再生骨料混凝土力學特性和透水性能研究與應用

劉詠梅

(中鐵二十三局集團第三工程有限公司 四川成都 611130)

1 引言

隨著我國經濟發展，在建設過程中產生了大量的建筑垃圾，對環境造成嚴重影響。將廢棄的建筑混凝土破碎后制備成再生骨料，部分代替或全部代替普通骨料，可以實現建筑垃圾資源化利用的目的[1-2]。再生骨料混凝土，具有透水性強、水泥用量少、經濟性強、施工簡便等優點，是一種低碳環保材料，在透水路面、水工結構及生態護坡等方面都有應用[3-6]。近年因全球氣候變化，很多地區出現極端氣候，降雨量極大、極端暴雨較多，這對路基的排水性能提出了更高要求。將透水性強的再生骨料混凝土用于路基填筑和路基邊坡防護工程中可以滿足這一要求。

目前，對再生骨料混凝土的力學性能已有一些研究。薛如政、朱建鋒等[7-8]以天然巖石骨料和再生粗骨料分別制備混凝土，對比二者的28 d強度后發現前者的強度比后者低20%左右。Wagih等[9]和Rahal[10]的研究結果表明，摻入再生骨料的混凝土其力學指標都比普通混凝土低，并且強度降低的程度與再生骨料的替換量成一定比例關系。Zaetang等[11]的研究結果表明:再生骨料摻入量對混凝土抗壓強度影響顯著，但二者之間并不符合線性關系，而是先增大、后減小的關系。Sriravindrarajah等[12]研究表明，混凝土的強度會隨著再生骨料摻量增加而降低，但在孔隙率基本不變的情況下，其透水性能也基本不變。目前針對再生骨料混凝土的劈裂性能、彎拉性能等力學性能的研究很少，系統研究其力學性能和透水性能的相關報道也很少。

本文系統研究再生骨料混凝土的力學性能和透水性能，探討再生骨料混凝土在多雨水和極端氣候頻發地區路基填筑和路基邊坡防護工程中應用的可能性。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

(1)拌和水:自來水。

(2)水泥:四川威遠西南水泥有限公司生產的32.5普通硅酸鹽水泥。

(3)外加劑:聚羧酸減水劑。

(4)天然骨料:樂山市沙灣區興遠砂石廠提供的骨料。

(5)再生骨料:采用廢棄混凝土試塊經破碎、篩分得到。

試驗用骨料的性能指標如表1所示。

表1 骨料基本性能

2.2 試驗方法

2.2.1 力學性能試驗

(1)抗壓強度和劈裂強度:采用SANS試驗機進行測試，試件尺寸為(150×150×150)mm，在試件和壓力機之間放置1根鐵棒，以測試劈裂強度。

(2)彎拉強度:使用SNT4605萬能試驗機進行試驗，對壓力試驗機進行改裝，來測試混凝土試件的三點彎拉強度和四點彎拉強度。

(3)單軸拉伸強度:在MTS試驗機上進行直接拉伸試驗，由于直接拉伸混凝土試件有困難，所以在(100×100×200)mm長方體試件的上下兩端用特殊的膠液黏粘兩塊鋼板。

以上試驗均通過位移控制試驗機進行，速率為0.1 mm/min。

2.2.2 滲透性能試驗

使用D＝70 mm、H＝150 mm的圓柱體試件進行滲透試驗。本研究采用“變水頭法”來測定不同再生骨料摻量下試件的滲透系數，試驗儀器為自制滲透系數測定儀。

滲透系數的計算公式:

式中:L為試件高度；A為橫截面面積。在水位差的作用下(h1-h2)，水從帶有刻度的變水頭管中自上向下滲過試件。試驗時，水位下降所用的時間記為t。

2.3 試驗方案

本研究中共制備了不同再生骨料摻量的混凝土試件，每種試件所用材料及用量見表2。

表2 試驗所用材料配合比

3 試驗結果和分析

3.1 再生骨料混凝土的力學特性

3.1.1 抗壓強度

圖1為不同再生骨料摻量下混凝土抗壓強度變化曲線。由圖1可知，混凝土的抗壓強度隨再生骨料摻量的增加而降低。當摻量不超過50%時，抗壓強度的降低速率較緩慢，而再生骨料摻量繼續增加，抗壓強度下降速度加快。這主要是因為再生骨料包含原混凝土中的水泥砂漿和粗骨料等成分，其成分多樣且分布不均勻，新拌水泥砂漿與再生骨料之間的膠結作用也不均勻且存在薄弱區，這些膠結作用薄弱區即為混凝土破壞的主因。此外，由于再生骨料是通過破碎混凝土分離而來，其承受過強烈撞擊，所以骨料表面和內部存在微裂紋，導致摻入再生骨料的混凝土強度不高。

圖1 混凝土抗壓強度變化規律

再生骨料的吸水性更強，隨著再生骨料含量的增加，大量的水將被再生骨料吸收，導致水泥水化需要的水量不足，水泥水化程度減弱，水泥與骨料間的膠結作用減弱，也導致混凝土抗壓強度的降低。總體上看，本研究的試驗結果表明，摻入再生骨料的混凝土，雖然抗壓強度降低，但仍屬于正常抗壓強度的范圍，特別是在再生骨料摻量不超過50%時，混凝土的抗壓強度仍能夠達到30 MPa以上；完全采用再生骨料制備的混凝土抗壓強度也在15 MPa以上，滿足生態護坡工程中混凝土抗壓強度高于10 MPa的要求。

3.1.2 劈裂強度

再生骨料混凝土的劈裂強度試驗結果如圖2所示。由圖2可知，未摻加再生骨料的試件劈裂強度為2.7 MPa，當再生骨料摻量達到50%時，劈裂強度只比完全采用天然骨料的混凝土降低了23.6%；當再生骨料完全替代天然骨料時，混凝土的劈裂強度仍達到1.3 MPa以上。

圖2 再生骨料摻量對混凝土劈裂強度的影響

3.1.3 彎拉強度

圖3為再生骨料混凝土的三點和四點彎拉強度試驗結果。圖中試驗結果顯示，完全采用天然骨料制備的混凝土的三點和四點彎拉強度分別為2.5 MPa和3.25 MPa；當再生骨料摻量增長到50%時，混凝土三點彎拉強度、四點彎拉強度與完全采用天然骨料制備的混凝土相比，分別只降低30.1%和18.3%；當天然骨料完全被再生骨料所替代時，三點彎拉強度、四點彎拉強度仍然可達到1 MPa以上，與完全采用天然骨料制備的混凝土相比，分別降低了40.5%和42.4%。

圖3 再生骨料摻量對混凝土彎拉強度的影響

3.1.4 單軸拉伸強度試驗結果

對不同再生骨料摻量的混凝土試件進行單軸拉伸試驗，結果如圖4所示。試驗結果顯示，當再生骨料的摻量提高時，抗拉強度峰值應力降低；摻量不超過50%時，強度損失較小；隨后，再生骨料摻量越大，抗拉強度下降越快，混凝土的彈性模量也表現出下降趨勢。

圖4 不同摻量下混凝土軸拉試驗應力-應變曲線

綜合上述試驗結果可知，在混凝土中摻入再生骨料后，混凝土的力學性能有下降趨勢，但當再生骨料摻量較小時，其力學性能下降幅度不大；完全采用再生骨料制備的混凝土其力學性能也能滿足路基填筑和路基邊坡防護工程中應用要求。

3.2 再生骨料混凝土的透水性能

3.2.1 滲透性能

使用D＝70 mm、H＝150 mm的圓柱體試件進行滲透試驗過程中發現，部分試件的端部有堵塞現象，為試件澆筑成型時砂漿下沉所致，屬于個別現象。本試驗對發生該種情況的試件進行了切割處理，測得的滲透系數隨再生骨料摻量的變化關系如圖5所示。由圖5可知，隨著天然骨料逐漸被再生骨料替代，混凝土的滲透系數逐漸增大。完全采用天然骨料制備的混凝土試件的滲透系數只有0.21 cm/s，而完全采用再生骨料制備的混凝土的滲透系數可達1.12 cm/s，提高4.3倍。可見，再生骨料的摻入有利于提升混凝土的滲透性能。

圖5 滲透系數與再生骨料摻量關系

3.2.2 保水性能

圖6為不同再生骨料摻量下試件的保水量隨蒸發時間的變化關系，通過在PVC管底部裹保鮮膜并加蓋，在縫隙處涂抹凡士林對其進行封堵，以阻止水從側面和底部的表面上流出。本試驗記錄了試件在標準養護室內9 d的保水量變化情況，從圖6中可以發現，再生骨料混凝土的保水量隨蒸發時間的變化趨勢相似，前期下降幅度較大，隨著時間增長，下降速率逐漸降低，蒸發速度變慢。通過對蒸發216 h后的保水量進行分析可以得到如圖7所示的變化關系，當再生骨料摻量不超過50%時，保水量大幅度增加，當再生骨料摻量繼續增加至100%，保水量平緩地提高。

圖6 保水量隨蒸發時間的變化關系

圖7 216 h保水量隨再生骨料摻量的變化關系

綜上所述，隨著再生骨料摻量的增加，混凝土的滲透性能和保水性能均逐漸變好，有利于再生骨料混凝土在多雨水地區和極端氣候條件下路基填筑和路基邊坡防護中應用。

4 應用

天府仁壽大道項目所在區域的地層巖性以泥巖為主，邊坡長期暴露容易風化掉塊，故挖方邊坡原則上根據邊坡高度采取不同形式的防護。邊坡防護形式主要有噴播植草、“人”字型骨架護坡、掛鐵絲網噴有機基材。其中對于緩于1∶0.75一級邊坡且高度H＞4 m，采用人字型骨架護坡，骨架內濕法噴播防護。經過實際應用，減少了項目的水泥用量，節約了成本，尤其是在雨水較多時，體現了較好的透水性，確保了邊坡的安全穩定。

5 結束語

(1)再生骨料混凝土的力學性能隨再生骨料摻量提高有下降趨勢，但當摻量不超過50%時，混凝土力學性能降低的幅度不大，其抗壓強度達30 MPa以上，劈裂強度達2 MPa以上，三點和四點彎拉強度分別可以達到2.54 MPa、3.32 MPa；當完全采用再生骨料制備混凝土時，其抗壓強度達15 MPa以上，劈裂強度達1.3 MPa以上，三點和四點彎拉強度可達1 MPa以上。

(2)隨著再生骨料摻入量的提升，混凝土的滲透性能和保水性能都有顯著增長，有利于再生骨料混凝土在多雨和極端氣候下路基填筑和路基邊坡防護工程中應用。

(3)再生骨料混凝土的抗壓強度能夠滿足路基填筑和路基邊坡防護工程中混凝土抗壓強度高于10 MPa的要求，透水性能也能夠滿足其在生態護坡工程中應用的要求，可以在生態護坡工程中正常應用。