膠液黏粘兩塊鋼板。

以上試驗(yàn)均通過位移控制試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，速率為0.1 mm/min。

2.2.2 滲透性能試驗(yàn)

使用D＝70 mm、H＝150 mm的圓柱體試件進(jìn)行滲透試驗(yàn)。本研究采用“變水頭法”來測(cè)定不同再生骨料摻量下試件的滲透系數(shù)，試驗(yàn)儀器為自制滲透系數(shù)測(cè)定儀。

滲透系數(shù)的計(jì)算公式:

式中:L為試件高度；A為橫截面面積。在水位差的作用下(h1-h2)，水從帶有刻度的變水頭管中自上向下滲過試件。試驗(yàn)時(shí)，水位下降所用的時(shí)間記為t。

2.3 試驗(yàn)方案

本研究中共制備了不同再生骨料摻量的混凝土試件，每種試件所用材料及用量見表2。

表2 試驗(yàn)所用材料配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 再生骨料混凝土的力學(xué)特性

3.1.1 抗壓強(qiáng)度

圖1為不同再生骨料摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線。由圖1可知，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨再生骨料摻量的增加而降低。當(dāng)摻量不超過50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度的降低速率較緩慢，而再生骨料摻量繼續(xù)增加，抗壓強(qiáng)度下降速度加快。這主要是因?yàn)樵偕橇习炷林械乃嗌皾{和粗骨料等成分，其成分多樣且分布不均勻，新拌水泥砂漿與再生骨料之間的膠結(jié)作用也不均勻且存在薄弱區(qū)，這些膠結(jié)作用薄弱區(qū)即為混凝土破壞的主因。此外，由于再生骨料是通過破碎混凝土分離而來，其承受過強(qiáng)烈撞擊，所以骨料表面和內(nèi)部存在微裂紋，導(dǎo)致?lián)饺朐偕橇系幕炷翉?qiáng)度不高。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

再生骨料的吸水性更強(qiáng)，隨著再生骨料含量的增加，大量的水將被再生骨料吸收，導(dǎo)致水泥水化需要的水量不足，水泥水化程度減弱，水泥與骨料間的膠結(jié)作用減弱，也導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度的降低?？傮w上看，本研究的試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入再生骨料的混凝土，雖然抗壓強(qiáng)度降低，但仍屬于正?？箟簭?qiáng)度的范圍，特別是在再生骨料摻量不超過50%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度仍能夠達(dá)到30 MPa以上；完全采用再生骨料制備的混凝土抗壓強(qiáng)度也在15 MPa以上，滿足生態(tài)護(hù)坡工程中混凝土抗壓強(qiáng)度高于10 MPa的要求。

3.1.2 劈裂強(qiáng)度

再生骨料混凝土的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，未摻加再生骨料的試件劈裂強(qiáng)度為2.7 MPa，當(dāng)再生骨料摻量達(dá)到50%時(shí)，劈裂強(qiáng)度只比完全采用天然骨料的混凝土降低了23.6%；當(dāng)再生骨料完全替代天然骨料時(shí)，混凝土的劈裂強(qiáng)度仍達(dá)到1.3 MPa以上。

圖2 再生骨料摻量對(duì)混凝土劈裂強(qiáng)度的影響

3.1.3 彎拉強(qiáng)度

圖3為再生骨料混凝土的三點(diǎn)和四點(diǎn)彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。圖中試驗(yàn)結(jié)果顯示，完全采用天然骨料制備的混凝土的三點(diǎn)和四點(diǎn)彎拉強(qiáng)度分別為2.5 MPa和3.25 MPa；當(dāng)再生骨料摻量增長到50%時(shí)，混凝土三點(diǎn)彎拉強(qiáng)度、四點(diǎn)彎拉強(qiáng)度與完全采用天然骨料制備的混凝土相比，分別只降低30.1%和18.3%；當(dāng)天然骨料完全被再生骨料所替代時(shí)，三點(diǎn)彎拉強(qiáng)度、四點(diǎn)彎拉強(qiáng)度仍然可達(dá)到1 MPa以上，與完全采用天然骨料制備的混凝土相比，分別降低了40.5%和42.4%。

圖3 再生骨料摻量對(duì)混凝土彎拉強(qiáng)度的影響

3.1.4 單軸拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同再生骨料摻量的混凝土試件進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)再生骨料的摻量提高時(shí)，抗拉強(qiáng)度峰值應(yīng)力降低；摻量不超過50%時(shí)，強(qiáng)度損失較小；隨后，再生骨料摻量越大，抗拉強(qiáng)度下降越快，混凝土的彈性模量也表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

圖4 不同摻量下混凝土軸拉試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在混凝土中摻入再生骨料后，混凝土的力學(xué)性能有下降趨勢(shì)，但當(dāng)再生骨料摻量較小時(shí)，其力學(xué)性能下降幅度不大；完全采用再生骨料制備的混凝土其力學(xué)性能也能滿足路基填筑和路基邊坡防護(hù)工程中應(yīng)用要求。

3.2 再生骨料混凝土的透水性能

3.2.1 滲透性能

使用D＝70 mm、H＝150 mm的圓柱體試件進(jìn)行滲透試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，部分試件的端部有堵塞現(xiàn)象，為試件澆筑成型時(shí)砂漿下沉所致，屬于個(gè)別現(xiàn)象。本試驗(yàn)對(duì)發(fā)生該種情況的試件進(jìn)行了切割處理，測(cè)得的滲透系數(shù)隨再生骨料摻量的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，隨著天然骨料逐漸被再生骨料替代，混凝土的滲透系數(shù)逐漸增大。完全采用天然骨料制備的混凝土試件的滲透系數(shù)只有0.21 cm/s，而完全采用再生骨料制備的混凝土的滲透系數(shù)可達(dá)1.12 cm/s，提高4.3倍。可見，再生骨料的摻入有利于提升混凝土的滲透性能。

圖5 滲透系數(shù)與再生骨料摻量關(guān)系

3.2.2 保水性能

圖6為不同再生骨料摻量下試件的保水量隨蒸發(fā)時(shí)間的變化關(guān)系，通過在PVC管底部裹保鮮膜并加蓋，在縫隙處涂抹凡士林對(duì)其進(jìn)行封堵，以阻止水從側(cè)面和底部的表面上流出。本試驗(yàn)記錄了試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)9 d的保水量變化情況，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，再生骨料混凝土的保水量隨蒸發(fā)時(shí)間的變化趨勢(shì)相似，前期下降幅度較大，隨著時(shí)間增長，下降速率逐漸降低，蒸發(fā)速度變慢。通過對(duì)蒸發(fā)216 h后的保水量進(jìn)行分析可以得到如圖7所示的變化關(guān)系，當(dāng)再生骨料摻量不超過50%時(shí)，保水量大幅度增加，當(dāng)再生骨料摻量繼續(xù)增加至100%，保水量平緩地提高。

圖6 保水量隨蒸發(fā)時(shí)間的變化關(guān)系

圖7 216 h保水量隨再生骨料摻量的變化關(guān)系

綜上所述，隨著再生骨料摻量的增加，混凝土的滲透性能和保水性能均逐漸變好，有利于再生骨料混凝土在多雨水地區(qū)和極端氣候條件下路基填筑和路基邊坡防護(hù)中應(yīng)用。

4 應(yīng)用

天府仁壽大道項(xiàng)目所在區(qū)域的地層巖性以泥巖為主，邊坡長期暴露容易風(fēng)化掉塊，故挖方邊坡原則上根據(jù)邊坡高度采取不同形式的防護(hù)。邊坡防護(hù)形式主要有噴播植草、“人”字型骨架護(hù)坡、掛鐵絲網(wǎng)噴有機(jī)基材。其中對(duì)于緩于1∶0.75一級(jí)邊坡且高度H＞4 m，采用人字型骨架護(hù)坡，骨架內(nèi)濕法噴播防護(hù)。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，減少了項(xiàng)目的水泥用量，節(jié)約了成本，尤其是在雨水較多時(shí)，體現(xiàn)了較好的透水性，確保了邊坡的安全穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

(1)再生骨料混凝土的力學(xué)性能隨再生骨料摻量提高有下降趨勢(shì)，但當(dāng)摻量不超過50%時(shí)，混凝土力學(xué)性能降低的幅度不大，其抗壓強(qiáng)度達(dá)30 MPa以上，劈裂強(qiáng)度達(dá)2 MPa以上，三點(diǎn)和四點(diǎn)彎拉強(qiáng)度分別可以達(dá)到2.54 MPa、3.32 MPa；當(dāng)完全采用再生骨料制備混凝土?xí)r，其抗壓強(qiáng)度達(dá)15 MPa以上，劈裂強(qiáng)度達(dá)1.3 MPa以上，三點(diǎn)和四點(diǎn)彎拉強(qiáng)度可達(dá)1 MPa以上。

(2)隨著再生骨料摻入量的提升，混凝土的滲透性能和保水性能都有顯著增長，有利于再生骨料混凝土在多雨和極端氣候下路基填筑和路基邊坡防護(hù)工程中應(yīng)用。

(3)再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度能夠滿足路基填筑和路基邊坡防護(hù)工程中混凝土抗壓強(qiáng)度高于10 MPa的要求，透水性能也能夠滿足其在生態(tài)護(hù)坡工程中應(yīng)用的要求，可以在生態(tài)護(hù)坡工程中正常應(yīng)用。