再生骨料品質對透水混凝土性能的影響

趙 斌，李如林，劉東基，姬晨光

（1.河北省建筑科學研究院有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北省建筑工程質量檢測中心有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北建研工程技術有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

隨著我國城市化水平的不斷提升，拆遷和新建過程中產生的建筑垃圾隨之增多，而廢棄混凝土在建筑垃圾中所占比例較高，據統計全球每年約有建筑垃圾 20 億 t，其中廢棄混凝土大約 6 億 t，如果將棄混凝土經過加工后用作透水混凝土的骨料，可以在一定程度上減少對礦山的開采，保護自然資源，拓展再生骨料的應用范圍。透水混凝土是由膠凝材料、粗骨料、水、外加劑等拌制而成，由膠凝材料漿體包裹骨料粘結形成蜂窩狀結構的多孔混凝土。由于其內部的孔隙率能達到 15 %～25 %，所以，透水混凝土具有透氣、透水的特點，能夠緩解城市熱島效應、保護地下水資源和改善土壤生態環境［1，2］，因此，再生骨料透水混凝土具有多重環境效益和經濟效益，是一種優良的生態型路面材料。隨著海綿城市建設上升至國家戰略層面，透水混凝土作為海綿城市建設的重要組成部分，廣泛應用于公園道路、市政廣場、小區道路等承載要求相對較低的輕交通路面。

透水混凝上為骨架空隙結構、作為骨架的再生骨料，其壓碎指標、針片狀含量、骨料級配、微粉含量等指標對透水混凝土的主要性能有著很大的影響［3-6］，包括強度及透水性。并且由于受取材及生產工藝影響，一般來說再生骨料與天然骨料相比針片狀顆粒較多、強度低，微粉含量、吸水率較大，導致再生骨料在透水混凝土中的應用受到了限制。因此，本文對再生骨料壓碎指標、針片狀含量、骨料粒徑、微粉含量等指標對透水混凝土的主要性能抗壓強度及透水性的影響，可以為再生骨料在透水混凝土中的應用、透水混凝土用再生骨料標準的制定及再生骨料生產工藝的改進提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：采用 P·O42.5 R 普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能如表 1 所示。

表1 水泥的物理力學性能

增強料：采用硅灰作為增強料，硅灰的性能指標如表 2 所示。

表2 硅灰的性能指標

外加劑：采用聚羧酸高性能減水劑，其性能指標如表 3 所示。

表3 聚羧酸減水劑性能指標

再生骨料：本實驗采用小型顎式破碎機分別對不同原強的廢棄混凝土進行破碎，用試驗篩對破碎物進行篩分控制粒徑及級配，水洗方式控制微粉含量，分別得到顆粒級配、壓碎值、微粉含量等性能指標不同的再生骨料。

拌合及養護用水：飲用水。

1.2 成型及試驗方法

攪拌與成型：先將再生骨料和一半水量加入攪拌機攪拌 30 s，然后加入水泥及硅灰與剩下一半拌合水逐漸加入攪拌機進行攪拌，整個攪拌過程控制在120～180 s，試件成型時的拌合物工作狀態以“漿體均勻包裹骨料顆粒，粘結良好，不松散，手攥成團為宜”。將攪拌均勻的混凝土裝入 150 mm×150 mm×150 mm 的抗壓試模和高 50 mm、直徑 100 mm 的透水試模中，搗棒均勻插搗后采用低頻平板振動器抹壓到位。抗壓強度試驗依據 GB/T 50081－2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。透水混凝土透水系數依據 CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技術規程》進行。

1.3 配合比設計

本試驗采用體積法進行設計，基準配合比如圖4 所示。

表4 基準配合比 kg·m-3

2 試驗結果與分析

2.1 再生骨料壓碎值對透水混凝土性能的影響

透水混凝土主要由再生骨料之間相互咬合形成骨架結構，透水混凝土強度取決于骨架之間接觸點處的黏結力和骨料的強度，再生骨料的強度直接影響了透水混凝土的力學性能，骨料的強度通常用壓碎值表征。再生骨料的壓碎值一般在 10 %～30 %，本文選取了粒徑為 4.75～9.50 mm單一級配壓碎值分別為 10.4 %、12.2 %、14.8 %、16.3 %、19.8 %、22.5 % 的再生骨料，研究其對透水混凝土 28 d 強度的影響，試驗結果如圖 1 所示。

圖1 骨料壓碎值對透水混凝土抗壓強度的影響

從圖 1 中可知，隨著骨料壓碎值的增大，透水混凝土的抗壓強度呈現逐漸降低的趨勢，在壓碎值為 10.4 %時達到最大值 29.1 MPa。同時，在所選取的骨料壓碎值水平范圍內，抗壓強度值前后相差不明顯，并且可以看到，骨料壓碎值減小到一定程度后，透水混凝土抗壓強度提升速率開始減緩。這是由于透水混凝土的抗壓強度不僅取決于骨料壓碎值，還與膠凝材料與骨料之間的過渡區、骨料形貌等因素有關。通常情況下，小的水灰比有利于減小界面過渡區的寬度，有利于強度的提升；另一方面，由于容易出現應力集中，骨料中針片狀顆粒含量應盡可能的少，其對于體系的強度起負面作用。

2.2 再生骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

骨料粒徑在透水混凝土的抗壓強度和透水性方面起著十分關鍵的作用，通過大量研究，得到一致結論，認為骨料粒徑越大透水混凝土的透水性能越強，而抗壓強度則會越低。為了明確具體的影響效果，本文采用單粒粒級的再生骨料，選取粒徑分別為 2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm、9.50～16 mm、16～19 mm 和 19～26.5 mm 的再生骨料，研究了粒徑對透水混凝土 28 d 抗壓強度、透水性能的影響，試驗結果如圖 2 和圖 3 所示。

圖2 骨料粒徑對透水混凝土抗壓強度的影響

圖3 骨料粒徑對透水混凝土透水系數的影響

由圖 2 和圖 3 可知，透水混凝土隨骨料粒徑變化規律為：隨著骨料粒徑的增大，抗壓強度出現明顯下降，而透水性能則明顯上升。由于大粒徑骨料比表面積較小，彼此之間的接觸位點少，導致膠凝材料對其粘結作用降低，使透水混凝土的抗壓強度減小。同理，較少的接觸位點使體系內部更容易形成貫通的，并且彎曲程度小的孔隙，使水更容易通過，從而透水系數提高。

在最小粒徑范圍內，抗壓強度達到最大值28.83 MPa，此時，透水系數僅為 0.43 mm/s，低于 CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技術規程》的標準要求，相反，當粒徑范圍增大到19～26.5 mm 時，抗壓強度減小為 14.33 MPa，而透水系數變為 3.21 mm/s，兩指標前后差異明顯，說明骨料粒徑對透水混凝土的抗壓和透水性能起到十分關鍵的作用。綜合考慮，取骨料粒徑為 4.75～9.5 mm為宜，此時即可滿足透水率要求，同時又最大限度地保證了材料強度。

2.3 再生骨料級配對透水混凝土性能的影響

由 2.2 中可以看出，在骨料粒徑 4.75～9.50 mm 到9.50～16.0 mm 材料抗壓強度與透水系數分別出現了驟升和驟降，因此選取粒徑為 4.75～9.50 mm 和9.50～16.0 mm 以 10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8、0∶10 混合得到 5 種級配的再生粗骨料，考察了其對透水混凝土 28 d 抗壓強度和透水性能的影響。實驗結果如圖 4、圖 5 所示。

圖4 骨料級配對透水混凝土抗壓強度的影響

圖5 骨料級配對透水混凝土透水系數的影響

從圖 4 和圖 5 中可知，隨著骨料級配中 9.50～16.0 mm 顆粒含量的增加，透水混凝土的強度呈現下降趨勢，其原因在于，當大粒徑骨料加入時，與 2.2 中結論類似，骨料間接觸位點減少，導致膠凝材料對其粘結效果變差，少量大粒徑骨料產生的縫隙由小粒徑骨料填充，提高了密實度，這也很好的解釋了骨料級配 8∶2 時抗壓強度出現了略微提升的原因。對于透水性，其變化趨勢與抗壓強度相反，隨著大粒徑骨料摻量的增加而大致呈現上升的趨勢。因此骨料粒徑 4.75～9.50 mm：9.50～16.0 mm 為 8∶2 為最優級配。

2.4 再生骨料微粉含量對透水混凝土性能的影響

再生骨料生產過程中產生的粒徑＜0.16 mm的粉塵為再生微粉，該微粉主要成分為硬化水泥石、粗骨料和細骨料的碎屑，不包含泥塊含量。研究微粉含量對透水混凝土性能的影響，既可保證透水混凝土的性能，又能合理利用微粉，減少資源浪費，避免二次污染。本研究選取了粒徑為 4.75～9.5 mm，并分別摻入 1.0 %、2.5 %、4.0 %、5.2 %、6.67 %、8 %、9.2 %、14.5 % 的再生微粉等量替代粗骨料，研究其對透水混凝土 28 d 強度的影響和透水性能的影響，試驗結果如圖 6 和圖 7 所示。

圖6 骨料微粉含量對透水混凝土抗壓強度的影響

圖7 骨料微粉含量對透水混凝土透水性的影響

由圖 6、7 可以看出，在骨料微粉含量為 8.0 % 以內時，透水混凝土抗壓強度變化不大，甚至有略微提升，在 8 % 達到最高值 27.8 MPa，之后開始出現驟降，其原因在于，少量的微粉不僅可以起到填充效應，其含有的SiO2能與水泥中的 Ca（OH）2反應生成水化硅酸鈣凝膠，填充在混凝土內部的孔隙中，增加密實度，提升強度。對于透水性而言，隨著微粉含量的增加，透水性混凝土透水系數呈現上升趨勢，當微粉含量為 14.5 % 時達到最大，此時透水系數為 2.66 mm/s。在保證透水混凝土強度，并且透水性滿足標準要求的情況下，微粉含量在 8 % 左右為宜。

3 結論

本文主要研究了骨料壓碎指標、骨料粒徑與級配、微粉含量等指標對透水混凝土強度和透水性的影響，研究結果如下。

1）再生骨料壓碎值對透水混凝土抗壓強度影響相對較小，當骨料壓碎值為 10.4 % 時，抗壓強度最大，為29.1 MPa。

2）骨料粒徑對透水混凝土抗壓強度和透水性能影響較大，在粒徑范圍在 4.75～9.50 mm 為宜，此時即可滿足透水率要求，同時又能最大程度的保證材料強度。

3）對于骨料級配，在單一小粒徑骨料中摻入少量大粒徑骨料有利于透水混凝土抗壓強度的提升，在骨料粒徑 4.75～9.50 mm∶9.50～16.0 mm 為 8∶2 時為最優級配。

4）少量的微粉可略微提升透水混凝土的抗壓強度，但含量超過 8 % 以后會出現驟降，而透水系數則隨著微粉含量的增加而升高，綜合考慮，微粉含量在8%左右為宜。Q