不同廢玻璃摻量對透水混凝土的性能影響

林書立 梁毅 覃振林 周源芳 楊卿松

摘 要：為探究廢玻璃摻入透水混凝土中對透水混凝土性能的影響，以目標孔隙率、水膠比、玻璃砂率和粉煤灰摻量為因素設(shè)計不同因素水平的正交試驗，并對試驗結(jié)果進行了極差分析和方差分析。結(jié)果表明，透水混凝土的抗壓強度、透水系數(shù)、有效孔隙率、保水性和降溫性等性能影響因素主次順序為：目標孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。增加廢玻璃的摻入量對透水混凝土的性能有明顯的影響，抗壓強度先增大后減小，透水系數(shù)降低。通過綜合評價分析選出最優(yōu)配合比：目標孔隙率為15%，水膠比為0.32，玻璃砂率為10%，粉煤灰摻量為10%，且各性能指標均滿足規(guī)范與實際使用要求。適量摻入玻璃砂有效地提升了透水混凝土力學性能和降溫性能，并保持良好的透水性能，為提高廢玻璃回收利用率和緩解城市熱島效應(yīng)的工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；廢玻璃；正交試驗；保水性；降溫性；綜合分析

中圖分類號：TU528.581 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.03.005

0 引言

城市化發(fā)展過程中會產(chǎn)生大量的固態(tài)廢物，據(jù)聯(lián)合國的相關(guān)統(tǒng)計，廢玻璃在固體廢棄物中的占比達到7%左右[1]。中國再生資源回收行業(yè)發(fā)展報告（2022）顯示[2]，2021年我國廢玻璃產(chǎn)生量約為2.275×107 t，而廢玻璃回收量約為1.005×107 t，回收利用率為44.2%左右，大量廢玻璃未被回收利用，既造成資源浪費，又會給環(huán)境帶來極大的負面影響。同時，在城市化的大背景下，海綿城市的建設(shè)在緩解城市內(nèi)澇、區(qū)域水資源短缺、水污染加重等方面發(fā)揮了重要作用[3]。透水混凝土由于其孔隙眾多，透水性和保濕性良好，能有效地滲透、補充地下水，減少雨水徑流，降低熱島效應(yīng)，是一種符合“海綿城市”理念的綠色建材[4-6]。因此，探索用廢玻璃作為透水混凝土原材料不僅會帶來顯著的經(jīng)濟效益，而且會產(chǎn)生重要的社會效益。

目前，國內(nèi)外諸多學者已對廢玻璃摻入混凝土或透水混凝土中對其性能影響進行了相關(guān)研究。Mallum等[7-9]研究發(fā)現(xiàn)：玻璃的性質(zhì)與天然砂較為相似，將玻璃磨細取代混凝土的細骨料是可行的，在合理的取代范圍內(nèi)，能得到較好的抗壓強度。金珊珊等[10]將廢棄玻璃骨料摻入混凝土中可改善混凝土的工作性能。透水混凝土一般不含或含有少量的細骨料，具有多孔結(jié)構(gòu)，以滿足滲透性要求，較大的孔隙率將增加透水系數(shù)，但其強度會降低[11-12]。趙紹飛等[13]適當摻入細骨料砂可以在不影響透水系數(shù)的情況下提高透水混凝土強度。陳守開等[14]提出了廢玻璃顆粒替代天然河砂后，可改善再生骨料透水混凝土的孔結(jié)構(gòu)，并提高其強度性能。Lu等[15]在透水混凝土中摻入適量的廢玻璃可獲得較好的抗壓強度和透水性能。

綜上所述，目前關(guān)于廢玻璃摻入透水混凝土中對其性能影響的研究多集中于抗壓強度和透水性能方面，對透水混凝土的保水性和降溫性方面卻鮮有研究。因此，對透水混凝土的保水性、降溫性的研究十分必要。本試驗針對透水混凝土強度偏低的問題，將廢玻璃作為細骨料摻入透水混凝土中，探究廢玻璃對透水混凝土各項性能的影響。選取目標孔隙率、水膠比、玻璃砂率、粉煤灰摻量為因素，并對各因素設(shè)置了4個水平進行正交試驗。通過極差和方差分析來研究各因素對透水混凝土力學性能、物理性能的影響規(guī)律，并篩選出兼顧抗壓強度和透水性能的最優(yōu)配合比。一方面可以提高廢玻璃回收利用率；另一方面可為透水混凝土性能改善提供新途徑，對相關(guān)的工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：采用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥；粗骨料：采用粒徑為4.75 ～ 9.50 mm的天然碎石，測得其表觀密度2 621 kg/m3；細骨料：由廢棄玻璃瓶加工制成的玻璃中砂，細度模數(shù)2.66；粉煤灰：I級粉煤灰；水：自來水；減水劑：采用聚羧酸高效減水劑。

1.2 正交試驗設(shè)計

本試驗采用正交試驗方法進行配合比的設(shè)計，研究目標孔隙率、水膠比、玻璃砂率和粉煤灰摻量4個因素分別對抗壓強度（fc）、透水系數(shù)（KT）、有效孔隙率、保水性和降溫性的影響程度，從而尋找出具有較高強度和良好透水性能的最優(yōu)配合比。試驗選用L16（44）正交表進行試驗設(shè)計，因素與水平如表1所示，配合比如表2所示。

1.3 試件制備工藝

試驗采用水泥裹石法，根據(jù)表2的配合比稱量材料。先將石子和玻璃砂加入混凝土單臥軸攪拌機中，加入50%的水預(yù)濕骨料并攪拌30 s；然后依次加入膠凝材料，再進行攪拌30 s；最后將剩余的水和減水劑加入攪拌機中，攪拌120 s后出料裝模。采用振動成型法，為保證透水混凝土試件的強度和防止發(fā)生沉底現(xiàn)象，振動時間不宜過長，振動臺振動控制時間為15 s。成型后的試件立即用保鮮膜進行包裹以防止水分蒸發(fā)。1 d后進行脫模，并放置在標準養(yǎng)護室（溫度（20±2）℃、相對濕度95%）中養(yǎng)護至3 d、7 d、28 d。

1.4 試驗方法

抗壓強度：選用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，按照我國《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）[16]進行測試。

透水系數(shù)：按照我國《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 135—2009）[17]附錄A進行測試。

有效孔隙率：按照我國《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 253—2016）[18]附錄A進行測試。

保水性：按照我國《透水磚》（JC/T 945—2005）[19]進行測試。

降溫性：9月初，將試件完全浸水24 h后，在室外自然狀態(tài)下，從上午10點到下午4點，每隔1 h用紅外線測溫儀測量試件的表面溫度，每次測量3組實驗數(shù)據(jù)，取平均值[20]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知：1）在不同齡期下，3 d和7 d抗壓強度分別能達到其28 d抗壓強度的60%和75%左右。這是因為透水混凝土內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)，使得水泥能更迅速地發(fā)生水化反應(yīng)，獲得較高的早期強度。2）透水系數(shù)的范圍是0.71～2.51 mm/s，均大于0.50 mm/s，符合規(guī)范要求。3）有效孔隙率與目標孔隙率較為一致，且各組有效孔隙率均略低于目標孔隙率。造成該現(xiàn)象的原因是透水混凝土在拌制成型時，漿料填充必然會形成部分封閉孔隙，導(dǎo)致有效孔隙減少。4）保水性的范圍是0.47～0.70 g/cm2，目標孔隙率大于10%的試件保水性均大于0.60 g/cm2，符合規(guī)范要求。

降溫性正交試驗結(jié)果如表4所示。由表4可知，透水混凝土在各時間段的溫度均低于普通混凝土和水泥路面。一方面是因為透水混凝土具有一定數(shù)量的孔隙，可保存一定的水分，使其溫度降低；另一方面是因為玻璃材料本身導(dǎo)熱系數(shù)較低，從而提高了試件的保溫性能，導(dǎo)致溫度變化較小。

2.2 極差分析

2.2.1 抗壓強度極差分析

抗壓強度極差分析如表5所示。由表5可知，影響透水混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強度的因素主次順序均為：目標孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。

各因素對抗壓強度的影響趨勢如圖1所示。由圖1可知：1）抗壓強度隨著目標孔隙率的增大而減?。▓D1（a））。這與透水混凝土內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，增大目標孔隙率必將導(dǎo)致內(nèi)部的孔隙增多，使其密實度降低，從而導(dǎo)致抗壓強度下降。2）抗壓強度隨著水膠比的增大而先增大后減?。▓D1（b））。這是因為水膠比的增大會提高水泥漿體的流動性，使?jié){體能夠均勻地包裹骨料，增加骨料之間的連接度，從而提高了抗壓強度。當水膠比過大時，易產(chǎn)生離析，骨料上的水泥漿脫落，黏附困難，造成不利于其強度提高的水泥漿沉底，從而導(dǎo)致抗壓強度降低。3）抗壓強度隨著玻璃砂率的增大先增大后減?。▓D1（c））。這是因為廢玻璃具有硬度高的特點，充當細骨料能夠增加骨料之間的接觸面，增大其密實度，加強骨料之間的咬合力，骨料之間的應(yīng)力得到有效傳遞，致使其抗壓強度提高。但當玻璃砂率超過一定量時，透水混凝土中水泥漿含量不變，增大了骨料間的表面積，水泥漿無法完全包裹所有玻璃砂的外表面，不能形成工作性能良好的水泥砂漿，使其膠結(jié)性能降低，抗壓強度也因此降低。4）抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增大而先增大后減?。▓D1（d））。這是因為粉煤灰表面光滑致密，在透水混凝土拌和中起到潤滑的作用，使?jié){體黏稠，顆粒包裹均勻，故強度提高。但過量的粉煤灰會減少單位體積透水混凝土的水泥用量，造成水泥漿的稀釋，導(dǎo)致抗壓強度降低。

2.2.2 透水系數(shù)極差分析

透水系數(shù)極差分析如表6所示。由表6可知，影響透水混凝土28 d透水系數(shù)的因素主次順序為：目標孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。

各因素對透水系數(shù)的影響趨勢如圖2所示，由圖2可知：1）透水系數(shù)隨著目標孔隙率的增大而增大（圖2（a））。這是因為目標孔隙率增大后，透水混凝土內(nèi)部的連通孔隙會相應(yīng)增加，透水系數(shù)也隨之增大。2）透水系數(shù)隨著水膠比的增大而減?。▓D2（b））。這是因為隨著水膠比的增大，水泥漿體流動性增強，在重力作用下試件底部漿體逐漸增多，部分孔隙被堵塞，從而使其透水系數(shù)降低。3）透水系數(shù)隨著玻璃砂率的增大而減?。▓D2（c））。這是因為玻璃砂的摻入，將填充于透水混凝土內(nèi)部，使得部分有效透水孔變?yōu)榉忾]孔隙，導(dǎo)致其透水系數(shù)降低。4）透水系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增大而減?。▓D2（d））。這是因為粉煤灰填充在骨料的間隙之間，增加了透水混凝土的密實度，減少了孔隙數(shù)量，從而使透水系數(shù)降低。

2.2.3 有效孔隙率極差分析

有效孔隙率極差分析如表6所示。由表6可知，各因素對有效孔隙率的影響主次順序為：目標孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。因透水混凝土的孔隙率與透水系數(shù)之間有較好的相關(guān)性，故各因素對有效孔隙率的影響規(guī)律與對透水系數(shù)的影響基本一致，影響原因也大致相同。

2.2.4 保水性極差分析

保水性極差分析如表6所示。由表6可知，各因素對保水性的影響主次順序為：目標孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。各因素對保水性的影響趨勢為：1）保水性隨著目標孔隙率的增大而增大。這是因為隨著目標孔隙率的增大，透水混凝土中孔隙數(shù)量增多，同時連通的孔隙增多，使得透水混凝土大量吸水并保存水分，故保水性隨之增大。2）保水性隨著玻璃砂率的增大而減小。這是因為玻璃砂摻入后將填充于透水混凝土內(nèi)部，使部分有效透水孔變?yōu)榉忾]孔隙，使其保水性降低，但降低幅度較小，仍能保持良好的保水性。3）保水性隨著水膠比、粉煤灰摻量的增大略有降低，總體來說，對其影響較小。

2.2.5 降溫性極差分析

降溫性極差分析如表7所示。選取溫度變化較大的3個時間段進行分析，各因素的影響主次順序為：目標孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。各因素對降溫性的影響趨勢為：1）隨著目標孔隙率的增大，溫度呈遞減的趨勢。這是因為隨著孔隙率的增大，可保存更多的水分，使其溫度得以降低。2）隨著玻璃砂率的增大，溫度呈遞減的趨勢。這是因為玻璃集料摻量越大，其導(dǎo)熱系數(shù)越小，相應(yīng)的透水混凝土的溫度也相對較低[21]。因此可以使用玻璃砂材料對透水混凝土溫度進行有效控制，可有效地改善城市熱島效應(yīng)。3）水膠比、粉煤灰摻量等因素的改變對其降溫性影響較小。

2.3 方差分析

采用方差分析法對正交試驗結(jié)果進行分析，分析各因素對28 d抗壓強度、28 d透水系數(shù)的影響是否具有顯著性?？箟簭姸确讲罘治鋈绫?所示，透水系數(shù)方差分析如表9所示。

由表8可知，目標孔隙率、玻璃砂率、水膠比3個因素的F比在置信度為95%時均大于F臨界值9.28，對28 d抗壓強度具有顯著性影響。雖然粉煤灰摻量沒有達到顯著水平，但其偏差平方和大于誤差的偏差平方和，表明了其正交試驗結(jié)果的合理性。

由表9可知，目標孔隙率、玻璃砂率、水膠比、粉煤灰摻量4個因素的F比在置信度為95%時均大于F臨界值9.28，對28 d透水系數(shù)均有顯著性影響。

由表8、表9可知，顯著水平P值越小，因素對目標量的影響越大[22]。各因素對透水混凝土28 d抗壓強度和28 d透水系數(shù)的影響程度主次順序均為：目標孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量，與極差分析的結(jié)果一致。

2.4 綜合評價分析

為綜合考察透水混凝土的評價指標，采用功效系數(shù)法進行分析。功效系數(shù)法是將每組試驗試件的性能指標抗壓強度（fc）和透水系數(shù)（KT）與所有試驗組試件中的性能指標（fc， KT）的最大值相比得到抗壓強度功效系數(shù)（d1）和透水系數(shù)功效系數(shù)（d2），最后再將每組各指標的功效系數(shù)相乘并開2次方得到總功效系數(shù)，即為[d=d1×d2]，總功效系數(shù)值最大的組是此正交試驗綜合性能的優(yōu)化配合比[23]。因為抗壓強度和透水系數(shù)是衡量透水混凝土性能最重要的2個指標，故選取28 d抗壓強度、28 d透水系數(shù)的測試結(jié)果進行綜合評價分析，其分析結(jié)果如表10所示。

本研究的透水混凝土以應(yīng)用于公園、人行道等路面為目的，因此強度等級為C20。由表10可知，第13、14組總功效系數(shù)大于第8組，但因第13、14組的抗壓強度低于《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 135—2009）[17]規(guī)范要求，故第8組配合比A2B4C3D2滿足規(guī)范要求，其總功效系數(shù)最大值為0.670，該組試件的抗壓強度為20.59 MPa，透水系數(shù)為1.46 mm/s。綜合性能下最優(yōu)配合比為：目標孔隙率為15%，水膠比為0.32，玻璃砂率為10%，粉煤灰摻量為10%。使用功效系數(shù)法得出了兼顧抗壓強度和透水性能的最優(yōu)配合比，滿足了普通透水混凝土路面的需求，對實際工程的應(yīng)用可提供一定的參考。

3 結(jié)論

1）通過正交試驗分析得出，各因素對透水混凝土的力學性能及物理性能的影響程度大小均為：目標孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。廢玻璃摻量的增加對透水混凝土的性能有明顯的影響，抗壓強度先增大后減小，透水系數(shù)有下降的趨勢。

2）通過保水性與降溫性試驗分析得出，摻入廢玻璃后仍有較好的保水性能，且能利用玻璃導(dǎo)熱系數(shù)小的特點，對透水混凝土溫度進行有效控制，可有效地改善城市熱島效應(yīng)。

3）通過綜合評價分析，得出了兼顧抗壓強度和透水性能的透水混凝土最優(yōu)配合比為：目標孔隙率為15%，水膠比為0.32，玻璃砂率為10%，粉煤灰摻量為10%。其抗壓強度為20.59 MPa，透水系數(shù)為1.46 mm/s，各指標均滿足規(guī)范要求。

4）適量摻入玻璃砂可有效提升透水混凝土的力學性能，并保持良好的透水性能。不僅為透水混凝土提供了新的材料選擇，也為廢玻璃的回收利用提供新的方法，對今后海綿城市的建設(shè)和新型綠色建材的研究提供參考。

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Effects of different waste glass content on performance of

pervious concrete

LIN Shuli， LIANG Yi*， QIN Zhenlin， ZHOU Yuanfang， YANG Qingsong

（School of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： To explore the effect of waste glass mixed into pervious concrete on the performance of pervious concrete， orthogonal tests with different factor levels were designed with target porosity， water-binder ratio， glass sand rate and fly ash content as factors， and range analysis and variance analysis were carried out on the test results. The results show that the main and secondary factors affecting the performance of pervious concrete， such as compressive strength， permeability coefficient， effective porosity， water retention and cooling performance， are as follows： target porosity>glass sand ratio>water-binder ratio>fly ash content. Increasing the amount of waste glass has obvious effect on the performance of pervious concrete， the compressive strength increases first and then decreases， and the permeability coefficient decreases. Through comprehensive evaluation and analysis， the optimal mix ratio was selected as the target porosity of 15%， water-binder ratio of 0.32， glass sand rate of 10%， fly ash content of 10%， and all performance indexes meet the requirements of the specification and actual use. The appropriate amount of glass sand can effectively improve the mechanical properties and cooling performance of pervious concrete， and maintain a good water permeability， which provides a reference for improving the recycling efficiency of waste glass and alleviating the urban heat island effect.

Key words： pervious concrete; waste glass; orthogonal test; water retention; cooling performance; comprehensive analysis

（責編編輯：羅小芬）