骨料級(jí)配對(duì)再生透水混凝土性能的影響

黃志偉 薛志龍 郭磊 陳守開(kāi)

摘 要：對(duì)廢棄混凝土路面經(jīng)破碎、篩分獲得的再生骨料的物理性能進(jìn)行測(cè)試與分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)透水混凝土配合比，選擇再生粗骨料粒徑為5～10 mm和10～20 mm，以水灰比0.3、骨灰比4.5、替代水平100%、單雙級(jí)配為主要指標(biāo)制作試件。通過(guò)對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、有效孔隙率、透水系數(shù)的測(cè)定，綜合考慮透水混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)。結(jié)果表明：采用雙級(jí)配的透水混凝土密度較單級(jí)配粒徑為10～20 mm的低，試件的劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度正相關(guān)，拉壓比范圍在21%～27%之間，脆性降低，韌性增加。此外，抗壓強(qiáng)度隨孔隙率的增大而降低。

關(guān)鍵詞：再生骨料;再生骨料透水混凝土;級(jí)配;強(qiáng)度;透水性

中圖分類號(hào)：TV42;TU528.041 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.028

引用格式：黃志偉，薛志龍，郭磊，等.骨料級(jí)配對(duì)再生透水混凝土性能的影響[J].人民黃河，2021，43（4）：147-150，154.

Abstract： The recycled aggregate was obtained by crushing and sieving the abandoned concrete pavement， and the physical properties of the recycled aggregate were tested and analyzed. On this basis， the permeable concrete mix proportion was designed. The recycled coarse aggregate was 5-10 mm and 10-20 mm， and the water cement ratio is 0.3， the ratio of aggregate binder is 4.5， the alternative level is 100%， and the single and double gradation （0∶1， 1∶1， 1∶2， 2∶1， 2∶3 and 3∶2） were the main indexes. Through the determination of the compressive strength， splitting tensile strength， effective porosity and permeability coefficient of the specimen， the performance indexes of the permeable concrete were considered. The results show that the density of pervious concrete with double gradation is better than that of single 10-20 mm graded aggregate concrete， compressive strength and splitting tensile strength of RPC1-2 compared with other double gradation are higher， but the porosity and permeability decrease; the porosity and permeability coefficient of RPC3-2 are larger， and the compressive strength is lower; the splitting tensile strength of the specimen has a positive correlation with the compressive strength， and the tension ratio range is between 21%-27%， the brittleness decreases and the toughness increases. In addition， the compressive strength decreases with the increase of porosity.

Key words： recycled aggregate; recycled aggregate pervious concrete; gradation; strength; pervious

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新舊建筑更替產(chǎn)生大量建筑垃圾，成為影響環(huán)境治理工作的難題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年新建、拆除、裝修等產(chǎn)生的建筑垃圾固體廢棄物約為15億t[2]。我國(guó)對(duì)建筑垃圾處理少部分作為回填道路和道路的基礎(chǔ)材料，而將建筑垃圾經(jīng)過(guò)破碎篩分得到再生粗骨料，進(jìn)而配制混凝土用于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如砌塊）、道路面層、制造水泥等高級(jí)用途的較少，絕大多數(shù)未經(jīng)任何處理便被運(yùn)往郊外或鄉(xiāng)村露天堆放或填埋，這樣會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的二次污染[3]。

建筑垃圾資源化利用的再生產(chǎn)品用途廣泛，建筑垃圾固體廢棄物經(jīng)過(guò)顎式破碎機(jī)破碎、機(jī)械篩分后獲取再生骨料，可部分或全部替代天然骨料用于配置不同性能和不同級(jí)配的混凝土[4]，可制作路基墊層石料、河道護(hù)坡磚、連鎖擋土墻磚用于海綿城市、城市管廊建設(shè)等領(lǐng)域。建筑垃圾可持續(xù)利用不僅能利用資源，也能減輕對(duì)自然環(huán)境的破壞，其資源化利用還會(huì)帶來(lái)大量的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益[5]。

混凝土的透水性與其耐久性密切相關(guān)?；炷聊途眯缘挠绊懸蛩睾推茐臋C(jī)理較為復(fù)雜，與其內(nèi)部通過(guò)水或其他有害液體的難易程度相關(guān)，因此評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)為滲透性。與普通混凝土相比，再生透水混凝土的骨料級(jí)配比較特殊，采用不連續(xù)或者單一級(jí)配再生骨料成型的混凝土試件含有大量的連通孔隙，增大了其透水性。筆者通過(guò)試驗(yàn)研究了骨料級(jí)配對(duì)再生透水混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料種類及來(lái)源如下：水泥選用天瑞P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1。再生粗骨料由拆除的廢棄混凝土路面經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎及機(jī)械篩分后獲得，試驗(yàn)選用粒徑為10～20 mm及5～10 mm，具體物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

2 配合比設(shè)計(jì)

水灰比對(duì)再生透水性混凝土強(qiáng)度和透水性的影響至關(guān)重要。水灰比過(guò)高，流動(dòng)性增強(qiáng)，骨料表層水泥漿厚度變薄、黏結(jié)強(qiáng)度減弱，進(jìn)而透水混凝土強(qiáng)度降低;水灰比過(guò)小，雖然水泥漿體厚度增加、強(qiáng)度提高，但使拌和物成型困難、難以壓實(shí)。張賢超等[6]綜合考慮透水混凝土性能及影響因素，推薦其水灰比范圍為0.25～0.35;文獻(xiàn)[7]推薦再生透水混凝土水灰比范圍為0.27～0.43。綜合考慮后本文選定水灰比為0.30。

本試驗(yàn)中再生骨料取代率選取100%，單雙級(jí)配（粒徑5～10 mm與10～20 mm的質(zhì)量比采用0∶1、1∶1、1∶2、2∶1、2∶3、3∶2），配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3，各試件水泥、水用量為328、98 kg/m3。

3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

試件尺寸選用邊長(zhǎng)150 mm的立方體及100 mm（直徑）×200 mm（高）的圓柱體，試件制作與養(yǎng)護(hù)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。透水混凝土拌制采用機(jī)械攪拌，投料次序?yàn)椋涸偕止橇现屑尤胍话氲陌韬退?，攪? min，再加入水泥攪拌1 min，最后加入剩余拌和水，再次攪拌2 min后裝模成型。

不同成型方式對(duì)透水混凝土性能影響較大[8]，有研究顯示，采用振動(dòng)壓實(shí)成型工藝制成的透水混凝土試件內(nèi)部孔隙分布均勻且離散性較小，內(nèi)部的再生骨料顆粒沒(méi)有明顯破碎現(xiàn)象，第1層采用搗棒插搗25次并在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)20 s，第2層同樣插搗25次并在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)20 s，最后將表面抹平。

試件成型后，將其放置于陰涼處，1 d后拆模，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)測(cè)試試件28 d齡期的有效孔隙率、透水系數(shù)、抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度，每組試驗(yàn)測(cè)試3個(gè)試件，取其平均值作為實(shí)測(cè)值。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

透水混凝土的主要性能指標(biāo)為強(qiáng)度和滲透性能，強(qiáng)度指標(biāo)采用抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，滲透性能則通過(guò)孔隙率和透水系數(shù)來(lái)表征。

（1）密度分析。骨料級(jí)配對(duì)再生透水性混凝土密度的影響見(jiàn)圖1。本試驗(yàn)中測(cè)得再生透水混凝土密度范圍在1 730～1 800 kg/m3之間，單級(jí)配的再生透水混凝土密度比雙級(jí)配的高，其中粒徑比值為3∶2的密度最低，為1 732 kg/m3。分析其原因：再生骨料表面附著舊灰漿，致其表觀密度和堆積密度相對(duì)較低;粒徑為5～10 mm骨料的堆積密度為1 225 kg/m3，約為粒徑為10～20 mm骨料堆積密度的88.7%，故摻入小粒徑骨料時(shí)，透水混凝土拌和物的密度相對(duì)較低。

（2）透水性能分析。表4為再生透水混凝土的透水系數(shù)和孔隙率試驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[9]中，透水混凝土孔隙率范圍為15%～35%，本文測(cè)得孔隙率為16.68%～26.34%，與文獻(xiàn)[9]中范圍相近。

由于再生骨料來(lái)源不同，且透水混凝土配合比、制備工藝不同，因此不同研究者得到的透水混凝土性能存在差異，測(cè)得的試件孔隙率所表現(xiàn)的基本規(guī)律往往也有差別。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，雙級(jí)配中骨料粒徑比為1∶2時(shí)，試件孔隙率最小，為18.85%，粒徑比為3∶2時(shí)，孔隙率較大，為23.14%。

再生透水混凝土透水系數(shù)與孔隙率之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。Bhutta等[10]研究表明，透水混凝土的孔隙率為23%～28%時(shí)，其透水系數(shù)呈線性上升趨勢(shì)，李秋實(shí)等[11]也得出相同的結(jié)論，Zaetang等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)透水系數(shù)與孔隙率為正相關(guān)的指數(shù)關(guān)系。本文結(jié)果表明：透水系數(shù)范圍為3.28～4.20 mm/s，隨著孔隙率的增大而增大，與相關(guān)研究成果一致。其主要原因是隨著透水混凝土內(nèi)部孔隙增多，相應(yīng)的有效過(guò)水面積增大，過(guò)水量和速率增大，從而提高了透水性能。

（3）骨料級(jí)配對(duì)再生透水混凝土強(qiáng)度的影響。強(qiáng)度是透水混凝土的一個(gè)重要參數(shù)，再生骨料的使用應(yīng)該為透水混凝土提供足夠的強(qiáng)度。文獻(xiàn)[9]中透水混凝土的抗壓強(qiáng)度范圍為2.8～28.0 MPa，本文測(cè)得再生透水混凝土試件抗壓強(qiáng)度在5.58～9.16 MPa之間，與文獻(xiàn)[9]相符。

圖3為再生骨料透水混凝土受壓破壞圖，可以看出裂縫破壞主要呈斜向發(fā)展，也有少數(shù)出現(xiàn)局部破壞現(xiàn)象，不僅黏結(jié)界面發(fā)生破壞，而且一部分骨料顆粒發(fā)生破壞。再生骨料透水混凝土大多數(shù)斷裂面為老砂漿斷裂和界面過(guò)渡區(qū)破壞。

圖4描述的是再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度在不同骨料級(jí)配下的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明：①采用單粒級(jí)骨料的再生透水混凝土的抗壓強(qiáng)度大于雙粒級(jí)的，即全部采用粒徑10～20 mm再生骨料的透水混凝土抗壓強(qiáng)度最大（為9.16 MPa），其原因可能是再生骨料粒徑為5～10 mm的壓碎值為23.14%，約為粒徑為10～20 mm骨料的1.5倍，故單粒級(jí)再生透水混凝土中摻入小粒徑骨料時(shí)，抵抗荷載能力減弱，強(qiáng)度降低;②采用雙粒級(jí)再生骨料比例為1∶2時(shí)試件抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度最大，分別為8.02 MPa和2.08 MPa，相比單粒級(jí)（基準(zhǔn)）試件，抗壓強(qiáng)度下降12.4%。此外，摻配比例為1∶1和2∶1時(shí)抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度接近，摻配比例為3∶2時(shí)強(qiáng)度最小，分別僅為1∶2時(shí)抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度的69.5%、67.8%。

再生透水混凝土抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖5。劈拉強(qiáng)度隨著抗壓強(qiáng)度的增大而增大，與ACI318[14]描述的抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度的關(guān)系一致，但劈拉強(qiáng)度略高于ACI318中的值。文獻(xiàn)[15-16]測(cè)得的普通透水性混凝土的拉壓比范圍在9%～14%內(nèi)，而本文得出的拉壓比在21%～27%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[15-16]中的，表明再生透水混凝土的脆性減小、韌性增大。

再生透水混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖6。Bhutta等[10]發(fā)現(xiàn)普通與再生透水混凝土孔隙率為23%～28%時(shí)抗壓強(qiáng)度近乎呈線性下降的趨勢(shì)。Rasiah等[7]研究得出，抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系，且抗壓強(qiáng)度隨孔隙率的增大而降低。本文得到的透水混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系與文獻(xiàn)[10]的基本一致，呈線性下降趨勢(shì)，原因可能是再生透水混凝土孔隙越多，混凝土中應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度越低。

5 結(jié) 論

將拆除的廢棄混凝土路面經(jīng)機(jī)械破碎及篩分獲得再生骨料，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)及分析，研究骨料級(jí)配對(duì)再生透水混凝土強(qiáng)度及透水性能的影響，主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得再生透水混凝土密度范圍在1 730～1 800 kg/m3之間，單級(jí)配的再生透水混凝土的密度相比雙級(jí)配的高，其中粒徑比為3∶2的密度最低，為1 732 kg/m3。其透水系數(shù)范圍為3.28～4.39 mm/s，該系數(shù)隨著孔隙率的增大而提高，與相關(guān)研究成果一致，主要原因是隨著混凝土內(nèi)部孔隙增多，相應(yīng)其有效過(guò)水面積增大，過(guò)水量和速率增大，從而提高了透水性能。

（2）單級(jí)配的再生透水混凝土抗壓強(qiáng)度（為9.16 MPa）高于雙級(jí)配的。雙級(jí)配粒徑比為1∶2時(shí)試件抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度較大，相比單級(jí)配（基準(zhǔn)）試件，抗壓強(qiáng)度下降12.4%;RPC3-2的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均較低。

（3）就透水性而言，摻加粒徑5～10 mm的再生骨料能夠提高再生透水混凝土的透水系數(shù)，其中摻配比為2∶1的雙級(jí)配再生透水混凝土能夠在較高的強(qiáng)度基礎(chǔ)上保證良好的透水性。

（4）試驗(yàn)得到再生透水混凝土的劈拉強(qiáng)度隨著抗壓強(qiáng)度的增大而增大，劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系為正相關(guān)，拉壓比范圍在21%～27%之間，表明其脆性減小、韌性增大。

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【責(zé)任編輯 張華巖】