再生骨料透水混凝土力學(xué)性能研究與應(yīng)用

為了系統(tǒng)掌握再生骨料透水混凝土的力學(xué)特性及工程應(yīng)用性能，通過試樣試驗系統(tǒng)研究了再生骨料透水混凝土力學(xué)性能，分析再生骨料摻量（比例）對劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、單軸拉伸強(qiáng)度、混凝土抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)和保水性能的影響，探討了再生骨料透水混凝土應(yīng)用邊坡防護(hù)工程中的適用性。結(jié)果表明：再生骨料摻量對透水混凝土力學(xué)性能影響顯著，當(dāng)再生骨料摻量（比例）不大于50%時，透水劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、混凝土的抗壓強(qiáng)度及單軸拉伸強(qiáng)度均會降低約30%、當(dāng)再生骨料摻量超過50%時，透水混凝土力學(xué)參數(shù)會顯著降低；采用摻量為50%的再生骨料的透水混凝土，其抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、單軸拉伸強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，且相較傳統(tǒng)天然骨料人字形骨架具有良好的透水性和保水性，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)更高。

再生骨料透水混凝土; 邊坡工程; 劈裂強(qiáng)度; 透水性能; 抗壓強(qiáng)度

TU528.1 A

［定稿日期］2022-12-05

［作者簡介］王岑（1975—），男，本科，高級工程師，研究方向為道橋、隧道工程施工技術(shù)與材料應(yīng)用技術(shù)。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建設(shè)中產(chǎn)生的大量建筑垃圾對環(huán)境不可估量影響。將廢棄的建筑廢棄物破碎并通過專業(yè)設(shè)備制成再生骨料用以代替混凝土中的普通骨料，不僅可以實現(xiàn)建筑垃圾資源化利用的目的［1-2］。還可以減少水泥用量。同時充分發(fā)揮再生骨料透水混凝土經(jīng)濟(jì)性高、水泥用量少、透水性強(qiáng)等優(yōu)點，在透水路面、水工結(jié)構(gòu)及海綿城市建設(shè)中得到了應(yīng)用［3-5］，對于推動城市發(fā)展的長效性、環(huán)境保護(hù)、節(jié)約資源都有著非常重要的意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過試驗研究手段研究了再生骨料透水混凝土進(jìn)行了研究，如薛如政等［6］以天然巖石骨料和再生粗骨料分別制備混凝土，通過對比2種混凝土的28天標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度后發(fā)現(xiàn)以天然巖石骨料制備的混凝土的強(qiáng)度比用再生粗骨料制備的混凝土高約20％。Wagih A 等［7］和Rahal K［8］研究表明，摻入再生骨料的混凝土的力學(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（替換比例）成一定的正相關(guān)。Zaetang等［9］認(rèn)為再生骨料摻入量（比例）對混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度有著顯著的影響，但兩者之間并非簡單的線性關(guān)系，而是一種先增大后減小的關(guān)系。Sriravindrarajah等［10］研究發(fā)現(xiàn)混凝土的強(qiáng)度會隨著再生骨料摻量增加而降低，但是保持孔隙率基本不變時，用再生粗骨料制備的混凝土透水性能基本不變。上述研究成果對于認(rèn)識再生骨料透水混凝土性能具有重要意義，為后續(xù)深入研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

然而，目前研究主要集中在再生骨料透水混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)，鮮有對其劈裂性能、彎拉性能等力學(xué)性能和透水性能開展系統(tǒng)的研究。因此，本文依托成都天府新區(qū)公路項目，系統(tǒng)性研究再生骨料占比對混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、單軸拉伸強(qiáng)度、滲透系數(shù)和保水性能的影響，希望可以為再生骨料透水混凝土在實際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗方案

本文共設(shè)計了5組試驗，每組試驗都采用2個試樣，做2組平行試驗，通過試驗數(shù)據(jù)對比分析，并用平均值的方式來消除試驗誤差，試驗方案如表1所列。需要說明的是，由于再生混凝土骨料較天然骨料吸水率高、孔隙率大，在用再生骨料制備透水混凝土?xí)r，由于再生骨料自身會消耗一部分水，重而降低混凝土水灰比。為解決這一問題，本試驗增加減水劑用量以消除相關(guān)影響，具體用量采用現(xiàn)行規(guī)范 ［11］要求計算方法行計算。

1.2 試驗材料

試驗選用的天然骨料來源于樂山市地區(qū)某砂石廠，粒徑范圍為0～15 mm，密度ρ=2.652 g/cm3，吸水率w=1.32%，壓碎指標(biāo)δa=4.0%；試驗用的再生骨料粒徑范圍為0～15 mm，密度ρ=2.633g/cm3，吸水率w=3.25%，壓碎指標(biāo)δa=13.42%。試驗用水泥經(jīng)檢驗合格的為P·O425普通硅酸鹽水泥，試驗用的拌合用水為檢驗合格的可用于拌和的普通自來水。

1.3 試驗方法

試驗方法及混凝土強(qiáng)度和透水性能檢測方法均采用CJJT 253-2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［12］推薦的方法，嚴(yán)格按照規(guī)范要求逐步實施。放入標(biāo)準(zhǔn)間養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，將石塊做好標(biāo)記后立即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，溫度（20±2）℃，濕度為95%，養(yǎng)護(hù)至28天。其中，抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度采用美國MTS（SANS） CMT5105微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)對試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試樣進(jìn)行測試；彎拉強(qiáng)度在SNT4605微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行彎拉強(qiáng)度（三點彎拉強(qiáng)度及四點彎拉強(qiáng)度）試驗；單軸拉伸強(qiáng)度在MTS試驗機(jī)上進(jìn)行直接對試樣尺寸為100 mm×100 mm×200 mm的試樣進(jìn)行拉伸試驗。再生骨料透水混凝土滲透試驗采用直徑D=70 mm、高度H=150 mm的圓柱體試樣。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度

圖1為再生骨料摻量與混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系。

從圖1可以看出，含再生骨料的混凝土，雖抗壓強(qiáng)度降低，但仍屬于正?？箟簭?qiáng)度的范圍，尤其當(dāng)再生骨料摻量不超過50%時，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。

2.2 再生骨料透水混凝土劈裂強(qiáng)度

再生骨料摻量對混凝土劈裂強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖2所示?？梢钥闯觯S著再生骨料摻量的增加，混凝土劈裂強(qiáng)度逐漸降低，如未摻加再生骨料的試樣的劈裂強(qiáng)度為2.7 MPa，當(dāng)再生骨料摻量達(dá)到50%時，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，混凝土的劈裂強(qiáng)度仍達(dá)到1.3 MPa以上。

2.3 再生骨料透水混凝土彎拉強(qiáng)度

圖3給出了再生骨料摻量對混凝土的三點和四點彎拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。可以看出，完全采用天然骨料制備的混凝土的三點和四點彎拉強(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，混凝土三點彎拉強(qiáng)度、四點彎拉強(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，三點彎拉強(qiáng)度、四點彎拉強(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%。

2.4 再生骨料透水混凝土單軸拉伸強(qiáng)度

再生骨料摻量對再生骨料透水混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響規(guī)律如圖4所示?？梢钥闯?，隨著再生骨料摻量的增加，混凝土的峰值應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)再生骨料摻量不超過50%時，混凝土峰值應(yīng)力相差不大，但再生骨料摻量超過50%時，峰值應(yīng)力降低顯著。如再生骨料摻量為25%和50%時峰值應(yīng)力為2.22 MPa和2.15 MPa，相較天然骨料混凝土峰值應(yīng)力2.31 MPa，僅分別減小了3.90%和6.93%；再生骨料摻量為75%的峰值應(yīng)力1.40 MPa較天然骨料混凝土峰值應(yīng)力降低了39.40%。

2.5 再生骨料透水混凝土保水性能

圖5給出了再生骨料摻量對混凝土滲透系數(shù)的影響規(guī)律，可以看出，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，提高了4.3倍。可見，再生骨料的摻入有利于顯著提升混凝土的滲透性能。

圖6顯示了不同再生骨料摻量下試件的保水量與時間的關(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。本試驗記錄了試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)9天的保水量變化情況，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)時間的變化趨勢相似，前期下降幅度較大，隨著時間增長，下降速率逐漸降低，蒸發(fā)速度變慢。

3 再生骨料透水混凝土在邊坡工程的應(yīng)用

成都仁壽公路項目地層巖性以泥巖為主，邊坡長期暴露容易風(fēng)化，挖方邊坡根據(jù)邊坡高度采取不同的防護(hù)防護(hù)。通過正文第2節(jié)結(jié)果，項目人字形骨架護(hù)坡采用再生骨料摻量為50%的再生骨料透水混凝土，其抗壓強(qiáng)度、單軸拉伸強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及彎拉強(qiáng)度都滿足規(guī)范要求，且相較傳統(tǒng)天然骨料人字形骨架具有良好的透水性和保水性，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)更高。此外，項目應(yīng)用再生骨料透水混凝土，不僅解決建筑廢棄物對環(huán)境帶來的負(fù)面影響，減少了對原生資源的消耗，還取得了較好的經(jīng)濟(jì)性，可為此類技術(shù)在類似工程中應(yīng)用提供試驗依據(jù)。

4 結(jié)束語

通過試驗系統(tǒng)性研究摻入再生骨料的透水混凝土的力學(xué)性能，數(shù)據(jù)化分析再生骨料摻量（比例）對混凝土力學(xué)性能及透水性能的關(guān)系，探討了再生骨料透水混凝土應(yīng)用邊坡防護(hù)工程中的適用性，可以形成結(jié)論：

（1）再生骨料摻量（比例）對透水混凝土的力學(xué)性能影響十分顯著，當(dāng)再生骨料摻量（比例）不超過50%時，透水混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、單軸拉伸強(qiáng)度均會降低約30%，當(dāng)再生骨料摻量超過50%時，透水混凝土力學(xué)參數(shù)會顯著降低。

（2）采用摻量為50%的再生骨料透水混凝土，其抗壓強(qiáng)度、單軸拉伸強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及彎拉強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，且相較傳統(tǒng)天然骨料人字形骨架具有良好的透水性和保水性，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)更高。

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