再生混合骨料透水混凝土性能研究

汪博傲，祁天杰，李 旭，徐婧文，李丹露

（中國礦業大學徐海學院，江蘇 徐州221009）

混凝土作為建筑材料，在當代建筑行業中被大量使用。據統計，中國每年混凝土工程數量遠超其他國家。混凝土用量隨著房屋、道路的大規模建設而增加，從而產生了大量的建筑垃圾，因為混凝土耐久性能好的特點，產生的廢棄垃圾難以自然分解，所以容易產生永久性污染，給環境生態帶來危害與影響。

我國每年拆除建筑物產生的廢棄混凝土，導致了非常嚴峻的環境問題。因而，對于建筑垃圾的資源化處理以及再利用，既可以解決建筑垃圾引發的環境問題[1]，也可以節約反復利用大量的天然骨料，緩解天然資源日益緊張與經濟高速發展的矛盾。作為循環經濟不可缺少的重要組成部分，廢棄混凝土回收產業發展的重要性不言而喻。而對于廢棄骨料的回收與再利用，是實現中國傳統建筑垃圾資源化的主要方法。

透水混凝土因其多孔結構帶來的空隙率，具備良好的滲水能力，經常運用于人行道、消防通道等路面。使用透水性混凝土，有利于降低環境的溫度，增加環境的濕度，維護生活環境，改善地表生態循環的同時可以緩解城市的“熱島效應”。因此，用廢棄的樓板、屋面、樓梯等制備成再生混凝土骨料去取代透水性混凝土中的部分骨料，不但可以利用廢棄資源，而且節約了成本，發揮了改善環境等多重作用[2]。

為了研究砂率、再生骨料取代率與粗骨料粒徑級配對再生骨料透水混凝土實際性能的影響，本小組對其展開研究并設計相關試驗。

1試件制作與試驗步驟

1.1 配合比設計

因為再生骨料透水性混凝土和傳統混凝土的結構以及所用骨料的不同，所以傳統的水泥混凝土配合比不適用于再生骨料透水性混凝土，而是必須根據再生透水性混凝土自身的特點，以及工程項目或設計的要求進行分析或者調整[3]。

透水混凝土組成的主要元素包括粗集料、漿體和孔隙，其中粗集料表面上的漿體包裹形成粘結層，粗集料堆積形成透水混凝土的基本骨架單元，集料與集料、集料與漿體、漿體與漿體之同形成孔隙結構。孔隙則分為封閉孔、半連通和連通孔三種結構，透水混凝土之所以具有透水性能，是因為其結構中的連通孔是穿透性的水流通道。因而，使用體積法來設計透水混凝土配合比的基本原理為通過計算集料體積、漿體體積和孔隙體積，從而確定透水混凝土配合比。

考慮到本次試驗所用骨料中摻有再生混合骨料，且再生混合骨料（再生石子：再生磚）的比值為5：1，所以此次試驗的水灰比定在0.30[4]。

1.2 試驗原材料與制備

再生骨料：再生骨料的制備主要來源于廢棄工地。在試驗計劃制定完成后，從周邊尋找一處廢棄的建筑工地。再從廢棄工地中，挑選混凝土樓板、屋蓋以及樓梯等部分，將其中的鋼筋取出后，保留混凝土部分，再收集廢棄普通燒結磚并將其分別裝入收納袋帶回試驗室，經過簡單的清洗和晾曬之后，先使用鄂式破碎機將其破碎，再用鐵錘處理較小體積、未完全破碎的廢棄混凝土和磚[5]，然后將破碎以后的再生混合骨料表面的灰塵和泥漬通過清洗和晾曬，使用自動篩分機篩分后分別得到粒徑為4.75～9.5 mm、9.5～16 mm、16～19 mm的再生石子和再生磚，最后再次清洗晾曬，得到試驗用再生骨料。

水泥：本試驗采用P·O 32.5水泥；

細骨料：天然河砂；

硅灰：采用鞏義市邦潔凈水材料銷售有限公司所售的灰色硅灰，各項含量如表1所示；

表1 硅灰主要指標

試驗所用水：中國礦業大學文昌校區教一樓自來水。

1.3 制作試件

在準備拌合混凝土試驗開始，提前6-8 h用容器盛放此試驗所需的再生混合骨料，拌合混凝土，并將試驗所需再生混合骨料加入試驗室自來水，使其潤濕。輕輕地將浸潤后的再生混合骨料從容器中取出，瀝去再生混合骨料表面的多余水分，使其處于飽和面干狀態。

本次混凝土試塊的制作采用插搗成型法，相比于壓力成型法和振動成型法，具有制作簡易、保持試塊力學性能以及不會產生離析現象等特點，故本次試塊制作采用插搗成型法。

本次試驗所需混凝土的拌制方法采用水泥裹石法，當開始拌制混凝土時，先將全部集料倒入試驗容器里進行拌合，同時加入70%的拌合水。接著，加入一半用量的水泥，與其充分拌合。最后將剩余水泥與拌合水再次加入并拌合3 min，直到水泥漿均勻將集料表面包裹覆蓋。

本次試驗共有9組，每組3個試件。將拌合好的材料分三次填料加入準備好的100 mm*100 mm*100 mm的模具中，并在每次填料后，使用插搗棒，在每層均勻插搗25次，最后再用抹刀抹平并壓實試件表面，使集料顆粒彼此粘接起來構成一個整體，完成混凝土試塊的制作[6]。

試件養護：因為透水混凝土試件孔隙率件較大的特征，為防止試件中的水分大量蒸發導致其中水泥水化反應無法進行，遂在試件澆筑完成后隨即在試件表面覆蓋一層保鮮膜，并放入養護箱內標準養護28 d。

1.4 抗壓強度

按照GB/T50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試，以每秒0.2 MPa的速度加載。根據規范，因為本次試驗使用的是100 mm*100 mm*100 mm的模具，故在計算抗壓強度承載力時乘以0.95的換算系數。

計算公式為：fce=F/A

1.5 透水系數

本文采取了如圖所示的試驗裝置進行透水系數的測定，試驗步驟如下：

圖1 透水系數測試儀裝置示

將混凝土試塊側面用液態石蠟涂抹后，裝入鋼套桶中。在試件與鋼套筒相接處依次均勻涂抹硅膠及石蠟；在玻璃套筒與鋼套筒相接處均勻涂抹硅膠及石蠟，防止試驗裝置接縫處漏水。從注水口中注水觀察水是否只從鋼套孔下端流出，同時若接縫處沒有出現石蠟裂痕或者滲出小水珠的現象，即可開始透水系數的測定。將試驗裝置放入水槽內，用水管從玻璃套筒頂部注水，水流速度保持不變，直至注水量與溢水口的水量及試件的透水量穩定時，記錄十秒時間內所接得的水量。

透水系數的計算公式為：K=Q*L/(H*A*t)

1.6 表觀密度

采用體積法進行測試，等待試件養護至一定齡期后，將其置于干燥空氣中靜置，使試件處于干燥狀態。之后采用電子天平和游標卡尺測試試件質量與體積。為減小試驗誤差，每組3個試件全部進行測試，取其平均值作為該組試件的表觀密度測試結果。

按下式求得材料的表觀密度：ρ=m/V

2. 正交試驗設計

為了分析再生混合骨料摻量、砂率、骨料粒徑三者對再生骨料透水混凝土抗壓強度、透水系數、表觀密度的影響，在目標孔隙率20%，水灰比0.30，再生混合骨料中（再生石子：再生磚）的比例為5：1，硅灰摻量為5%的固定條件下，綜合考慮了以下因素：再生骨料摻量、砂率、骨料粒徑，采用L9（33）正交試驗設計，正交試驗因素水平見表正交試驗設計及各組分摻量見表2。

表2 正交試驗因素水平

表3 再生骨料透水混凝土配合比設計

3.試驗的結果與分析

試件破壞過程及破壞形態：在逐步加載的過程中，試件內部發出微小的“砰砰”聲并逐漸增大，并且伴隨聲音產生裂紋，開始時裂紋集中在應力集中區域（試件的邊角處）；隨著荷載的逐步增大，裂紋的數量越來越多，裂紋逐漸發展并且裂紋間相互連接，并逐步與試件內部孔隙相通，骨料顆粒隨之脫落，最后形成一條貫穿試件頂面與底面的裂縫或者試件整體破碎，宣布試件破壞，加載試驗結束。

表4 正交試驗結果

3.1 抗壓強度影響因素分析

由表5可得知對抗壓強度影響最大的是再生骨料取代率。

表5 正交試驗極差分析

隨著再生骨料取代率的提高，再生透水性混凝土試件的強度明顯下降。再生骨料取代率為40%的試塊相對于30%取代率的試塊強度降低了27.4%，取代率50%的試塊相對于40%取代率的試塊降低了9.9%；機理分析：再生骨料表面的老舊砂漿更容易脫落，并且再生骨料中的細微裂縫的數量多于天然骨料中的縫隙數量，使得再生骨料的抗壓強度低于天然骨料的抗壓強度。故隨著摻和量的提高，試件的抗壓強度處于逐漸下降的趨勢。

3.2 透水系數影響因素分析

由表5可知對透水系數影響最大的是骨料粒徑。

當粒徑從4.75～9.5 mm增大到9.5～16 mm時，透水系數的突然降低，機理分析可能是因為再生混合骨料顆粒裂縫被水泥漿液堵塞，導致透水系數減??；當粒徑從9.5～16 mm增大到16～19 mm時，隨著骨料粒徑的增大，再生骨料顆粒間接觸點減小，導致裂縫的孔隙尺寸增大，不容易被堵住，透水系數相應增大。

3.3 表觀密度影響因素分析

由表5可知對表觀密度影響最大的是再生骨料取代率。

因為相較于天然骨料，再生骨料中有更多的微小裂縫和孔隙，所以再生骨料的密度稍小于天然骨料。故隨著再生骨料的摻入量的提高，試件的表觀密度大致呈現下降的趨勢。再生混合骨料摻入量從30%提高到40%時，表觀密度相對降低了4%；而從40%提高到50%時，兩者表觀密度近乎相等。

4.結論

本試驗研究了再生骨料取代率、砂率和粗骨料粒徑對再生骨料透水混凝土抗壓強度、透水性系數以及表觀密度的影響，得出以下結論：一是隨著骨料取代率的增高，其表觀密度大抵呈降低的趨勢，同時抗壓強度有明顯增加。二是砂率的改變對試件的透水系數沒有明顯的影響，但是表觀密度與抗壓強度卻隨著砂率的增大而有所降低。三是隨著粗骨料粒徑增加，表觀密度增大但抗壓強度有所下降，透水性由于機理原因先降低然后增加。綜上，對再生透水性混凝土的表觀密度與抗壓強度影響最大的為再生骨料取代率，對透水系數影響最大的因素為粗骨料粒徑。