再生骨料透水混凝土配合比設計及工作性能研究

林 澤 羽

(山西交通控股集團有限公司太舊高速公路分公司,山西 晉中 030600)

0 引言

隨著我國工業化進程的逐步加快、中小城市城鎮化規模的不斷擴大，大型新建筑物的拔地而起，需要被處理的建筑垃圾的含量也不斷增加。有關資料表明，拆除10 000 m2的老舊建筑會帶來大約7 500 t～1.25萬t的建筑垃圾。無秩序的堆放建筑垃圾既會造成土地資源的浪費，也會帶來伴隨而來的各類環境污染，引發社會公害。如果能夠合理將建筑材料的廢棄物進行有效地回收利用，使之成為再生骨料，這會有著良好的社會、經濟和環境綜合效益。因此，對建筑垃圾的回收與再利用，是相關學者們越來越重視的現實問題。

透水混凝土是通過特定比例的粗骨料、細骨料、膠凝材料、水、礦物摻合料和外加劑配制而成的多孔混凝土。由于其結構為多孔骨架結構且構造特殊，因此透水混凝土具有改善城市熱島效應、快速緩解城市道路的排水壓力、滲透性能良好等諸多的獨特優勢。除此之外，還具有降低城市噪聲的功能。因此，透水混凝土能解決諸多普通混凝土所不能解決的一些生態問題。

如何能夠用再生骨料替換掉部分天然骨料制備的透水混凝土，成為了當前國內外學術研究的重點與熱點之一。再生骨料透水混凝土的運用與推廣，與城市市政的發展與需求完美契合，也符合國家的大政方針。作為一項新興的節能環保技術和海綿城市建設的中流砥柱，再生骨料透水混凝土會在未來迎來良好嶄新的發展機遇。

本文采用正交試驗的方式，以水灰比、含砂率、硅灰摻量以及目標孔隙率作為基本因素，每個因素分別設計了3個不同的水平，研究了各種因素對再生骨料透水混凝土的表觀密度、抗壓強度和透水系數的作用規律，隨后分析了每一種性能和實測孔隙率之間的內在聯系。

1 再生骨料應用和制備工藝

在廢混凝土資源化和再生骨料的應用方面，我國的起步較晚，并把它們應用于路基路面的項目工程中，同時數量有限。雖然研究的領域相對受限，但是大多數都處于慎用和試驗階段。1997年，建設部將“建筑廢渣綜合利用”視作重要的推廣項目；2004年，交通部全面啟動了“水泥混凝土路面再生利用關鍵技術研究”工作，建筑垃圾資源化利用被視為科技攻關的子課題；在近10年來，國內的學者們對建筑廢料的重新利用做了基礎性研究，取得了較為豐厚的成果。許多國內大城市的建筑單位也逐漸嘗試廢棄混凝土的回收利用工作，其強度和透水性能均達到國家規定標準，對當前的研究具有一定的推動作用[1]。

2 試驗操作

2.1 試驗用原材料

減水劑：高效聚羧酸減水劑，減水率22.5%；硅灰：本試驗采用硅灰作為礦物摻合料，是灰色或灰白色的粉末，耐火度高于1 600 ℃。硅灰：活性大，可以作為理想的活性礦物摻合料，其指標如表1所示；粗骨料：為建筑廢棄混凝土，經過粉碎、清洗、晾曬以及篩選分離后，能夠得到級配為5 mm～20 mm的再生碎石骨料[2]，具備若干基本性能，如表2所示。能夠符合GB/T 25177—2010中的相關要求。水泥：是透水混凝土的粗骨料之間的重要膠結材料，可以為強度高的硅酸鹽水泥，其基本指標如表3所示。除此之外，還需要水和增強劑等試驗必備材料。

表1 硅灰的性能指標表

表2 再生粗骨料的性能指標表

表3 水泥的性能指標表

2.2 正交試驗設計

作為一種可以研究多種因素水平的試驗方法，正交試驗法能夠在不影響試驗可行度的前提下大幅降低試驗次數。其以正交性為基礎，并選擇具有代表性的若干個點來進行測試[3]。

本節考慮了水灰比、砂率、目標孔隙率和按占膠凝材料總質量計的硅灰摻量4種因素來分析配合比對再生骨料透水混凝土的表觀密度、透水系數和抗壓強度的綜合影響[4]，運用了L9正交試驗設計，基于試驗的基礎進行了分摻量的計算。試驗的因素水平如表4所示，試驗的每組分摻量見表5。

表4 正交試驗的因素水平表

表5 試驗的各組分摻量表

2.3 試件成型與試件養護

本節采用水泥裹石法來制備再生骨料透水混凝土。先按比例把天然河砂和再生骨料混合隨后摻入拌合水浸濕攪拌；然后加入水泥繼續攪拌1 min，再加入余下的拌合水繼續攪拌2 min，隨后振搗、成型。為防止水分蒸發，成型后的試件需要包裝好。成型1 d后可以拆膜，隨后置于標準養護室中養護至28 d[5]。

3 試驗結果分析

3.1 正交試驗結果及方差結果

本次正交試驗的結果如表6所示，該表囊括了透水混凝土的表觀密度、孔隙率、抗壓強度以及透水系數。

表6 正交試驗結果統計表

本次正交試驗的抗壓強度、孔隙率、表觀密度以及透水系數的試驗結果的極差分析分別如表7～表10所示。

表7 抗壓強度試驗結果極差分析

表8 孔隙率試驗結果極差分析

表9 表觀密度試驗結果極差分析

表10 透水系數試驗結果極差分析

3.2 抗壓強度、表觀密度、實測孔隙率與透水系數四者的對應關系

通過前文所述的極差分析可以看出，在上述四個影響因素中，孔隙率對再生骨料透水混凝土的各項性能的影響均很顯著。如圖1～圖3是對實測孔隙率與各組抗壓強度、表觀密度和透水系數之間的綜合深度分析[6]。

從圖1中可以看出，再生骨料透水混凝土與孔隙率之間有著線性增加的關系。孔隙率愈大，透水系數越強。

從圖2中可以看出，再生骨料透水混凝土的抗壓強度與孔隙率之間呈現明顯的遞減關系，孔隙率越高，抗壓強度越小，內部密實程度越低。

從圖3中可以看出，再生骨料透水混凝土的表觀密度與孔隙率之間同樣存在著遞減的關系。

4 實驗結論

本文采用正交試驗的方式，以水灰比、含砂率、硅灰摻量以及目標孔隙率作為基本因素，每個因素分別設計了3個不同的水平，研究了各種因素對再生骨料透水混凝土的表觀密度、抗壓強度和透水系數的作用規律，隨后得出如下試驗結論：

1)孔隙率對再生骨料透水混凝土的透水系數、表觀密度、抗壓強度的影響均為最大。孔隙率的提升會導致目標的透水性能顯著上升，表觀密度、抗壓強度則會相應下降。2)再生骨料透水混凝土的實測孔隙率比目標孔隙率偏低，但是二者相差不大。3)再生骨料透水混凝土的孔隙率與其抗壓強度、表觀密度呈現出線性負相關的規律。4)再生骨料透水混凝土的水灰比的改變對其目標的抗壓強度、透水系數存在著一定的關聯，其變化規律為先增大后減小；當水灰比為0.20時，具有最佳的抗壓強度和透水性能。