再生集料制備多孔滲水混凝土材料試驗研究

韋 瑩，黃世源，龐 彪，覃宏海

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著城市建設的不斷推進，構建雨水利用型“海綿城市”，已經成為新一代城市建設和發展的目標。“海綿城市”的建設，要求道路建筑材料擁有優秀的滲水、抗壓、耐磨、防滑及環保美觀、舒適易維護和吸音減噪等特點。傳統道路路面鋪裝材料的不透水特性，造成降水難滲透，城市排水系統壓力大，已經不能適應海綿城市的發展要求。正是在這樣的背景下，多孔混凝土路面材料應運而生，它具有可以補充和保護地下水位的優點，而且可以緩解城市熱島效應。國外對于多孔混凝土的應用研究較早，在城市的體育操場、人行道、公園路面等得到廣泛應用。對于此領域的研究，國內起步較晚，在實際應用研究中，研究的重點仍然是制備多孔混凝土材料的原材料來源及透水性能、抗壓強度等物理性能。

而另一方面，在進行道路改擴建、舊城改造等城市化進程中，產生了大量的廢舊混凝土等固體廢棄物。若以隨意丟棄的傳統方式處理固體廢棄物，既造成環境污染，又造成資源浪費，引發嚴重的社會環境問題。加快廢舊水泥混凝土再生利用的研究，對其進行加工制備多孔混凝土材料，重新應用于新城市建設和發展中，尤其顯得意義非凡。

本研究依托廣西柳州至南寧高速公路（簡稱“柳南高速”）改擴建工程，結合已有的研究基礎，將廢舊混凝土再生集料化，然后用于制備多孔混凝土材料，并進行相關物理性質、力學性能測試和評價。

1 廢舊水泥混凝土再生集料的性能

1.1 再生集料的破碎生產加工工藝

柳南高速改擴建工程中，水泥混凝土路面被鑿巖機砸碎后，再采用炮擊破碎并剔除鋼筋，最后將混凝土破板（塊）裝車，運送至固定破碎點，采用顎式破碎機等組合式固定破碎生產設備進行集料的生產、加工，具體工藝流程見圖1。

圖1 再生集料加工流程圖

加工機械采用的PE500＊700鄂式破碎機，分設三道篩孔，分別為4.75mm、9.5mm、31.5mm，采用2次破碎。廢舊混凝土板（塊）經破碎機2次破碎后，再生集料的粒徑均已控制在31.5mm以內；然后經振動給料機，進入篩孔尺寸分別為31.5mm、9.5mm、4.75mm的三層篩分斗，碎石過篩后形成三級級配，即：0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～31.5mm，分別進入1＃、2＃和3＃料斗倉堆放。

1.2 再生粗集料的物理力學性能

試驗根據《公路工程集料試驗規程》（JTG E42－2005）相關測試方法，測定了4.75～9.5mm，9.5～31.5mm再生粗集料的表觀密度（視密度）、含水率、吸水率和針片狀等主要物理性能指標，結果如表1所示。在本組試驗中，對于再生集料針片狀的技術指標要求，采用的是《公路路面基層施工技術細則》（JTG／T F20－2015）中表3.6.1高速公路及一級公路重型交通Ⅰ類技術要求，但對于再生粗集料的表觀密度、吸水率及含泥量，試驗則采用《公路水泥混凝土路面施工技術細則》（JTGT F30－2014）表3.3.2再生粗集料質量中Ⅱ級技術要求。這是由于我國現行《公路路面基層施工技術細則》（JTG／T F20－2015）只對粗集料的針片狀顆粒含量作出規定，其余物理性能均無具體要求。

表1 再生粗集料物理性能試驗結果表

試驗結果表明，不同粒徑（4.75～9.5mm、9.5～31.5mm）的再生粗集料物理性能試驗結果，均能滿足上述規范指標要求。但是，與天然粗集料相比，再生集料表觀密度比天然集料的小，吸水率明顯偏大，達到6～7倍，含泥量偏大，針片狀含量明顯偏大，達到2倍左右。造成這些現象的原因是，舊水泥砂漿裹覆了大部分的再生粗集料碎石，且開口空隙較多，因此再生集料空隙率較大，表觀密度偏小。此外，在再生粗集料中，表面裹覆舊水泥砂漿的碎石所占比例最大，且空隙率大，故而吸水率偏大。在實際施工中使用再生粗集料鋪筑水泥穩定碎石基層時，含水量和水泥用量需要提高。同時，裹覆在再生集料的水泥石，使集料表面更粗糙、棱角更多，而且這種碎石占比大，因而再生粗集料的針片狀含量高于天然集料。

壓碎值、磨耗值、軟石含量是粗集料的力學性能主要指標。試驗分別采用《公路工程集料試驗規程》（JTG E42－2005）T 0316－2005、T 0317－2005的壓碎值試驗方法和洛杉磯法測定再生集料的壓碎值及磨耗損失率，試驗結果如表2所示。采用《公路工程集料試驗規程》（JTG E42－2005）粗集料軟弱顆粒試驗方法，測定4.75～9.5mm、9.5～31.5mm粒徑再生集料的軟石含量，試驗結果如表3所示。試驗對于再生集料磨耗損失率，則采用《公路水泥混凝土路面施工技術細則》（JTGTF30－2014）表3.3.2，對再生粗集料的磨耗損失率提出技術指標要求。這是因為我國《公路路面基層施工技術規范》（JTJ 034－2000）等規范中，只對集料的壓碎值提出指標要求。

表2 再生粗集料壓碎值、磨耗損失試驗結果表

表3 再生粗集料軟石含量試驗結果表

試驗結果表明，再生粗集料壓碎值、磨耗損失較大，但是其壓碎值能滿足規范中對底基層的要求，其磨耗損失亦滿足規范要求。與天然粗集料壓碎值相比，再生集料壓碎值是其2倍左右，存在兩方面的影響因素：（1）再生集料的棱角較多，且集料中有較多的碎石表面粘附著水泥砂漿；（2）對舊混凝土進行破碎加工的過程中，部分碎石由于二次破碎而出現裂紋。因此，在受外力作用下，裹覆的砂漿破碎，碎石裂縫擴展、破裂，共同造成了再生集料的強度降低。

軟石含量實驗結果表明，再生集料軟石含量明顯高于規范要求，達2～3倍左右。舊水泥混凝土破碎過程中，水泥漿體強度小，易壓碎，因而破碎的小粒徑再生集料中含水泥漿的比例更大。同時，這類碎石的吸水率較高，在實際使用中可能會增加用水量，降低材料的實際強度和水穩定性，因此，需對再生集料的軟石含量進行嚴格控制。

2 再生集料制備多孔滲水混凝土

2.1 實驗原材料及制備方法

實驗原材料包括海螺牌P.O42.5硅酸鹽水泥（具體成分見表4），粒徑4.75～9.5mm的再生粗集料等。多孔混凝土相關性能受粗骨料的影響，在實驗中，同時選用5～10mm的單粒徑石灰石天然骨料制備多孔滲水混凝土，作為參照對比。再生集料與天然集料技術指標如表5所示。

表4 P.O42.5水泥成分表

表5 再生集料與天然集料技術指標表

實驗結合目前的混凝土制備方法，采取一次加料法制備多孔混凝土材料。首先對水泥與集料進行攪拌，時間約60s，攪拌均勻后，加入水，再繼續攪拌，時間約120s。攪拌結束后，將混合料澆注到提前準備好的模具中。

2.2 試驗配合比確定及設計

本實驗根據水泥漿體的體積計算公式（1），代入水灰比W／C的值，采用體積法對材料用量進行計算。水灰比的取值在0.2～0.45之間，設計流程如圖2所示。

3 再生集料多孔混凝土的力學性能分析

3.1 水灰比對多孔混凝土抗壓強度的影響

水灰比是影響混凝土性能的重要參數，混凝土的實際強度和內部孔隙結構受水灰比的影響。因此，實驗設計了三個目標空隙率，分別為15%、20%和25%，水灰比介于0.2～0.45之間，以此利用再生集料制備多孔混凝土，并對其進行了抗壓強度試驗。不同目標空隙率的多孔混凝土抗壓試驗結果如圖3所示。

圖2 配合比實驗具體流程圖

圖3 水灰比與抗壓強度的關系示意圖

試驗結果表明，當水灰比＜0.3時，不同目標空隙率的混凝土材料的抗壓強度隨著水灰比的增大而增大；當水灰比＞0.3時，不同目標空隙率的混凝土材料的抗壓強度隨水灰比的增大呈下降趨勢。對各曲線進行擬合發現，當水灰比在0.28～0.3的范圍內時，各混凝土材料的抗壓強度最大。

圖4 再生粗集料與天然粗集料制備目標空隙率為20%的多孔混凝土抗壓強度比較示意圖

為了進行對比，實驗中采用天然粗集料制備了目標空隙率為20%的混凝土材料，并進行了抗壓強度測試，如圖4所示。天然集料制備的混凝土，其抗壓強度在水灰比為0.26時達到最大，再生粗集料制備混凝土材料強度最大值出現在水灰比為0.28～0.3之間。相關研究指出，適當增大再生集料制備混凝土時的用水量，有利于凝固過程中水化作用的發生，可有效提高強度。同時，通過對比發現，當水灰比＜0.29或＞0.32時，天然粗集料制備的混凝土材料抗拉強度更大。但是，通過對比不同集料制備的混凝土的最大抗壓強度，再生集料制備的混凝土最大抗壓強度為21.1 MPa，天然集料制備的混凝土最大抗壓強度為23.2 MPa，兩者之間的差值較小，說明了再生集料用于制備多孔滲水混凝土，可通過調整水灰比提供良好的強度。

3.2 空隙率對多孔混凝土強度的影響

為了研究再生集料混凝土的空隙率與強度的關系，實驗以12%、15%、18%、20%、25%作為目標空隙率，分別采用再生集料與天然集料制備不同目標空隙率的多孔混凝土試件，并測試了它們的28d抗壓強度，試驗結果如圖5所示。

圖5 有效空隙率與抗壓強度變化關系示意圖

試驗結果表明，空隙率和抗壓強度呈負相關。隨著空隙率的增大，混凝土材料的抗壓強度不斷下降。通過對比兩者的變化曲線發現，不同目標空隙率下的再生粗集料制備的混凝土材料強度都要比天然集料的小。但是，當空隙率＜18%時，兩者的抗壓強度相差較小；當空隙率＞18%時，兩者的抗壓強度之差逐漸增大。

3.3 有效空隙率與滲透系數之間的關系

實驗設計了5個不同的目標空隙率，分別為12%、15%、18%、20%、25%，以此研究再生粗集料混凝土材料的不同有效空隙率與滲透系數的關系，試驗分別采用再生粗集料及天然粗集料制備多孔混凝土，并采用TST－70透水儀進行滲透系數的測定，試驗結果如圖6所示。試驗結果表明，兩種不同材料的混凝土的滲透系數與有效空隙率呈正相關。在空隙率較小時，混凝土材料的滲透系數相差不大，但是，隨著空隙率增大，再生粗集料制備的混凝土材料的滲透系數增加速率要比天然集料的大。

圖6 有效空隙率與滲透系數的關系示意圖

4 結語

（1）采用二次破碎法得到的廢舊混凝土再生粗集料，其表觀密度、吸水率、針片狀含量、含泥量等物理性能均能滿足規范要求。此外，實驗表明，由于再生集料表面裹附水泥砂漿，導致再生集料整體吸水率是天然集料的6～7倍。

（2）再生粗集料的壓碎值、磨耗損失力學性能均能滿足規范要求，但由于再生集料表面裹覆的水泥砂漿易碎、易脫落，且在再生集料生產加工過程中受再次破碎的影響，集料易出現裂紋，導致其壓碎值偏高。

（3）采用4.75～9.5mm再生粗集料制備的多孔滲水混凝土材料，水灰比在0.28～0.3范圍內，有效空隙率為18%時具有良好的力學性能及較高的滲透系數。與天然集料相比，使用再生集料制備的多孔滲透混凝土材料的水灰比需適當偏大。