成型方式對(duì)不同骨料透水混凝土性能影響試驗(yàn)研究

唐海峰，崔皓楠，成梓煜，李卓宇，楊凱文，王袆晨，程海麗 劉闖，唐勝世，翁瀚堯，張久玖，孫雪倩

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

近年來，我國(guó)建筑垃圾年產(chǎn)量飛速增長(zhǎng)，有學(xué)者統(tǒng)計(jì)，因每年工程建設(shè)而產(chǎn)生的固廢材料年產(chǎn)量高達(dá)20 億t 左右，其中廢棄混凝土占總量的65%[1]。面對(duì)資源約束趨緊、生態(tài)系統(tǒng)破壞的嚴(yán)峻形勢(shì)，如何將廢棄混凝土材料回收利用，制成再生骨料使其重新獲得利用價(jià)值，成為土木工程材料中的熱點(diǎn)研究話題，固廢的利用也同時(shí)響應(yīng)了國(guó)家對(duì)于“加強(qiáng)海綿城市建設(shè)”的有關(guān)政策[2]。

透水混凝土是一種由水泥、水、粗骨料和外加劑拌和而成的一種具有生態(tài)功能的混凝土，其孔隙成均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有良好的透氣性和透水性。相對(duì)于普通混凝土而言，其質(zhì)量輕但各項(xiàng)性能較好，不但有利于城市洪澇時(shí)對(duì)于大面積排水的需求，而且有助于城市生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。同時(shí)，透水混凝土能夠更加適應(yīng)當(dāng)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展要求，以及現(xiàn)代路面交通發(fā)展需要。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)透水混凝土的透水性及強(qiáng)度開展了大量的研究[3－6]。但針對(duì)不同成型方式下，再生骨料和天然骨料透水混凝土的強(qiáng)度及透水性能的對(duì)比研究較少。因此，采用4 種不同成型方式，對(duì)再生骨料透水混凝土和天然骨料透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能進(jìn)行了試驗(yàn)和對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)用原材料及配比

1.1 試驗(yàn)用原材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)選用北京金隅北水環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5 的普通硅酸鹽水泥;其28 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度如表1 所示。

表1 水泥的性能

1.1.2 骨料

將來自舊建筑拆除的廢棄混凝土經(jīng)粉碎、篩分等處理后作為再生骨料，篩分粒徑為2.36～4.75 mm 及4.75～9.50 mm 兩種，其物理性能數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 骨料性能

1.1.3 外加劑

試驗(yàn)采用聚羧酸系減水劑。

1.2 配合比

試驗(yàn)水膠比為0.3，采用天然骨料的粒徑分別為4.75～9.5 mm 和2.36～4.75 mm 兩種粒徑，兩種粒徑骨料的比例為4∶1。再生骨料透水混凝土試件用同級(jí)配、等質(zhì)量的再生骨料替代天然骨料，其余條件與天然骨料透水混凝土試件相同。具體配合比數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 透水混凝土配合比kg

1.3 主要成型設(shè)備

1.3.1 平板振動(dòng)儀

試驗(yàn)所用平板振動(dòng)儀型號(hào)為W－LD，頻率50 Hz，功率370 W，工作電壓220 V。

1.3.2 水泥膠砂振實(shí)臺(tái)

試驗(yàn)所用振實(shí)臺(tái)型號(hào)為ZS－15 型，振幅15±0.3 mm，振動(dòng)頻率為60 次/（60 s±1 s）。

2 試驗(yàn)方法

2.1 成型方式

2.1.1 手工插搗+平板振動(dòng)

將拌合好的混凝土一次性裝入100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土成型模具中，用扁鏟沿模具每面插搗10 次左右。插搗完成后，用混凝土平板振動(dòng)儀沿混凝土表面振動(dòng)并施壓60 s，然后用抹刀抹平。

2.1.2 手工插搗+振實(shí)法

將拌合好的混凝土一次性裝入100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土模具，用扁鏟沿模具每面插搗10 次左右，插搗完成后，將其放在水泥振實(shí)臺(tái)上振動(dòng)10 次，然后用抹刀抹平。

2.1.3 手工插搗法

將拌合好的混凝土分3 次裝入100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土模具，每次裝填模具高度的1/3。每次裝填后用扁鏟沿模具側(cè)面插搗5 次。第三次插搗完成后，用抹刀抹平。

2.1.4 振實(shí)法

將拌合好的混凝土一次性裝入100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土模具，將其放在水泥振實(shí)臺(tái)上振搗10 次，然后用抹刀抹平。

2.2 試驗(yàn)方法

將各組混凝土在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)完成后，進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)。連通孔隙率測(cè)定參見《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CJJT 253—2016），抗壓強(qiáng)度測(cè)定參見《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同成型方式對(duì)透水混凝土性能的影響

每組試件的連通孔隙率與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示，不同成型方式對(duì)連通孔隙率和4 個(gè)月抗壓強(qiáng)度的影響分別如圖1 和圖2 所示。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 不同成型方式對(duì)兩種骨料透水混凝土連通孔隙率的影響

圖2 不同成型方式對(duì)兩種骨料混凝土強(qiáng)度的影響

3.1.1 不同成型方式對(duì)透水混凝土孔隙率的影響

從圖1 可以看出，無論是再生骨料還是天然骨料，手工插搗法成型的透水混凝土連通孔隙率較大。這是由于手工振搗并不均勻，導(dǎo)致試件內(nèi)部孔隙較多，故連通孔隙率較大。

振實(shí)法成型的透水混凝土，水泥漿在拌合物成型過程中不斷下沉，導(dǎo)致試件上部的水泥漿體較少，膠凝材料分布不均，使骨料之間沒有形成較優(yōu)良的黏結(jié)，骨料之間存在較多上下貫通的孔隙，進(jìn)而導(dǎo)致試件的連通孔隙率較大[7]。

手工振搗+平板振動(dòng)和手工振搗+振實(shí)法成型方式制作的混凝土試件連通孔隙率相對(duì)較小。這兩種方式在手工插搗后又分別進(jìn)行了平板振動(dòng)和振實(shí)臺(tái)振實(shí)，其中平板振動(dòng)使得骨料因重力作用進(jìn)一步下移并填充了部分孔隙，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的平板振動(dòng)會(huì)破壞部分表層骨料并產(chǎn)生更為細(xì)小的顆粒，因重力作用繼續(xù)填充部分孔隙，使骨料達(dá)到相對(duì)密實(shí)的狀態(tài)，連通孔隙率進(jìn)一步減小[8]。振實(shí)臺(tái)底部振實(shí)能夠使得模具中下層的骨料因振動(dòng)而進(jìn)一步填充，使部分底部骨料產(chǎn)生位移，堵塞部分連通孔隙進(jìn)而達(dá)到密實(shí)，同時(shí)也會(huì)使得上層的水泥漿體向下流動(dòng)，底部漿體沉積使連通孔隙進(jìn)一步減少，同時(shí)水泥漿能更均勻地包裹骨料,進(jìn)一步填實(shí)孔隙，降低孔隙率[9]。

3.1.2 不同成型方式對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響

手工插搗容易破壞混凝土試件中骨料表面的水泥膠凝漿體，并使得拌合物的每一層連接處形成強(qiáng)度薄弱面，且手工插搗與機(jī)械振動(dòng)或機(jī)械振實(shí)相比不易使混凝土密實(shí)，因此混凝土試件的強(qiáng)度較低[10]。

振實(shí)法成型的混凝土試塊強(qiáng)度值最低，其中天然骨料的抗壓強(qiáng)度值低至6.4 MPa。這是由于未經(jīng)手工插搗的混凝土僅靠振實(shí)可使混凝土拌合局部密實(shí)，但整體試件達(dá)不到均勻振實(shí)，同時(shí)拌合物中水泥漿下滲，使得拌合物上部漿體稀少，使試件上部骨料之間形成較為薄弱的黏結(jié)面，它們之間沒有水泥膠體的黏結(jié)，不能支撐混凝土骨架，使其抗壓強(qiáng)度降低[8]。

手工插搗+振實(shí)法成型的混凝土試件經(jīng)過插搗和振實(shí)，水泥漿體充分填充骨料之間的孔隙，骨料顆粒形成較好的黏結(jié)使孔隙率進(jìn)一步降低，骨料之間的連接更加牢固，增大了混凝土試件的強(qiáng)度。手工振搗+平板振動(dòng)的成型方式在振搗過程中使得骨料間距進(jìn)一步得到壓縮密實(shí)，骨料之間形成有效穩(wěn)定的搭接和嵌擠，同時(shí)也使得漿體更加均勻地分布在骨料之間，提高了混凝土試件的強(qiáng)度[8]。

3.2 兩種骨料透水混凝土性能對(duì)比

從圖1 可見，在透水性能方面，由于再生骨料吸水率較天然骨料大，使得再生骨料透水混凝土拌合物的有效水灰比較天然骨料透水混凝土低，且天然骨料粗糙不規(guī)則的表面使其與水泥漿的嚙合能力強(qiáng)，混凝土拌合物更加密實(shí)，因此再生骨料透水混凝土的孔隙率較天然骨料透水混凝土低。

由圖2 可見，在強(qiáng)度方面，再生骨料透水混凝土強(qiáng)度值優(yōu)于天然骨料透水混凝土。這是由于經(jīng)二次破碎、篩分的再生骨料表面粗糙、形狀不規(guī)則，相對(duì)于天然骨料，再生骨料與水泥漿體的嚙合能力更強(qiáng)，有效增加界面粘合力[11]。而天然骨料透水混凝土中天然骨料的表面相較再生骨料粗糙程度較低，與水泥漿的嚙合能力較低，因而強(qiáng)度較低。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述對(duì)比試驗(yàn)后，對(duì)透水混凝土不同成型方式對(duì)其透水性及強(qiáng)度性能影響以及再生混凝土與天然骨料混凝土性能影響總結(jié)如下。

4.1 手工插搗法制備的混凝土透水性能最好，但強(qiáng)度較低；振實(shí)法制備的混凝土透水性能較手工插搗法稍弱，強(qiáng)度最低；手工插搗+振實(shí)法制備的混凝土透水性能較差，強(qiáng)度較低；手工插搗+平板振搗法制備的混凝土透水性能較差，強(qiáng)度最大。

4.2 手工插搗+平板振動(dòng)成型的再生骨料透水混凝土，其透水性能以及力學(xué)性能優(yōu)良，其綜合表現(xiàn)最佳，是最適宜透水混凝土的成型方式。

4.3 再生骨料透水混凝土的綜合性能優(yōu)于天然骨料透水混凝土。