路用再生骨料透水混凝土的力學性能優化研究

田小風 李基恒 王新 張楗

路用再生骨料透水混凝土（PRAC）的力學性能直接影響再生骨料透水混凝土道路的質量。文章基于PRAC的破壞機理，從兩個方面研究其力學性能的優化：（1）在普通硅酸鹽水泥的基礎上，往PRAC的膠凝材料中分別摻入硅灰、粉煤灰、磨細礦渣粉等礦物摻合料和增強料、外加劑等進行試驗，研究膠凝材料的力學性能并分析其作用機理，從而提高水泥石強度;（2）對增加骨料之間的接觸點數量和面積時PRAC力學性能的變化規律進行改性研究。結果表明：通過摻入不同礦物摻合料可以顯著提高再生骨料透水混凝土水泥石的強度;通過改變PRAC的骨膠比，增加骨料顆粒表面包裹的膠凝材料的厚度，可優化PRAC的力學性能，提高PRAC的強度。

再生骨料;力學性能;礦物摻合料;透水混凝土

U416.03A030074

0 引言

瀝青混凝土路面、水泥混凝土路面等傳統路面透水性、透氣性差，當遭遇暴雨時，城市排水系統的壓力在短時間內劇增，從而容易發生積水內澇，降低道路行車安全性，同時也會造成經濟損失[1-2]。透水混凝土是一種改善城市生態環境的環保型建筑材料，目前在城市中有較多的應用，主要應用在園林工程中的輕荷載道路、城市廣場、停車場、步行街、人行道、樹池、居民小區內等道路的路面。透水混凝土作為一種環保材料，能夠很好地促進水循環，是海綿城市道路建設中必不可少的一個環節。再生骨料透水混凝土（pervious recycled aggregate concrete，簡稱PRAC）作為新型建筑材料，是一種再生骨料替代天然骨料，再由特定級配的再生骨料、水、膠凝材料、礦物摻合料和外加劑等按一定比例制備而成且具有連續孔隙的透水混凝土，具有良好的排水蓄水、透氣調溫、吸聲降噪以及凈化水體等生態環境效益。同時，再生骨料的替代減少了天然骨料的消耗，實現了建筑垃圾的資源再利用，能夠節約自然資源，實現保護生態環境的作用[3-5]。PRAC強度的影響因素較多，根據對PRAC的破壞機理進行分析，本文從提高膠凝材料強度、改善界面過渡區以及增加骨料之間的接觸點數量和面積等方面對PRAC的力學性能進行綜合分析。

1 透水混凝土破壞的原因

再生骨料透水混凝土在受壓破壞時，表面產生的裂縫是縱向通長的，在試件棱角位置處裂縫較多且產生骨料脫落，直至試件整體破碎，PRAC受壓破壞基本上沒有“環箍效應”。

再生骨料透水混凝土與普通混凝土的受壓破壞不同，屬于“骨架-空隙結構”，當它承受抗壓破壞時，表面的實體部分是它的受壓面，力的接觸面積小，所以承受的應力相對集中，骨料和骨料之間相互擠壓，通過膠凝材料層傳遞機械咬合力。當PRAC受到外力作用時，PRAC內部顆粒的接觸點將會受到集中應力作用，當應力超過承載力極限時，首先發生破壞的是骨料間的接觸面，緊接著發生骨料錯動，填充內部的孔隙，使試件變得更加密實。如果繼續加載，由于再生骨料強度較低，而且質量差異較大，除以上現象之外，部分再生骨料會伴隨擠壓破碎。

2 試驗

影響再生骨料透水混凝土強度的因素較多，在對PRAC的破壞機理進行分析的基礎上，本文將從提高膠凝材料強度和改善界面結構，增加骨料的接觸點數量和面積等方面對再生骨料透水混凝土的力學性能進行綜合性分析。

2.1 提高膠凝材料強度，改善界面結構

根據PRAC的破壞機理，再生骨料透水混凝土中的膠凝材料作為力的傳遞介質，主要作用有：（1）控制骨料間接觸點處的粘結強度;（2）傳遞骨料與骨料之間的機械咬合力。通過在膠凝材料中摻加磨細礦渣粉、粉煤灰、硅灰等礦物摻合料，以摻加增強料、外加劑等方式，可以改善膠凝材料漿體的微裂縫和孔結構，提高膠凝材料漿體的致密程度和強度，并改善骨料與漿體間的界面結構，從而有效地提高PRAC的力學性能。

2.2 試驗過程

2.2.1 粉煤灰對再生骨料透水混凝土水泥石強度的影響

通過圖1可知，摻加粉煤灰后的膠凝材料的早期強度較低，而后期抗折強度和抗壓強度有所提高，甚至超過基準膠砂的強度。原因是在摻加粉煤灰的二元膠凝材料中，膠凝材料的水化反應由水泥熟料礦物的水化反應和粉煤灰的火山灰反應兩部分組成。由于粉煤灰的礦物組成中大部分為玻璃體結構，且表面富集SiO2和SiO2-Al2O3，使其在水化早期具有較低的火山灰活性。首先，水泥熟料礦物在發生水化反應時生成Ca（OH）2，然后粉煤灰的活性成分與生成的Ca（OH）2發生二次水化反應，從而提高水泥石的后期強度。

2.2.2 礦渣對再生骨料透水混凝土水泥石強度的影響

通過圖2可知，礦渣摻量在20%以內，對膠凝材料抗折的早期強度和后期強度均有一定程度提高。礦渣摻量在15%以內對膠凝材料的早期強度有所提升，摻加磨細礦渣粉的二元膠凝材料在水泥熟料水化放出的Ca（OH）2的激發下，發揮膠凝效應和火山灰活性效應，使水泥石的早期強度基本不變，且后期強度有所提高。

2.2.3 硅灰對再生骨料透水混凝土水泥石強度的影響

通過圖3可以看出，膠凝材料中摻入硅灰，形成的硅灰微集料效應使水泥石早期強度和后期強度均顯著提高。由于硅灰的高火山灰活性效應和微集料填充密實效應，摻硅灰的二元膠凝材料不僅能夠顯著提高膠砂的早期強度，而且水泥石的后期強度也得到了顯著提高。

2.2.4 不同增強料對膠凝材料強度的影響

分別采用多元膠凝材料、可再分散性乳膠粉、聚丙烯纖維等制備PRAC，再生骨料用量為1 640 kg/m3，水用量為124 kg/m3，減水劑為

0.89 kg/m3，制備PRAC并測定抗壓強度。試驗結果如表1所示。

根據表1的試驗結果可知，由多元膠凝材料制備PRAC的抗壓強度影響最為顯著，

7 d、28 d的抗壓強度分別提高了23%和29%。通過試驗表明，由多元膠凝材料制備PRAC不僅能提高早期強度，并且使其綜合性能得到改善。在PRAC中摻加可再分散性乳膠粉可以明顯提高PRAC的抗壓強度，7 d、28 d的抗壓強度分別提高了10%、21%。首先，可再分散性乳膠粉在拌和中溶解形成乳液，黏性較大，可以有效地增大膠凝材料的粘結強度，提高骨料間的粘結力。另外聚合物顆粒填充在水泥漿體和界面過渡區的孔隙中，可通過改善混凝土的孔隙結構，從而提高PRAC的強度。摻聚丙烯纖維對PRAC的抗壓強度提升幅度較小。聚丙烯纖維具有較高的抗拉強度和韌性，可以有效地阻止混凝土的開裂。在PRAC中摻入聚丙烯纖維，纖維均勻地分布在水泥漿體中，增強水泥漿的粘結作用，共同承擔骨料間的剪切應力，從而提高PRAC的強度。

3 機理分析

骨料間的機械作用力是影響PRAC力學性能的重要因素之一。增加骨料間的接觸點數量，主要有兩個方面：（1）優化粗骨料級配，減少粗粒徑骨料的使用比例，隨著骨料粒徑的減小，骨料的總比表面積增大，接觸點增多，并且由于骨料趨于球形的幾率增大，接觸面積增大，從而使骨料之間的嵌擠作用和摩擦阻力增強，使透水混凝土的強度提高;（2）在保證PRAC骨架結構的基礎上，摻入一定量的細骨料，填充在粗骨料之間的空隙中，使細骨料在粗骨料之間相互搭接，從而使接觸點明顯增多，其骨架結構模型如圖4所示。通過改變PRAC的骨膠比，增加骨料顆粒表面包裹的膠凝材料的厚度，增大骨料間的接觸點面積，增強骨料間的粘結強度，從而使PRAC的強度得到提高。

4 結語

（1）采用摻粉煤灰、磨細礦渣粉、硅灰等礦物摻合料的多元膠凝材料，優化了路用再生骨料透水混凝土骨料之間的水泥石界面，從而大幅提升路用再生骨料透水混凝土的抗壓強度。

（2）在路用再生骨料透水混凝土中摻入一定摻量的可分散乳膠粉，可有效提升路用再生骨料透水混凝土骨料之間的粘結強度。

（3）加入聚丙烯纖維，其在水泥石中的網絡結構起到良好的阻裂作用，承擔骨料之間的剪切應力，從而提高了PRAC的強度。

[1]張明濤.混凝土礦物增強改性劑與增強機理研究[D].成都：西南科技大學，2011.

[2]聶 品.再生骨料透水混凝土的路用性能研究[D].鄭州：華北水利水電學院，2012.

[3]王永海.再生骨料透水混凝土力學性能的影響因素研究[J].工程質量，2015（5）：46-50.

[4]孫躍東.再生混凝土框架抗震性能試驗研究[D].上海：同濟大學，2006.

[5]肖力光，林 俠.再生骨料透水混凝土在海綿城市中的應用研究[J].吉林建筑大學學報，2017（4）：9-12.