再生集料透水混凝土的試驗研究

邱振業

（廣東省基礎工程集團有限公司）

0 前言

透水混凝土是一種多孔、透水、透氣、輕質的混凝土，兼備吸聲降噪和有效凈化水體的作用，同時它還能改善地表土壤的生態環境，在一定程度上緩解地表徑流和城市建設過程中出現的熱島效應，是一種環境友好型的綠色環保材料，符合綠色生態發展的要求。然而，為了達到透水的效果，必須在混凝土內部預留大量孔隙，導致降低了混凝土的強度，目前，工程上使用的透水混凝土抗壓強度普遍低于25MPa。

目前，國家正在竭力推進“海綿城市”戰略，透水混凝土是建設“海綿城市”的優良道路材料，應高度重視透水混凝土的推廣和應用。

1 再生集料透水混凝土配制計算方法

1.1 參數確定

⑴孔隙率和透水系數：制備成功的透水混凝土總孔隙率和透水系數存在正相關性，即孔隙率越高，透水系數越大，孔隙率越低，透水系數越小。由于透水系數在配合比設計時并不直接作為設計參數，而集料本身又具有孔隙率這一物理常數，所以配合比設計時應把透水混凝土孔隙率取代透水系數作為參數。

⑵強度和孔隙率：對于透水混凝土而言，強度和孔隙率存在負相關性，即孔隙率越高則透水混凝土強度越低，而混凝土越密實則強度越高，所以在配合比設計時要平衡混凝土孔隙率和強度之間的相互關系。透水混凝土，顧名思義就是此混凝土必須具備一定的透水性，也就是說，我們必須要保證一定的孔隙率，由此可見通過增加膠材用量的方法來增加透水混凝土強度顯然是不可行的。所以在本次透水混凝土配合比設計時，我們將采用“固定孔隙法”設計，即在保證孔隙率的前提下，通過改變膠材強度、膠材種類和集料性能等方法來提高透水混凝土的強度。

1.2 材料用量計算方法

⑴骨料用量

透水混凝土選取的骨料用量按式⑴計算得出：

式中，

WG——單位體積透水混凝土骨料用量，㎏/m3；

ρGC——骨料的緊密堆積密度，㎏/m3；

α——折減系數，碎石取0.98。

⑵膠凝材料用量

透水混凝土單位體積=骨料體積+膠凝材料漿體體積+目標孔隙體積，所以單位體積透水混凝土的水泥漿體用量可按式⑵計算。

式中，

WJ——單位體積透水混凝土漿體用量，㎏/m3；

WG——單位體積透水混凝土骨料用量，㎏/m3；

ρG——骨料的表觀密度，㎏/m3；

Rvoid——目標孔隙率，%；

ρJ——新拌膠凝材料漿體的密度，㎏/m3。

⑶水灰比和水泥用量

以水泥為主要成分的膠凝材料在配制透水混凝土的過程中水膠比在0.25～0.35 范圍時比較合適，如果使用減水劑的話，那么水膠比應根據其減水率相應降低。除此之外，還應該通過試配試驗的手段，根據原材料特點及成型方法的要求來確定具體水膠比。確定水灰比之后，便可以確定單位體積透水混凝土中水泥以及拌合水的用量，按式⑶、式⑷計算。

式中，

WC——單位體積透水混凝土水泥用量，㎏/m3；

W/C——水膠比：

WW——單位體積透水混凝土拌合水用量，㎏/m3。

2 試驗原材料及性能測試方法

2.1 試驗原材料及性能

再生集料透水混凝土屬于特殊的綠色高性能混凝土，其對所需要的原材料有很高的要求，因此需要結合性能要求及實際生產的需要對原材料進行性能試驗，并確定所需的品種和規格。

2.1.1 水泥

水泥的選用除了滿足規范要求外，還應盡量選用標準稠度用水量較低、膠砂抗壓強度較高的品種，因此，經對比試驗后，清遠市英德海螺有限公司生產的P.Ⅱ42.5R 硅酸鹽水泥性能較優，主要性能指標見表1。

表1 水泥物理性能

2.1.2 再生集料

本實驗再生集料透水混凝土所選用的再生集料來源于廣花一級公路快捷化改造工程原路面破碎再生利用。粒徑范圍分別為2.5～5mm，5～10mm，10～15mm，15～200mm 的單級配二次回破再生集料，其含泥量不應大于1.0%，泥塊含量不應大于0.5%。本次試驗所選用的再生集料的物理性能見表2。再生集料的其余物理性能應符合現行行業標準《混凝土用再生骨料》（GB/T25177）的要求。

表2 碎石的物理性能

2.1.3 水

再生集料透水混凝土拌和用水應符合國家現行標準《混凝土拌和用水標準》(JGJ 63) 的要求。本試驗使用飲用自來水，其表觀密度為1000㎏/m3。

2.1.4 外加劑

再生集料透水混凝土對透水率及抗壓強度均有較高的要求，這就需要外加劑與膠材之間存在良好的適應性，因此再生集料透水混凝土對外加劑的要求也較高。我們通過對廣州市建科院、四航和強達等多家聚羧酸高性能減水劑進行比對試驗研究，得出廣州市建科院聚羧酸高效減水劑效果最好的結果，保持混凝土較優的和易性的同時其抗壓強度比較高。因此本試驗選用廣州市建科院聚羧酸高效減水劑，其物理性能見表3。

表3 外加劑的物理性能

2.2 性能測試方法

再生集料透水混凝土拌合物的工作性能主要包括孔隙率、透水系數、抗壓強度等。因透水混凝土一般為干硬性混凝土，所以普通混凝土常用的坍落度及擴展度方法并不適用于透水混凝土的性能檢測。本試驗主要采用以下幾種方法，來評價再生集料透水混凝土拌合物的工作性能。

2.2.1 孔隙率

再生集料透水混凝土的總孔隙率按式⑸計算：

式中，

V——透水混凝土試件的外觀體積，cm3；

W1——試件水中浸泡24h，在水中稱得的質量，g；

W2——烘干至恒重，稱取其在空氣中的質量，g。

透水混凝土的孔隙率試驗按照《再生骨料透水混凝土應用技術規程》(CJJT 253-2016)進行。

2.2.2 抗壓強度

再生集料透水混凝土的試件成型采用150×150×150mm 尺寸的標準試件，透水混凝土標準抗壓強度試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）進行。

2.2.3 透水系數

透水系數的測試采用透水系數測定儀（見圖1）。該裝置采用高度為H(mm)、斷面積為A(mm2)的圓柱形試件（見圖2），上部密封連接透明的圓柱形套筒，并在套筒的上部設一流出口。將其放入一個水槽中，水槽的上部設出水口。水槽出水口至套筒出水口之間的距離為水位差h。試驗前將試件充分飽水，將水槽中充滿水，直至水從出水口流出；從套筒上部不斷給水，使試件上部水位高度保持不變，測定從水槽出水口流出的水量Q(mm3)和出水時間Δt(s)，則透水系數T 按式⑹計算。

圖1 透水系數測定儀示意圖

圖2 透水混凝土圓柱形試件圖

3 配合比設計試驗

本配合比試驗主要是針對廣花一級公路地下綜合管廊及道路快捷化改造配套工程設計，其設計強度等級為C25，基準配合比代號為A。

配合比設計方法：預先設置總孔隙率，以此確保再生集料透水混凝土具有的透水性能，再針對實際試配情況進行優化調整，采取必要的措施提高混凝土的抗壓強度。

3.1 骨料粒徑的選擇

再生集料透水混凝土的設計強度等級為AC25，設其水膠比為0.30，目標孔隙率設定為18%，骨料粒徑選取2.5～5mm、5～10mm、10～16mm、16～20mm 四個粒徑范圍，則混凝土的配合比通過“固定孔隙法”的計算公式可以得出，如表4。

從表4 及表5 可以看出，隨著粗骨料粒徑的增加，再生集料透水混凝土中骨料的堆積密度隨之減小，碎石用量也越小，而新拌的透水混凝土漿體量越來越多。漿體的增加有利于混凝土抗壓強度的增長，但過多的漿體堵死了透水混凝土內部的孔隙結構，其透水系數大大降低，不符合透水混凝土的配合比設計理念，且A1 的28 d 抗壓強度未能達到C25 的設計要求，故初步選定A2為最佳配合比，碎石選取5～10 粒徑范圍為宜。

表4 再生集料透水混凝土配合比

表5 再生集料透水混凝土的性能

3.2 膠凝材料用量的確定

普通混凝土的抗壓強度一般隨水泥用量的增加而增大，但再生集料透水混凝土由于其透水性能的特殊性，在透水性能和抗壓強度之間要尋求其中的平衡點，因此衍生出“骨膠比”的概念，骨膠比和凝膠材料成反比，漿體對骨料的包裹層會隨著骨膠比的增大和膠凝材料的減少而愈發薄；反之，假如骨膠比過小，即膠凝材料增多，骨料表面的包裹層越厚。骨膠比過大或過小，都會影響粗骨料表面漿體層的均勻性，繼而直接影響孔隙率和抗壓強度，因此選擇合適的骨膠比極其重要。

從表6 和表7 中可以看出，隨著骨膠比的下降，水泥用量逐漸增大，保持水膠比不變，碎石用量不變的情況下，透水混凝土體系中的漿體量逐漸增多，透水混凝土抗壓強度也隨之增大。當骨膠比小于3.5 時，碎石表面的漿體包裹層過厚，透水混凝土體系的孔隙率及透水系數大大降低；當骨膠比大于3.5 時，透水混凝土體系的的膠凝材料漿體量顯的不足，部分碎石表面覆蓋漿體量較少，粘結強度不足，抗壓強度達不到C25 的設計要求。因此較佳的骨膠比為3.5，此時再生集料透水混凝土的透水系數及抗壓強度能取得較好的平衡。

表6 不同骨膠比的再生集料透水混凝土配合比

表7 不同骨膠比的再生集料透水混凝土性能

3.3 水膠比及外加劑摻量的確定

再生集料摻入到透水混凝土中會影響整個體系的實際用水量，使需水量增大，宜增大用水量，但同時為了避免因增加水膠比導致的透水混凝土抗壓強度下降，可適當增加聚羧酸系高性能減水劑摻量，多次試驗驗證后，減水劑摻量增加了0.1%。不同水膠比的再生集料透水混凝土配合比及性能見表8、表9。

表8 不同水膠比的再生集料透水混凝土配合比

表9 不同水膠比的再生集料透水混凝土性能

A15-A19 五組試驗對應的坍落效果圖見圖3。由于A15（A 組）的膠凝材料漿體稠度過大，導致新拌的透水混凝土松散且呈顆粒狀，干澀、無光澤，漿體不能均勻包裹骨料顆粒表面；隨著水膠比增大，外觀狀態逐漸改善，A17（C 組）的膠凝材料漿體稠度適中，新拌混凝土顆粒表面有金屬光澤，可以相互粘結保持容器狀態；增加外加劑摻量后，未適當降低水膠比的A18（D 組）和A19（E組）均有不同程度的離析現象，膠凝材料稠度太小，難以包裹在骨料顆粒表面形成穩定的結構層，出現膠凝材料漿體富余流淌的現象。所以A17 的配合比相比較優，確定再生集料透水混凝土的配合比為：水泥:水:石:外加劑=436:122:1550:6.1，見表10。

圖3 不同水膠比的再生集料透水混凝土坍落效果

表10 再生集料透水混凝土實際應用配合比

4 結論

將再生集料進行二次回破，降低其壓碎值、含粉量，提高其抗壓強度，降低其吸水率，使之符合再生骨料使用標準，能夠循環再利用。透水混凝土的抗壓強度和耐磨性能有了進一步提高，能滿足各種復雜路況的要求。