再生骨料透水混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計

趙犇 譚燕

[摘 要]為提高再生骨料替代率，促進廢棄混凝土資源化利用，改善再生骨料透水混凝土強度和透水性能，對RAPC進行配合比優(yōu)化設(shè)計。通過對照實驗，結(jié)合強度和透水性能選取合適的骨料級配和硅灰摻量，初步獲得較優(yōu)的配合比后，對提升RAPC再生骨料替代率的可行性展開進一步的探討。結(jié)果表明：隨著再生骨料（10～15 mm）的占比增多，RAPC強度逐漸減弱，透水性能逐漸增強。當硅灰摻量為0～6%時，RAPC強度逐漸增強；當硅灰摻量為6%～12%時，強度逐漸減弱；當硅灰摻量為0～12%時，透水性能逐漸減弱。當水膠比為0.35、骨料級配（5～10 mm∶10～15 mm）為3∶2、硅灰摻量為6%、高效減水劑摻量為0.25%時，再生骨料替代率可提高到40%，此時RAPC抗壓強度和抗折強度分別為最大值28.9 MPa、3.9 MPa，平均透水系數(shù)和有效孔隙率分別為22.3 mm/s、3.1%，強度和透水性能優(yōu)良。

[關(guān)鍵詞]再生骨料透水混凝土；再生骨料替代率；骨料級配；硅灰摻量；高效減水劑

[中圖分類號]TU502.4 [文獻標識碼]A

普通混凝土路面存在與空氣濕熱交換差、滲水能力差以及排水困難等一系列問題^[1]。透水混凝土是一種綠色生態(tài)的多孔混凝土，具有高透水性、降噪性、透氣性等優(yōu)點，可有效緩解上述問題。據(jù)統(tǒng)計，我國建筑垃圾年產(chǎn)量可達15億～24億t，約占城市垃圾總量的40%^[2]。將建筑垃圾經(jīng)處理獲得再生骨料，不僅有效緩解天然骨料緊缺的問題，而且促進了廢棄資源的高效利用。再生骨料透水混凝土（Recycled aggregate permeable concrete，RAPC）是一種由再生骨料與透水混凝土相結(jié)合的環(huán)境友好型混凝土，在緩解城市排水系統(tǒng)壓力的同時，也實現(xiàn)了建筑垃圾的資源化利用，保護了城市生態(tài)環(huán)境^[3]。

姚明來等^[4]研究表明當水灰比為0.35時，RAPC綜合性能最優(yōu)。陳海等^[5]通過正交試驗發(fā)現(xiàn)骨料級配對透水混凝土透水系數(shù)影響最大，合適的骨料級配對其強度有促進作用。相關(guān)研究表明^[6-7]：硅灰能提高透水混凝土的抗壓強度，對滲透性能也有一定程度的改善。張衛(wèi)東^[8]等發(fā)現(xiàn)再生骨料替代率對RAPC的影響不容忽視，現(xiàn)有研究成果表明^[9-12]：為保證RAPC的強度和透水性能，再生骨料替代率不宜超過30%。

因此，為提高RAPC再生骨料替代率，促進廢棄資源循環(huán)利用，本文研究了骨料級配、硅灰摻量對RAPC的影響，探究了提高再生骨料替代率的可行性，對RAPC配合比進行優(yōu)化設(shè)計，為實際應(yīng)用中RAPC配合比設(shè)計提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥，用水為武漢市生活用水，選用聚羧酸減水劑為外加劑，硅灰為礦物摻和料，天然骨料為武漢地區(qū)碎石，再生骨料由廢棄混凝土破碎所得，分別篩選出粒徑為5～10 mm、10～15 mm的天然骨料和再生骨料，篩選完成后如圖1、圖2所示。

1.2 配合比設(shè)計

本文擬采用體積法進行配合比設(shè)計，以水灰比0.35、單級配再生骨料5～10 mm、硅灰摻量0%、再生骨料替代率100%為對照組，RAPC配合比設(shè)計如表1、表2所示。

1.3 試件成型與養(yǎng)護

試驗采用HJW60型單臥軸式混凝土攪拌機，使用凈漿裹石法拌合，先將50%的水和骨料加入攪拌機中攪拌60 s，然后倒入剩余50%的水和減水劑，繼續(xù)攪拌60 s，不同的成型方式對透水混凝土的性能影響較大^[13]，本試驗使用振壓成型法，透水混凝土的強度隨壓實時間的增加呈上升趨勢，壓實時間控制在30～120 s之間^[14]。試件成型1 d后拆模，然后置于標準養(yǎng)護箱（溫度20±2℃，濕度95%以上）養(yǎng)護28 d。

1.4 試驗方法

將養(yǎng)護28 d的100 mm×100 mm ×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm RAPC試件采用微機伺服抗折抗壓試驗機分別測試其抗壓強度和抗折強度，每組有三個RAPC試件，測試結(jié)果取算術(shù)平均值。

有效孔隙率按式1計算，透水系數(shù)通過自制透水裝置采用定水頭法進行測試（式2），透水裝置如圖3所示，測量結(jié)果取三次計算的平均值。

式中P_e為有效孔隙率，%；m₂為浸水后烘干至恒重的試件質(zhì)量，g；m₁為完全浸水狀態(tài)下試件的質(zhì)量，g；ρ為水的密度，g/cm³；V為試件體積，cm³。

式中：K為透水系數(shù)，mm/s；V為單位時間內(nèi)的透水量，mm³；L為試件的高度，mm；A為試件的上表面積，mm²；h為透水儀器的水頭差，mm；t為透水時間，s。

2 結(jié)果與討論

2.1 強度分析

不同骨料級配下RAPC試件的強度值如圖4所示，當再生骨料粒徑全部為5～10 mm時，抗壓強度和抗折強度分別為最大值18.83 MPa、2.29 MPa；當骨料級配（5～10 mm∶10～15mm）為1∶2時，抗壓強度和抗折強度分別為最小值12.88 MPa、1.73 MPa。隨著再生骨料（10～15 mm）的占比不斷增多，抗壓強度逐漸降低，RAPC試件抗壓強度依次降低了12.16%、7.07%、6.90%、6.15%、4.10%；抗折強度依次降低了7.86%、2.84%、5.85%、9.33%、1.14%。其主要原因是隨著再生骨料（10～15 mm）的占比不斷增多，RAPC骨料間的咬合點和有效接觸面減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的摩擦力和機械咬合力降低，內(nèi)部骨料間粘聚力下降，水泥漿體在骨料界面處產(chǎn)生固結(jié)效應(yīng)造成不利影響，使得RAPC強度降低^[10]。

不同硅灰摻量下RAPC試件強度值如圖5所示，隨著硅灰摻量的增加，RAPC試件強度呈先增大后減小的趨勢，當硅灰摻量為0～6%時，抗壓強度依次提高了12.75%、11.4%，抗折強度依次提高了9.61%、14.34%；當硅灰摻量為6%時，抗壓強度和抗折強度分別為最大值23.65 MPa、2.87 MPa 。當硅灰摻量為6%～12%時，抗壓強度依次降低了15.39%、12.29%，抗折強度依次降低了15.68%、4.96%。結(jié)果表明：合適的硅灰摻量可以有效地提高RAPC的強度，這是因為硅灰是一種高活性物質(zhì)，在RAPC中摻入硅灰，會產(chǎn)生極強的火山灰效應(yīng)，形成像水化硅酸鈣的膠凝產(chǎn)物，水泥漿體的粘結(jié)強度得到了提高。硅灰的細度和比表面積比水泥顆粒要高兩個數(shù)量級，能夠有效填充水泥顆粒之間的孔隙，改善RAPC孔結(jié)構(gòu)，減小有害孔的數(shù)量，降低總孔隙率，提高致密度，從而提高強度^[6]。

2.2 透水性能分析

不同骨料級配下RAPC試件有效孔隙率和平均透水系數(shù)如圖6所示，當再生骨料粒徑全部為5～10 mm時，RAPC試件有效孔隙率和平均透水系數(shù)分別為最小值18.62%、2.56 mm/s；當骨料級配（5～10 mm∶10～15 mm）為1∶2時，有效孔隙率和平均透水系數(shù)分別為最大值22.64%、3.34 mm/s。隨著再生骨料（10～15 mm）的占比不斷增多，RAPC試件有效孔隙率和平均透水系數(shù)逐漸升高，有效孔隙率分別提高了3.17%、7.03%、2.09%、2.14%、5.60%，平均透水系數(shù)分別提高了7.03%、4.74%、4.88%、3.65%、7.05%。這是因為隨著再生骨料（10～15 mm）的占比增多，RAPC內(nèi)部孔隙增多，透水量和透水速率增大^[15]，有效孔隙率和平均透水系數(shù)逐漸上升，透水性能逐漸增強，當再生骨料級配為雙粒級時，孔隙率更高，孔徑更大，RAPC透水性能有著不同程度的提升。

不同硅灰摻量下RAPC試件有效孔隙率和平均透水系數(shù)如圖7所示，當硅灰摻量為0時，RAPC試件有效孔隙率和平均透水系數(shù)分別為最大值18.62%、 2.56 mm/s；當硅灰摻量為12%時，有效孔隙率和平均透水系數(shù)分別為最小值16.71%、1.51 mm/s。隨著硅灰摻量逐漸增加，有效孔隙率和平均透水系數(shù)逐漸降低，當硅灰摻量為0～12%時，有效孔隙率分別降低了2.04%、2.19%、3.31%、3.13%，平均透水系數(shù)分別降低了9.77%、3.90%、19.37%、15.64%。這是因為硅灰體積大約是水泥的1/100，隨著硅灰摻量的增加，硅灰表面吸附更多的拌合水發(fā)生火山灰效應(yīng)，硅灰摻量過高會影響透水混凝土中水泥礦物的水化程度，水泥顆粒容易產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，從而影響透水混凝土的滲透性能^[6]。但是有效孔隙率和平均透水系數(shù)最大值與最小值分別僅差1.91%、1.05 mm/s，由此表明，雖然隨著硅灰摻量的增多，RAPC透水性能有一定的減弱，但是影響不大。

2.3 強度與透水性能綜合分析

透水系數(shù)和抗壓強度是RAPC兩個重要的物理指標，因此研究這兩個因素間的關(guān)系非常重要^[16]。相關(guān)研究表明^[17-19]，隨著RAPC孔隙率的增大，透水系數(shù)也逐漸增大，但抗壓強度隨之減小。

在骨料級配的影響下，RAPC試件平均透水系數(shù)和抗壓強度隨有效孔隙率變化關(guān)系如圖8所示，隨著再生骨料（10～15 mm）占比的增多，平均透水系數(shù)隨有效孔隙率的增大而增大，兩者對應(yīng)關(guān)系呈正相關(guān)，而抗壓強度隨有效孔隙率的增大逐漸降低，兩者對應(yīng)關(guān)系呈負相關(guān)。在硅灰的影響下，RAPC試件平均透水系數(shù)和抗壓強度隨有效孔隙率變化關(guān)系如圖9所示，當硅灰摻量為0～12%時，隨著硅灰摻量的增加，平均透水系數(shù)隨有效孔隙率的增大而增大，兩者對應(yīng)關(guān)系呈正相關(guān)；當硅灰摻量為0～6%時，抗壓強度隨有效孔隙率的降低逐漸增強，兩者對應(yīng)關(guān)系呈負相關(guān)；當硅灰摻量為6%～12%時，抗壓強度隨有效孔隙率的降低逐漸減弱，兩者對應(yīng)關(guān)系呈正相關(guān)。

由此表明，RAPC有效孔隙率與平均透水系數(shù)對應(yīng)關(guān)系大致呈正相關(guān)，但是抗壓強度隨有效孔隙率的變化卻不盡相同，并不是單純的單調(diào)遞增或遞減，它是隨著影響因素和摻量的不同而有著相應(yīng)變化，說明RAPC強度和透水性能并不是一對完全矛盾的性能，合適的配合比可以提高強度和透水性能。如圖8、圖9所示，選取骨料級配（5～10 mm∶10～15 mm）為3∶2、硅灰摻量6%，RAPC強度和透水性能較為優(yōu)良。

2.4 配合比優(yōu)化

目前所研究的RAPC再生骨料替代率大多不超過30%，對于建筑垃圾資源再利用效果不夠突出，因此，探究提高再生骨料替代率可行性十分必要。該試驗以前面試驗為基礎(chǔ)，首先以水膠比0.35、骨料級配（5～10 mm∶10～15 mm）3∶2、硅灰摻量6%為基準，設(shè)定高效減水劑摻量為0.2%、0.25%、0.3%，通過試驗確定最佳高效減水劑摻量來優(yōu)化RAPC性能，然后改變再生骨料替代率，分析RAPC強度和透水性能的變化規(guī)律，探究提高再生骨料替代率的可行性，優(yōu)化配合比設(shè)計，試驗的配合比設(shè)計如表3所示。確定高效減水劑的摻量是為了配合硅灰提高RAPC的強度指標，因此測得抗壓強度和抗折強度即可，結(jié)果如圖10所示。

隨著高效減水劑摻量的增加，RAPC試件的抗壓強度呈先升高后降低的趨勢，抗折強度逐漸減小，但降幅不大，因此確定高效減水劑摻量為0.25%（1.27 kg/m³）時，RAPC強度最佳。不同再生骨料替代率下的RAPC配合比如表4所示。

RAPC試件抗壓強度和抗折強度如圖11所示，隨著再生骨料替代率的提升，RAPC試件強度呈先升高后降低趨勢，當再生骨料替代率為30%～40%時，強度逐漸升高，抗壓強度提高了9.06%，抗折強度提高了2.63%；當再生骨料替代率為40%時，抗壓強度和抗折強度分別為最大值28.9 MPa、3.9 MPa；當再生骨料替代率為40%～60%時，抗壓強度依次降低了10.73%、7.21%，抗折強度依次降低了5.13%、8.11%。通常情況下，當再生骨料替代率超過30%時，隨著再生骨料替代率的提升，骨料之間的接觸點和膠結(jié)面逐漸減少，RAPC強度逐漸減弱，但試驗表明，當再生骨料替代率為40%時，RAPC試件強度不但沒有下降，反而有了一定程度的提升。這是因為試驗之初就將水灰比、骨料級配、硅灰摻量設(shè)定為較優(yōu)配合比，在一定程度上已經(jīng)提升了強度，其次由于硅灰和高效減水劑的共同作用，生成許多膠凝產(chǎn)物，這些膠凝產(chǎn)物填充了部分孔隙，水泥漿體的粘結(jié)力得到了提升，強度又得到進一步的提升。

有效孔隙率和平均透水系數(shù)如圖12所示，當再生骨料替代率為30%～60%時，隨著再生骨料替代率的提高，RAPC試件有效孔隙率和平均透水系數(shù)逐漸降低，有效孔隙率分別降低了1.28%、0.9%、1.13%，降幅不大，平均透水系數(shù)分別降低了3.13%、3.55%、9.03%；當再生骨料替代率為30%時，有效孔隙率和平均透水系數(shù)分別為最大值22.59%、3.2 mm/s；當再生骨料替代率為60%時，有效孔隙率和平均透水系數(shù)分別為最小值21.85%、2.72 mm/s。有效孔隙率和平均透水系數(shù)最大值與最小值分別僅相差0.74%、0.48 mm/s，差距不大，且當再生骨料替代率為30%～60%時，有效孔隙率和平均透水系數(shù)均遠大于規(guī)范要求的10%、0.5 mm/s，說明在此配合比下透水性能優(yōu)異。

平均透水系數(shù)和抗壓強度隨有效孔隙率變化關(guān)系如圖13所示，當再生骨料替代率為30%～60%時，平均透水系數(shù)隨有效孔隙率的升高逐漸增大，兩者對應(yīng)關(guān)系呈正相關(guān)；當再生骨料替代率為30%～40%時，抗壓強度隨有效孔隙率的降低而逐漸增大，兩者對應(yīng)關(guān)系呈負相關(guān)；當再生骨料替代率為40%～60%時，抗壓強度隨有效孔隙率的降低而逐漸減弱，兩者對應(yīng)關(guān)系呈正相關(guān)。由此可得，在水膠比為0.35、骨料級配（5～10 mm∶10～15 mm）為3∶2、硅灰摻量為6%、高效減水劑摻量為0.25%的配合比下，再生骨料替代率可提升到40%，此時RAPC試件強度最佳且透水性能優(yōu)越，說明此配合比對提高再生骨料替代率可行。

3 結(jié)論

1）隨著再生骨料（10～15 mm）的占比增多，RAPC強度逐漸減弱，透水性能逐漸增強。當硅灰摻量為0%～6%時，RAPC強度逐漸增強；當硅灰摻量為6%～12%時，強度逐漸減弱；當硅灰摻量為0%～12%時，透水性能逐漸減弱。

2）RAPC有效孔隙率與平均透水系數(shù)對應(yīng)關(guān)系大致呈正相關(guān)，而抗壓強度隨有效孔隙率的變化，與其他影響因素和摻量的不同有關(guān)。

3）當水膠比為0.35、骨料級配（5～10 mm∶10～15 mm）為3∶2、硅灰摻量為6%、高效減水劑摻量為0.25%時，RAPC再生骨料替代率可提高到40%，此時強度最大且透水性能優(yōu)越，同時提高了廢棄混凝土的利用率，促進了資源的可持續(xù)發(fā)展。

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Optimal Design of Recycled Aggregate

Permeable Concrete Mix Proportion

ZHAO Ben，TAN Yan

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract：In order to increase the replacement rate of recycled aggregates， promote the resource utilization of waste concrete， and improve the strength and water permeability of recycled aggregate permeable concrete （RAPC）， the mix ratio optimization design of RAPC is carried out. First， through a control experiment， the appropriate aggregate gradation and silica fume content were selected for the combination of strength and water permeability， and after a better mix ratio was initially obtained， the feasibility of increasing the replacement rate of RAPC recycled aggregate was further explored. The results show that as the proportion of recycled aggregate （10 mm～15 mm） increases， the strength of RAPC gradually weakens and the water permeability gradually increases. When the content of silica fume is 0% to 6%， the strength of RAPC gradually increases; when the content of silica fume is 6% to 12%， the strength gradually weakens; when the content of silica fume is 0% to 12%， the water permeability gradually weakened. When the water-binder ratio is 0.35， the aggregate gradation （5 mm～10 mm∶10 mm～15 mm） is 3∶2， the content of silica fume is 6%， and the content of superplasticizer is 0.25%; The material replacement rate of the regenerated bone can be increased to 40%. At this time， the RAPC compressive strength and flexural strength are the maximum values of 28.9 MPa and 3.9 MPa， respectively， and the average water permeability and effective porosity are 22.3 mm/s and 3.1%， respectively. Strength and water permeability excellent.

Keywords：recycled aggregate water-permeable concrete; recycled aggregate replacement rate; aggregate gradation; silica fume content; superplasticizer

[責(zé)任編校：裴 琴]