基于正交試驗設計的再生骨料透水混凝土力學性能研究

尹志剛，范 巍，董思健，趙 越

(長春工程學院 吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室， 吉林 長春 130012)

透水混凝土是一種具有高孔隙率、良好透水性能的多孔材料，目前常被用于城市公園道路、停車場、住宅小區、人行道等輕型荷載路面[1]，但由于其強度較低、易堵塞、長期耐久性較差等特性，也限制了其在更廣范圍內的應用。據《中國建筑垃圾資源化產業發展報告(2014年度)》報道我國建筑垃圾總排放量約15.5 億t/a～24.0 億t/a，其中建筑垃圾廢棄物中廢棄混凝土的含量已達40%以上，然而這些廢棄建筑垃圾資源利用率卻不足5%，除極少數被再生用于非承重結構外，其余大量的建筑垃圾直接用于粗放性工程回填或直接露天堆放，不僅對生態環境帶來影響，也極大地造成了資源浪費[2-3]。因此，如何合理解決廢棄混凝土再利用問題逐漸成為工程界和學術界討論的熱點之一。

孫宏友等[4]通過正交試驗研究了目標孔隙率、骨料種類、水膠比、粉煤灰、硅灰摻量、攪拌方式對透水混凝土強度的影響，結果表明目標孔隙率的影響程度最大。姜騫等[5]研究得出增強劑能夠有效改善新拌透水混凝土漿體易剝落沉底的現象，并提高硬化透水混凝土的力學與抗凍融性能。楊小龍等[6]通過進行重量法的對比試驗，得出采用CT掃描技術計算透水混凝土堵塞程度是可行的結論。王永海等[7]對再生骨料透水混凝土摻入無機增強料并發現實驗試塊的28 d抗壓強度和彎拉強度提高了20%左右。薛冬杰等[8]通過實驗發現再生透水混凝土的90 d抗壓強度要高于采用普通骨料的透水混凝土。張浩博等[9]探討了摻30%再生骨料、水灰比、骨料粒徑、砂率等因素對透水混凝土物理及力學性能的影響。Wu等[10]開展了不同摻合料對普通波特蘭透水混凝土的力學性能及凍融耐久性方面的試驗研究。解偉等[11]研究了不同再生骨料和橡膠顆粒摻量對C20強度透水混凝土物理性能和力學性能的影響。余乃宗等[12]研究了再生細骨料混凝土的抗凍性，為再生細骨料在混凝土耐久性方面的應用提供了一定的試驗借鑒。

目前關于再生骨料混凝土性能的研究主要集中在普通再生骨料混凝土方面，有關再生骨料透水混凝土力學及凍融耐久性方面的研究還鮮有報道。鑒于此，本文利用正交試驗方法對摻加微硅粉、增加劑的再生骨料透水混凝土的力學性能和抗凍耐久性能進行了試驗，考察了外摻料、設計孔隙率、水膠比等對再生骨料透水混凝土28 d立方體抗壓強度、透水系數和連續孔隙率的影響，以期尋求最優配合比，并以最優配合比開展快速凍融循環試驗，對凍融后的再生骨料透水混凝土質量損失、動彈性模量、剩余抗壓強度、CT掃描斷面平均孔隙率隨凍融循環次數的變化規律開展研究，以期為再生骨料透水混凝土在寒區的工程應用提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料性能

試驗選用吉林亞泰鼎鹿牌P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料(Natural Coarse Aggregate, NCA)選用粒徑4.75 mm～9.50 mm的瓜子石；再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate, RCA)選用實驗室自制C30鋼筋混凝土梁經機械破碎后人工篩分獲得，試驗選用骨料基本物理指標見表1；細骨料選用細度模數為2.66的ISO標準砂，用量為粗骨料的8%；礦物摻合料選用SiO2含量為94.33%的微硅粉；選用南京某公司生產的增強劑，其主要成分見表2；減水劑選用FDN萘系高效減水劑，減水率為21%，含固量91.51%；試驗用水為普通自來水。

表1 試驗選用粗骨料基本物理指標

表2 透水混凝土增強劑主要物理性能

1.2 正交試驗方案設計

為減少試驗工作量，利用正交試驗設計的原理來設計試驗方案，每一因素各取3個水平，采用正交表L9(34)，開展再生骨料透水混凝土力學性能正交試驗，基于極差分析和層次分析來處理試驗結果，找出滿足規程[8]要求的最優配合比。試驗因素與水平見表3。

表3 再生骨料透水混凝土正交試驗表

試件設計強度為C20，再生粗骨料摻量為天然粗骨料用量的30%，配合比設計采用《再生骨料透水混凝土應用技術規程》[13](CJJ/T 253—2016)的方法和步驟進行配比設計，按照正交試驗表確定9組試驗每立方米再生骨料透水混凝土各材料用量，其中粗骨料用量為1 460.6 kg/m3，細骨料為127.0 kg/m3，纖維0.6 kg/m3，其它材料用量具體見表4。

表4 1 m3再生骨料透水混凝土各材料用量單位：kg/m3

1.3 試件制作流程與試驗方法

試件按照規范[13]要求制備9組100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，每組3塊，采用插搗成型法，試件制備后，在室溫下靜置24 h后拆模，放入標準養護室，養護至28 d。分別測定再生骨料透水混凝土連續孔隙率、透水系數和28 d抗壓強度。透水系數試驗參考文獻[14]中定水頭測試方法；抗壓強度測試依據普通混凝土力學性能試驗標準。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗極差分析

表5為上述9組正交試驗所得的各項測試結果， 對試驗結果進一步進行極差分析后， 結果見表6。由表6可知：

(1) FB是影響試件連續孔隙率的最大因素，其次分別為因素FC、FA、FD，參數的最優組合是FA2FB3FC1FD1。

(2) FB是影響試件連續孔隙率的最大因素，其次是FA。說明設計孔隙率越大，試件的透水性越強。參數的最優組合是FA2FB3FC1FD1。

(3) 各因素對抗壓強度影響程度的主次順序為設計孔隙率、水膠比、增強劑摻量、微硅粉摻量。根據抗壓強度的試驗結果，參數的最優組合是FA2FB1FC2FD3。

表5 各組正交試驗結果

經上述正交試驗結果分析，在滿足規程中各項規定的前提下，得到最優配合比，見表7。實測該配合比下28 d抗壓抗壓強度為28.6 MPa，連續孔隙率為13.4%，透水系數1.6 mm/s。

表6 連續孔隙率、透水系數和28 d抗壓強度的極差分析表

表7 正交試驗所得最優配合比

2.2 凍融耐久性分析

通過文獻[15]可知，室內開展一次快速凍融循環試驗，相當于外界自然環境下的12次～15次凍融循環，為進一步了解再生骨料透水混凝土在凍融環境下的長期耐久性能，且考慮到東北寒冷地區已有透水混凝土路面的耐久性較低的現狀(通常3 a～5 a就出現表面開裂現象)，根據上節正交試驗所得到的再生骨料透水混凝土最優配合比制備試塊，開展快速凍融循環試驗。共制備10組30個100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，用于測量經歷不同凍融次數后的抗壓強度；另制備100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊3塊，用于測量經歷不同凍融次數后的相對動彈性模量與質量損失。具體抗凍試驗結果見圖1。

圖1質量損失率與相對動彈性模量隨凍融次數變化曲線

圖1(a)為試件的質量損失率隨凍融循環次數的變化曲線。由圖1(a)可以看出，試件的質量損失在凍融過程中變化并不顯著，失重率始終處于負值，從整個凍融循環過程中來看，在80次凍融后質量損失呈上升趨勢。這是由于再生粗骨料自身含有的孔隙較多、吸水率較大；從結構組成來講，透水混凝土本身的連通孔隙較大，內部有足夠的孔隙空間可以適當延緩凍融結冰膨脹而引起的表面凍脹開裂現象。但隨著凍融次數的增多，骨料之間的粘結力不足以抵抗凍融引起的周期性疲勞應力，導致再生骨料透水混凝土產生骨料剝落等現象。

圖1(b)為試件的相對動彈性模量隨凍融循環次數關系圖。從圖1(b)中可以看出，在凍融循環作用下，試件的相對動彈性模量變化規律與普通混凝土試件相似，即隨著凍融次數的增加而呈下降趨勢。90次凍融循環后試件的相對動彈性模量降到60%以下。利用二次多項式對上述變化關系進行擬合，從圖1(b)中可以看出，擬合得到的相對動彈模隨凍融次數的變化規律具有較高的擬合精度和相關性，相關系數在0.93以上。

2.3 CT掃描結果分析

近年來，CT掃描成為分析混凝土內部孔隙結構的一種新方法。每間隔20次凍融循環后利用醫用螺旋CT機對經歷不同次數凍融循環后的透水混凝土試件(100 mm×100 mm×100 mm)進行CT掃描，設定CT掃描斷面間距為2.5 mm，這樣就得到透水混凝土試件內部不同掃描間距下孔隙分布的真實圖像，見圖2，對CT掃描斷面經MATLAB數字圖像處理技術后可獲得試件在凍融前后的孔隙劣化情況。

圖2再生骨料透水混凝土斷面CT掃描斷面切片圖

圖3為再生骨料透水混凝土孔隙率分布與凍融循環次數的關系。其中，橫軸表示不同CT掃描斷面距離，縱軸為不同凍融次數下的CT掃描圖像各斷面的孔隙率。由圖3可以看出，隨著凍融循環次數的增多，透水混凝土試件的CT掃描斷面平均孔隙率逐漸增大。20次凍融循環后CT掃描斷面平均孔隙率為15.4%，隨著凍融次數的不斷增加，40次、60次、80次、100次凍融循環后，CT掃描斷面平均孔隙率較20次分別增大了1.19倍、1.33倍、1.53倍、1.89倍。

圖3再生骨料透水混凝土孔隙率分布與凍融循環次數的關系

2.4 凍融后抗壓強度與孔隙率分析

抗壓強度是檢驗混凝土力學性能的一項重要指標。圖4為再生骨料透水混凝土試件抗壓強度與凍融循環次數的關系。由圖4可知，在凍融循環作用下，試件的抗壓強度變化規律與普通混凝土試件相似，即隨著凍融次數的增加而呈下降趨勢。在70次凍融循環之前，試件的抗壓強度下降速率較為緩慢；70次凍融循環之后，抗壓強度的下降速率明顯變大。

圖4抗壓強度與凍融次數關系

圖5為再生骨料透水混凝土試件經歷凍融后CT掃描斷面平均孔隙率p與抗壓強度的關系。由圖5可見，試件的抗壓強度隨著孔隙率的增大而逐漸降低，表明在凍融循環作用下試件的孔隙率p與抗壓強度呈負相關。在凍融循環的不斷作用下，試件內部孔隙率劣化程度逐步增大，內部密實程度和骨料膠結能力變弱，進而導致其力學性能逐步下降。利用二次多項式對再生骨料透水混凝土抗壓強度與CT掃描斷面平均孔隙率p的關系進行擬合，從圖中可以看出，擬合得到的凍融后抗壓強度與孔隙率p的變化規律具有較高的擬合精度和相關性，相關系數在0.98以上。

圖5凍融后孔隙率與抗壓強度的關系

3 結 論

本文主要基于正交試驗設計研究了再生骨料透水混凝土力學性能與凍融耐久性，試驗研究了微硅粉、增強劑等外摻料和水膠比對再生骨料透水混凝土28 d立方體抗壓強度、透水系數和連續孔隙率的影響，并以正交試驗得到的最優結果開展了快速凍融循環試驗，基于以上試驗數據，得出如下結論：

(1) 影響再生骨料透水混凝土連續孔隙率和透水系數的最大的因素是設計孔隙率，水膠比、微硅粉和增加劑摻量影響程度較為接近。根據抗壓強度的試驗結果，參數的最優組合是FA2FB1FC2FD3。

(2) 基于正交試驗得到的最優配合比開展的快速凍融循環試驗結果可知，隨凍融循環次數增加，再生骨料透水混凝土的質量損失率、相對動彈性模量、平均抗壓強度與CT掃描斷面平均孔隙率的劣化程度均逐漸增大。

(3) 隨著凍融次數的增多，試件內部孔隙率劣化程度逐步增大，內部密實程度和骨料膠結能力變弱，進而導致其力學性能逐步下降。再生骨料透水混凝土抗壓強度與CT掃描斷面平均孔隙率p之間具有良好的相關性，相關系數在0.98以上，表明再生骨料透水混凝土的孔隙率與抗壓強度呈負相關。