透水再生骨料混凝土研究進展

陳尚權，高越青，梁超鋒,2，Raphael Desire，邵曉蓉

(1.紹興文理學院建筑工程系，紹興 312000；2.同濟大學建筑工程系，上海 200092)

0 引 言

城市化進程中老舊建筑物的拆遷，自然災害過后的損毀建筑，均導致大量建筑廢棄物生成，若不能合理有效處置，將造成嚴重的環境污染與巨大的資源浪費。數據統計表明我國每年產生的建筑廢棄物產量達到12～24億噸，預計到2020年將達到63.8億噸[1]。選擇填埋與露天放置建筑廢棄物，既污染土壤，更影響城市風貌。加之我國建筑行業發展勢頭良好，混凝土年平均生產量高達15～20億立方米，砂石骨料的需求量也超過100億噸[2]。我國優質的天然骨料呈現枯竭現象[3-4]，過度開采易破壞地區地質情況，引發自然災害。這迫使從建筑廢棄物中尋找可再利用的資源，既緩解砂石骨料的資源危機，同時減輕環境保護的壓力[5]。

傳統混凝土路面遇到長時間降水會使路面積水，城市排水系統壓力劇增，易引發城市內澇。不僅使路面結構易遭受一定的破壞，增加道路維護費用，還會擾亂城市正常的運轉秩序，引發交通不暢。城市排水系統無法及時迅速排水，長時間堆積在不透水路面上的雨水會將地表污染物帶入地下水中造成水污染。若雨水不能地下還原，更易引起地基下沉而造成混凝土建筑物開裂。另外，傳統的混凝土路面熱容量小，易快速吸收太陽輻射熱，促使城市出現熱島現象[6-7]。

透水再生骨料混凝土是基于透水混凝土選用再生骨料部分或全部置換天然骨料，使PRAC透水、透氣、導熱、吸聲性能得到改善[8]。西方發達國家和日本上世紀六七十年代后便已著手研制透水混凝土，在其組成材料、施工以及規范制定等方面都積累了豐富的經驗[9]，而我國由于在這方面的研究起步較晚，在設計理念與施工工藝方面較之相對落后。為響應國家“節能減排”、“可持續發展”、“海綿城市建設”等[10]號召，許多專家學者在透水混凝土的基礎上，開展了對PRAC強度、透水性與耐久性等方面的研究，并已取得較為豐碩的成果。

1 透水再生骨料混凝土力學性能

1.1 抗壓強度

1.1.1 水灰比與孔隙率的影響

水灰比對PRAC抗壓強度影響明顯,以下兩種情況均會對其強度不利[11]：水灰比偏大時，水泥漿體的流動性提高，部分漿體因重力作用易在PRAC底部積聚導致骨料表面的漿膜厚度較薄，還會造成PRAC孔隙堵塞；水灰比偏小時，水泥漿體流動性差難以包裹骨料，骨料間的粘結能力下降導致PRAC成型效果差。相關研究表明：再生磚骨料制備的PRAC的抗壓強度會隨水灰比增加先升后降，合適的水灰比范圍為0.3～0.36[12]；再生混凝土骨料(RCA)制備的PRAC，合適的水灰比研究范圍為0.25～0.45[13-18]。

透水再生混凝土內部孔隙結構特征會影響其整體強度，外荷載作用下的孔隙就成為了硬化水泥漿體的薄弱層[16]。因此，孔隙率的增加會導致PRAC的抗壓強度減小[12]。現有文獻的目標孔隙率范圍主要集中在15%～30%[13,15,17-18]。

1.1.2 再生骨料粒徑的影響

圖1 再生骨料粒徑對PRAC抗壓強度的影響Fig.1 Effect of RA particle size on the compressive strength of PRAC

再生骨料粒徑大小的選擇對透水再生骨料混凝土的抗壓強度有顯著影響，其粒徑的增大會降低PRAC抗壓強度[12,14,19]，如圖1所示。這是由于再生骨料粒徑增加，使得骨料間的接觸面積減少而降低骨料間機械咬合作用，同時也會導致其表面水泥漿體的包裹程度不足及漿膜厚度較薄。

RCA粒徑分別為4.75～9.5 mm、9.5～12.5 mm、12.5～19 mm RCA粒徑的PRAC的抗壓強度都隨齡期增長而增加；在相同水灰比與齡期條件下的PRAC抗壓強度隨RCA粒徑增加而降低[19]。粒徑為4.75～9.5 mm的RCA，在漿膜厚度為0.519 mm與水膠比為0.35時，制備的PRAC 28 d抗壓強度達到了34.1 MPa[20]；粒徑為9.5～16 mm的RCA，制備的PRAC 28 d抗壓強度為10～20 MPa[21]。研究表明[18]，當RCA粒徑為5～10 mm 時，目標孔隙率為15%、水灰比為0.4與目標孔隙率為20%、水灰比為0.45的PRAC綜合性能均良好；當RCA粒徑為10～20 mm 時，目標孔隙率25%、水灰比為0.4時PRAC綜合性能最好。

1.1.3 再生骨料取代率的影響

再生骨料取代率對PRAC抗壓強度的影響如表1所示,各位學者的研究結果并不一致。朱金春等[22]通過函數擬合得到RCA取代率為30%時，PRAC抗壓強度達到峰值。取代率與粒級作為變化量時，30%取代率下PRAC抗壓強度增幅最大，雙粒級時抗壓強度可提高30%以上[23]。當RCA取代率為30%，粒徑5～10 mm、水灰比為0.3和目標孔隙率為15%時，PRAC抗壓強度接近普通混凝土[17]。Güneyisi等[24-25]選取四種取代率，統計發現摻入RCA會使PRAC抗壓強度下降，下降幅度達25%以上；Parasivamurthy等[26]測得摻入RCA后PRAC的抗壓強度降低了3%～11%。Zong等[27]選取30%、40%、50%的再生磚取代率，PRAC的抗壓強度分別下降了16%、27%、44%。張志權等[28]發現0%～40%的再生黏土磚取代率下，PRAC抗壓強度增長了4.7 MPa；40%～100%取代率時下降了9.4 MPa。因此，現有研究成果表明30%左右取代率的再生骨料不顯著降低甚至一定程度提高PRAC的抗壓強度。

表1 再生骨料取代率對PRAC抗壓強度的影響Table 1 Effect of RA replacement rate on the compressive strength of PRAC

注：PRAC抗壓強度的變化是相較于天然骨料透水混凝土抗壓強度而言。

1.1.4 再生骨料預處理的影響

Sharif等[29]采用環氧樹脂和固化劑對高溫后獲得的工程生物質集料進行包覆處理，PRAC標準試件的抗壓強度隨著其含量的增加而逐漸降低。王海超等[30]將洗后的骨料置于滲透結晶材料(分子結構化學式為Ca(O-R-OH)2)溶液中浸泡，再生骨料的性能具有很大的改善，接近天然骨料性能，混凝土抗壓強度增加明顯，可用于制備PRAC。單摻2.5%水泥質量的二氧化鈦或7%粗骨料質量的砂，PRAC抗壓強度分別提高7%和19%；雙摻2.5%的二氧化鈦和7%的砂，PRAC抗壓強度提高28%[31]。

利用外摻超細礦物質和界面改性劑等可改善RCA與水泥漿之間的界面薄弱區的粘結強度，從而保證PRAC的強度。在水泥漿體外摻10%硅粉后制備的PRAC的28 d抗壓強度可達28.8 MPa，90 d抗壓強度優于普通透水混凝土[16]。

1.1.5 成型方式的影響

成型工藝對透水再生骨料混凝土的性能影響較大，合理選擇成型工藝至關重要。振動成型時，PRAC抗壓強度會因振動時間增加而先增后減[32]，最佳振動時間為8～10 s[32-33]；壓力成型時，PRAC的抗壓強度會因成型壓力的增加而提高，成型壓力為1～2.5 MPa時，PRAC抗壓強度達到最佳[32-33]；插搗成型也可使PRAC獲得較高的抗壓強度[33]。

1.2 抗拉強度

纖維的摻入對于PRAC的抗拉強度影響顯著。加入聚丙烯纖維可以改善PRAC的抗拉強度[34-36]，加入硅粉和聚乙烯醇纖維后PRAC抗拉強度提高2.1倍[37]，而單摻0.6%聚丙烯纖維或0.4%碳纖維后均可提高PRAC的劈裂抗拉強度，且都呈現先增后減趨勢[38]。

Arifi等[39]用高吸水率且取代率為75%的RCA置換劣質的天然骨料，并用25%粉煤灰取代水泥，PRAC的抗拉強度增加。加入細砂與粉煤灰可提高PRAC抗拉強度[40]；利用同粒徑范圍的再生骨料(混凝土與磚)與天然骨料，并摻入高鈣粉煤灰制備的PRAC抗拉強度與抗壓強度的關系與普通透水混凝土一致[41]。

1.3 抗折強度

1.3.1 再生骨料取代率的影響

由于再生骨料表面附著一層硬化的水泥砂漿，導致再生骨料與新老砂漿界面間的粘結能力下降。因此，再生骨料取代率的提高會使PRAC的抗折強度明顯減小。RCA取代率分別為30%、40%與50%的PRAC，其抗折強度分別下降了16%、22%和33%[27]；RCA取代率分別為50%、100%的PRAC，其抗折強度分別下降了18.8%、41.2%[34]；再生磚骨料取代率從0%增加到100%后，PRAC抗折強度下降1.2 MPa，且當取代率大于40%時，抗折強度下降趨勢更加顯著[28]。

1.3.2 粉煤灰與纖維的影響

當粉煤灰超量取代水泥時，PRAC抗折強度因超量系數增加而增大，而超量系數大于1.4后效果不明顯[42]。分布均勻的聚丙烯纖維與水泥基復合材料包裹或填充再生骨料表面，增強了顆粒間的粘結作用，抵抗混凝土干縮引起的拉應力，可顯著提高PRAC的抗折強度，纖維摻量在1.5%時PRAC的28 d抗折強度最高[43]。

2 透水再生骨料混凝土透水性能

2.1 再生骨料種類和摻量的影響

再生粗骨料的使用提高了混凝土的透水性能[11]，如表2所示。使用含粘土磚廢料的PRAC孔隙率高、基質疏松，其透水性能提高，摻30%再生磚骨料的PRAC配合比更經濟，效果最佳[27]。含浮石的PRAC表現出較高的透水性,而含再生蒸壓加氣混凝土再生骨料的PRAC透水系數為3.0～29.3 mm/s[44]。棕櫚油工業廢料替代粗骨料制成的輕質PRAC具有高透水性，透水系數為3～15 mm/s[45]。空冷電弧爐渣配制的PRAC的透水系數要高于碎石混凝土，透水系數范圍在3～12 mm/s[46]。

含沸石、硅粉和玻璃纖維的PRAC因再生骨料摻量的增加導致其孔隙率增加，透水性能也隨之提高，透水系數為3～5 mm/s[47]；0%、15%、30%、60%、80%摻量下的PRAC透水性能隨摻量增加提高了14.4%～26.6%[48]。10 mm再生骨料與20 mm天然骨料組合制備的PRAC的透水性能優于天然骨料透水混凝土，PRAC的透水系數[17]隨取代率的增加漲幅達30%～195%[49]。

表2 再生骨料種類與摻量對PRAC透水性能的影響Table 2 Effect of recycled aggregate types and content on the water permeability of PRAC

2.2 水灰比與孔隙率的影響

PRAC孔隙率與透水系數關系密切，而水灰比對孔隙率影響顯著[13,50]。這是因為水泥漿過多，PRAC無法形成貫穿孔隙，漿體中水過多也會在其試塊底部沉積封漿[18]，導致透水系數減小。孔隙率與透水系數成正比，當實測孔隙率從13.4%上升到29.3%時，透水系數增長了1.4倍[15]。

2.3 再生骨料粒徑的影響

再生骨料粒徑大小對PRAC透水系數影響顯著，粒徑增大使PRAC透水性能提高，這與普通透水混凝土的情況相近[14,50-53]。RCA粒徑為5～10 mm、水灰比0.3和目標孔隙率15%時，透水系數超過5 mm/s[17]；水灰比為0.35～0.38時，由RCA粒徑4.75～9.5 mm、9.5～16 mm 和16～19 mm 制備的PRAC，其透水系數隨粒徑增加而線性增加[14]。當目標孔隙率分別為30%與40%且水灰比同為0.3與0.4時，PRAC透水系數都因RCA粒徑增加而先增后減再增；當目標孔隙率分別為30%和35%、水灰比為0.35時，PRAC透水系數隨RCA粒徑增大而先增后減[50]。用粒狀高爐礦渣代替部分天然粗骨料制備的PRAC，其透水性隨粒徑的增大而增加，且水灰比0.34時要優于0.3[54]。

2.4 纖維與橡膠的影響

纖維有助于提升PRAC的抗拉強度，而對透水性能影響不明顯[36],可作混合料的潛在改進成分而保持PRAC的透水性能[55-56]；但硅灰和丁苯膠乳對滲透指數影響顯著[32]。聚乙烯醇短纖維對PRAC具有顯著的增強作用，纖維含量在0.0%～1.5%之間時，PRAC具有良好的透水性[57]。

PRAC的透水性能隨橡膠顆粒摻量的增加而降低[58-59]，這是因為橡膠會填充PRAC的部分孔隙，阻礙內部孔隙貫通。摻入3%、6%、9%橡膠顆粒的PRAC透水系數分別下降了5.4%、10.8%、17.9%[58]；摻入10%與20%的橡膠碎屑，PRAC透水系數分別降低了28%、68%，摻入10%的橡膠粉屑、20%的橡膠碎屑、20%的橡膠粉屑，PRAC透水速率從0.48 cm/s分別降到了0.13 cm/s、0.15 cm/s和0.18 cm/s[59]。

3 透水再生骨料混凝土耐久性能

透水混凝土在滿足力學性能與透水性能外，還需考慮其耐久性。再生骨料因受機械破碎和其表層老砂漿的影響而多空隙，故PRAC耐久性較天然骨料透水混凝土耐久性有所降低[60]，但在不同環境中呈現出的耐久性能也不盡相同。

3.1 耐磨性

再生粗骨料類型不同，對PRAC的沖擊磨損影響也不同；再生骨料取代率較低時，PRAC耐磨性能變化不大[61]，而RCA取代率為100%時，PRAC磨損損失在40%～55%之間[62]。橡膠含量為0%～20%時，PRAC磨損深度從0.91%降到0.17%；在10%與20%的取代率下，摻細橡膠粉的PRAC磨損率比普通混凝土分別降低59%和81%，而摻輪胎片則分別減少39%和58%，用輪胎屑和細膠粉制成的PRAC磨損深度低至0.18 mm[63]。摻入0.9%聚丙烯纖維的PRAC質量損耗率較基準混凝土降低41.2%，而摻0.4%碳纖維的PRAC質量損耗率則降低29.4%[38]。

3.2 抗凍融破壞

再生骨料破碎的過程中會產生大量微裂紋，其內部空隙增加會使骨料的吸水率增大，容易發生凍融破壞[64]。PRAC不宜長期在凍融環境下使用，凍融循環100次后抗壓強度是標養條件下抗壓強度的89%[65]。梁健等[66]發現PRAC凍融循環25次后，其質量損失率小于5%；凍融循環150次后，PRAC出現凍融破壞。采用快凍法時，PRAC的動彈性模量、抗折強度及抗壓強度隨凍融循環次數的增加而下降[67-68]。再生黏土磚骨料制備的PRAC凍融循環50次后，其強度損失率增加了12.1%，質量損失率增加了6.2%；當再生黏土磚骨料百分比而大于40%時質量損失會加速增大[28]。橡膠透水混凝土凍融循環240次后，其質量損失小于3.5%；凍融循環180次前，含10%橡膠的透水混凝土比含20%橡膠時的質量損失高，凍融循環180次后質量損失結果相反[63]。

3.3 抗硫酸侵蝕

處于硫酸環境中的PRAC質量損失不明顯。以不飽和聚酯樹脂為粘結劑，再生粗骨料、粉煤灰和高爐爐渣為填料制備的PRAC，其在10%硫酸溶液中的減重率為1.17%～2.3%[69]。采用6 mm聚丙烯纖維的PRAC在H2SO4溶液中浸泡28 d，凍融循環300次后，PRAC未發生明顯的重量變化與相對動態模量的下降[70]。

4 總結與展望

本文闡述了各因素對PRAC的力學性能、透水性能以及耐久性能的影響。已有文獻表明通過合理選擇水灰比和孔隙率、再生骨料取代率、種類和粒徑、骨料預處理強化以及在制備混凝土時選擇合適的外加劑等途徑可有效改善PRAC的綜合性能。

透水再生骨料混凝土是響應“海綿城市”建設的研究熱點之一，今后研究可重點關注以下幾方面：

(1)長期使用中PRAC孔隙率和透水性能的演變。PRAC在長期服役的過程中，由于表面磨損、自然碳化和裂化等原因將造成其PRAC孔隙率減小甚至堵孔，進而影響PRAC的透水性能。現今對PRAC孔隙率和透水性能的時變研究甚少。

(2)多因素耦合作用下PRAC性能的裂化。PRAC在實際服役中往往會同時受應力、凍融、碳化等共同作用，多因素耦合作用將加速PRAC性能裂化，出現強度退化、透水性減小及耐久性惡化等現象，致使PRAC無法滿足長期服役的功能要求，故多因素耦合作用下PRAC性能裂化規律和機理值得深入研究。

(3)兼顧強度、透水和耐久性能的PRAC綜合性能的評價方法。運用模糊理論、灰色關聯度及層次分析法等評價方法，可獲得兼顧PRAC強度、透水及耐久性能的最優配合比。