基于骨架-空隙理論的再生透水混凝土級配設計方法

王曉龍，闞濤，張旭，張愛勤

(山東交通學院山東省高校路面結構與材料重點實驗室，山東濟南 250357)

基于骨架-空隙理論的再生透水混凝土級配設計方法

王曉龍，闞濤，張旭，張愛勤

(山東交通學院山東省高校路面結構與材料重點實驗室，山東濟南 250357)

將試算法與貝雷法相結合，提出一種適用于再生透水混凝土的再生骨料骨架-空隙級配設計方法。選取3個級配組配方案，先用試算法對再生粗骨料進行初步分檔組配，再以貝雷法進行骨架效應驗算分析。結果表明：礦質混合料中細檔料與粗檔料質量比為0.7～1.0時，再生透水混凝土中再生骨料級配易形成骨架，且骨架結構穩定；m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=64:36～80:20，可使再生骨料透水混凝土獲得最優的級配范圍。

骨架-空隙級配；試算法；貝雷法；聯合設計；再生透水混凝土

隨著城市化發展與混凝土結構設計壽命要求，廢舊混凝土結構物拆除數量逐漸增多，產生大量建筑垃圾且呈增長趨勢[1-2]，造成嚴重的環境污染。因此建筑垃圾再生循環利用的研究應運而生，再生骨料的生產與再生混凝土的研究應用備受關注[3-7]。當前，再生骨料混凝土的研究主要集中在配合比設計方法、力學性能、透水性能及耐久性能等方面[8-12]，而對再生骨料的生產、性能與組配等方面研究尚少。本文主要對建筑垃圾再生骨料的級配設計方法進行研究，借鑒瀝青混合料級配設計中常用的方法，將試算法與貝雷法相結合，提出再生骨料骨架-空隙級配設計方法，分析再生骨料骨架級配設計范圍與優配再生骨料透水混凝土之間的定量關系，為再生透水混凝土中再生粗骨料骨架-空隙級配設計提供參考。

1 再生骨料骨架-空隙級配設計范圍

1.1 骨料級配設計方法

礦質混合料級配組成設計的任務是確定級配混合料各種骨料用量的配合比，其組成設計方法有多種，其中圖解法和數解法具有設計簡單、實用性強的優點，故在礦質混合料的組成設計中較多采用[13]，國內外學者也多以這兩類方法為基礎進行電算優化[14]。但圖解法和數解法在設計過程中均未體現粗骨料骨架形成問題，無法對混合料中的骨架作用進行評價。

貝雷法是由美國工程師Robert Bailey發明的一種由粒子干涉理論發展而來的級配組成設計方法，在瀝青混合料的礦料級配設計中得到較廣泛應用[15-17]。貝雷法的核心思想是以粗骨料的骨架作為混合料的承載主體，通過調整各級骨料的比例，獲得合適的礦料間隙率[18-20]。在貝雷法中，粗、細骨料的定義不同于傳統以4.75 mm篩孔為界限的劃分方法，粗、細骨料的分界點隨著最大粒徑的不同而變化，并以該分界點作為第一控制篩孔。這種方法考慮了骨料形態、尺寸對礦質混合料空隙及礦料間接觸的影響，是一種良好的骨架-空隙級配組成分析方法[21]，該設計思想可用于再生透水混凝土的級配設計。

1.2 骨架設計原則及其級配設計范圍

對于透水混凝土再生骨料的級配范圍，國內外尚缺乏相應的參考文獻。由于水泥混凝土與瀝青混合料的礦料組成結構相似，因此，研究中借鑒瀝青混合料骨架-空隙結構的級配設計原則對再生透水混凝土進行級配設計。ATPB-25排水式瀝青穩定碎石為骨架-空隙結構，其級配設計范圍見表1。再生透水混凝土再生骨料級配設計范圍參照ATPB-25級配范圍選用。

表1 ATPB-25瀝青穩定排水基層級配范圍

2 再生骨料骨架-空隙級配聯合設計法

再生透水混凝土再生骨料級配設計中，先利用試算法對再生粗骨料進行初步分檔與組配，再運用貝雷法對級配進行骨架效應驗算與分析。采用貝雷法與試算法聯合設計，既能夠發揮試算法簡便實用的特點，又可以引入骨架-空隙作用設計參數進行驗證，切合實際。

2.1 再生粗骨料級配

研究采用的再生粗骨料以拆除近代混凝土結構建筑物為主，為工廠化集中生產，出廠產品分為10～25、5～10 mm兩種規格。由于采用特殊的加工工藝，再生粗骨料以拳形為主，表面渾圓，無針片狀顆粒。兩種再生粗骨料的篩分試驗結果見表2。

2.2 試算法進行再生粗骨料分檔組配

表2 再生粗骨料篩分試驗結果

表3 再生粗骨料組配方案的配合比

參照瀝青混合料級配組配方法，分別以表1 ATPB-25級配范圍的上限、中值和下限為基準提出骨架-空隙結構再生骨料的3個級配設計方案，采用試算法組成設計，對再生粗骨料進行初步分檔組配。分析表2篩分結果，5～10 mm再生粗骨料在級配組配中具有明顯優勢的粒徑為4.75 mm，其分計篩余比例a4.75=91.4%，而再生粗骨料10～25 mm則不存在特征優勢粒徑。計算3個級配設計方案中4.75 mm粒徑的分計篩余比例a4.75上限=67%、a4.75中值=41.5%、a4.75下限=16%，以級配中值設計方案為例，假設混合料中4.75 mm粒徑全部由5～10 mm再生粗骨料提供，忽略10～25 mm再生粗骨料中該粒徑的比例，則5～10 mm再生粗骨料在混合料中的用量比例為45%，10～25 mm再生粗骨料在混合料中的用量比例為55%。同理，可計算ATPB-25級配范圍上限、下限設計方案的再生骨料配合比。3個方案的設計結果見表3。

經校核，表3中3個方案的級配設計結果均滿足ATPB-25的級配要求，其合成級配曲線、中值曲線及級配范圍見圖1～3。

2.3 貝雷法對再生骨料骨架-空隙結構驗證分析

第一控制篩孔的通過率PPCS和礦質混合料中細檔料與粗檔料質量比rCA是貝雷法進行骨架設計的關

鍵參數。PPCS是混合料中粗、細部分粒徑的分界點，計算式為：

PPCS=0.22SNMP，

式中SNMP為最大公稱粒徑。

圖1 組配方案1級配曲線 圖2 組配方案2級配曲線

圖3 組配方案3級配曲線

rCA適用于評價礦料中粗骨料的嵌擠與填充狀況，計算式為：

式中PD/2為D/2篩孔 (D為最大粒徑)的通過率。

研究認為，rCA=0.7～1.0時，D/2～DPCS(DPCS為第一控制篩孔的孔徑)與D/2～D的粗骨料用量相對均衡，粗骨料易形成骨架[22]，且骨架結構穩定，骨架作用效應明顯[23]。

采用貝雷法對3個組配方案確定的配合比進行骨架效應驗算。按照表3，從較細粗骨料占主導作用的方案1級配范圍上限配合比開始，以10～25 mm再生粗骨料組配比例依次遞增1%的方法驗算，直至方案3級配范圍下限配合比。以3個級配設計方案為基準，將典型的計算結果列于表4。

表4 PPCS、rCA驗算結果

分析表4知，隨著粗檔料比例的提高，PD/2、PPCS及rCA呈下降趨勢。當m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=27:73～63:37時，rCA>1.0，說明粗骨料中相對較細部分比例大于相對較粗部分，此時較細粗骨料為控制骨架結構篩孔，而大粒徑骨料懸浮結構中，粗骨料骨架作用效果降低[22]，此時配合比范圍不理想。當m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=64:36～80:20時，rCA=0.7～1.0，說明較細粗骨料等于或稍小于較粗粗骨料用量，該配合比范圍的粗骨料易形成骨架，可作為再生透水混凝土骨料設計的最優配合比，并通過混凝土設計可獲得一定的孔隙率。當m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=81:19～82:18時，rCA<0.7，較細粗骨料用量小于較粗粗骨料，后者對骨架起主導作用，混凝土結構可形成較大孔隙，但拌和易離析，此配合比范圍比較敏感，在級配設計時慎用。

3 再生透水混凝土級配應用

采用試算法與貝雷法相結合的級配聯合設計法對再生透水混凝土進行級配設計，確定再生骨料骨架-空隙結構的合適配合比為m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料) =64:36～80:20，因此并非ATPB-25級配范圍均可作為再生透水混凝土級配設計依據，即位于ATPB-25級配范圍中值與下限級配之間一個較窄的級配范圍才能作為最優推薦范圍。以此推算出再生骨料透水混凝土級配設計適用的級配范圍見表5。

表5 再生骨料透水混凝土的設計級配范圍

分別選擇上述骨架-空隙結構再生粗骨料配合比的級配上限、中值及下限，配制相同配合比條件下的C20再生骨料透水混凝土。再生粗骨料以中值比例m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=70:30為基準，采用等體積取代法確定選取級配上限及下限時再生粗骨料的單位用量，以飽和面干質量計。制作標準立方體試件，標準養護28 d進行抗壓強度及空隙率試驗；采用成型直徑為150 mm，高徑比均為1:1的圓柱體試件，標準條件下養護28 d，測定其滲透系數。再生骨料透水混凝土的級配、配合比及主要性能指標試驗結果見表6。分析表6知，再生骨料透水混凝土的級配選取上限、中值及下限，即rCA分別為0.7、0.9及1.0時，28 d抗壓強度均滿足設計強度等級要求，且實測空隙率及滲透系數較大，穩定性良好。表明再生骨料透水混凝土透水效果良好，骨架作用明顯。

表6 再生骨料透水混凝土28 d抗壓強度、實測空隙率及滲透系數試驗結果

4 結論

1)借鑒ATPB-25排水式瀝青穩定碎石級配范圍，采用試算法與貝雷法相結合的骨架-空隙級配聯合設計法對再生骨料透水混凝土進行級配設計，方法可靠。

2)當rCA=0.7～1.0時，再生透水混凝土中再生骨料級配易形成骨架且結構穩定。

3)組配再生透水混凝土的再生骨料最優配合比范圍為m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=64:36～80:20。

4)ATPB-25級配范圍不能完全適用再生透水混凝土，只有位于其級配范圍中值與下限之間的一個較窄范圍才能作為最優推薦級配范圍。

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(責任編輯：郎偉鋒)

Gradation Design Method of Recycled Pervious Concrete Based on Skeleton-Void Theory

WANGXiaolong,KANTao,ZHANGXu,ZHANGAiqin

(KeyLaboratoryofPavementStructureandMaterialinUniversitiesofShandongProvince,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

Based on the trial calculation and Bailey method, this paper discusses the skeleton-void grading design method about the gradation design of recycled pervious concrete, among which three grading schemes are selected. The recycled coarse aggregates are preliminarily classified for the collocation with trial method,checking and analysis of the skeleton effect is conducted by the Bailey method. The results show that the CA ratio is 1.0～0.7, the recycled aggregate gradation of recycled concrete is easy to form the skeleton, and the skeleton structure is stable. The recycled aggregate ratiom(10～25 mm):m(5～10 mm)=64:36～80:20 is obtained as the optimal gradation range of recycled pervious concrete for guiding skeleton-void structure gradation design.

skeleton-void gradation; trial method; Bailey method; co-design; recycled pervious concrete

2016-12-18

王曉龍(1989—)，男，濟南人，碩士研究生，主要研究方向為道路工程材料，E-mail: 530280161@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.008

U414.18

A

1672-0032(2017)01-0046-06