再生骨料透水混凝土力學性能研究與應用

為了系統掌握再生骨料透水混凝土的力學特性及工程應用性能，通過試樣試驗系統研究了再生骨料透水混凝土力學性能，分析再生骨料摻量（比例）對劈裂強度、彎拉強度、單軸拉伸強度、混凝土抗壓強度、滲透系數和保水性能的影響，探討了再生骨料透水混凝土應用邊坡防護工程中的適用性。結果表明：再生骨料摻量對透水混凝土力學性能影響顯著，當再生骨料摻量（比例）不大于50%時，透水劈裂強度、彎拉強度、混凝土的抗壓強度及單軸拉伸強度均會降低約30%、當再生骨料摻量超過50%時，透水混凝土力學參數會顯著降低；采用摻量為50%的再生骨料的透水混凝土，其抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度、單軸拉伸強度均滿足規范要求，且相較傳統天然骨料人字形骨架具有良好的透水性和保水性，邊坡安全穩定系數更高。

再生骨料透水混凝土; 邊坡工程; 劈裂強度; 透水性能; 抗壓強度

TU528.1 A

［定稿日期］2022-12-05

［作者簡介］王岑（1975—），男，本科，高級工程師，研究方向為道橋、隧道工程施工技術與材料應用技術。

隨著我國經濟的不斷發展，建設中產生的大量建筑垃圾對環境不可估量影響。將廢棄的建筑廢棄物破碎并通過專業設備制成再生骨料用以代替混凝土中的普通骨料，不僅可以實現建筑垃圾資源化利用的目的［1-2］。還可以減少水泥用量。同時充分發揮再生骨料透水混凝土經濟性高、水泥用量少、透水性強等優點，在透水路面、水工結構及海綿城市建設中得到了應用［3-5］，對于推動城市發展的長效性、環境保護、節約資源都有著非常重要的意義。

近年來，國內外學者通過試驗研究手段研究了再生骨料透水混凝土進行了研究，如薛如政等［6］以天然巖石骨料和再生粗骨料分別制備混凝土，通過對比2種混凝土的28天標準抗壓強度后發現以天然巖石骨料制備的混凝土的強度比用再生粗骨料制備的混凝土高約20％。Wagih A 等［7］和Rahal K［8］研究表明，摻入再生骨料的混凝土的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（替換比例）成一定的正相關。Zaetang等［9］認為再生骨料摻入量（比例）對混凝土標準抗壓強度有著顯著的影響，但兩者之間并非簡單的線性關系，而是一種先增大后減小的關系。Sriravindrarajah等［10］研究發現混凝土的強度會隨著再生骨料摻量增加而降低，但是保持孔隙率基本不變時，用再生粗骨料制備的混凝土透水性能基本不變。上述研究成果對于認識再生骨料透水混凝土性能具有重要意義，為后續深入研究奠定了良好的基礎。

然而，目前研究主要集中在再生骨料透水混凝土的強度指標，鮮有對其劈裂性能、彎拉性能等力學性能和透水性能開展系統的研究。因此，本文依托成都天府新區公路項目，系統性研究再生骨料占比對混凝土抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度、單軸拉伸強度、滲透系數和保水性能的影響，希望可以為再生骨料透水混凝土在實際工程中的應用提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗方案

本文共設計了5組試驗，每組試驗都采用2個試樣，做2組平行試驗，通過試驗數據對比分析，并用平均值的方式來消除試驗誤差，試驗方案如表1所列。需要說明的是，由于再生混凝土骨料較天然骨料吸水率高、孔隙率大，在用再生骨料制備透水混凝土時，由于再生骨料自身會消耗一部分水，重而降低混凝土水灰比。為解決這一問題，本試驗增加減水劑用量以消除相關影響，具體用量采用現行規范 ［11］要求計算方法行計算。

1.2 試驗材料

試驗選用的天然骨料來源于樂山市地區某砂石廠，粒徑范圍為0～15 mm，密度ρ=2.652 g/cm3，吸水率w=1.32%，壓碎指標δa=4.0%；試驗用的再生骨料粒徑范圍為0～15 mm，密度ρ=2.633g/cm3，吸水率w=3.25%，壓碎指標δa=13.42%。試驗用水泥經檢驗合格的為P·O425普通硅酸鹽水泥，試驗用的拌合用水為檢驗合格的可用于拌和的普通自來水。

1.3 試驗方法

試驗方法及混凝土強度和透水性能檢測方法均采用CJJT 253-2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》［12］推薦的方法，嚴格按照規范要求逐步實施。放入標準間養護24 h后拆模，將石塊做好標記后立即放入標準養護室，溫度（20±2）℃，濕度為95%，養護至28天。其中，抗壓強度和劈裂強度采用美國MTS（SANS） CMT5105微機控制電子萬能試驗機對試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試樣進行測試；彎拉強度在SNT4605微機控制電液伺服萬能試驗機上進行彎拉強度（三點彎拉強度及四點彎拉強度）試驗；單軸拉伸強度在MTS試驗機上進行直接對試樣尺寸為100 mm×100 mm×200 mm的試樣進行拉伸試驗。再生骨料透水混凝土滲透試驗采用直徑D=70 mm、高度H=150 mm的圓柱體試樣。

2 試驗結果與分析

2.1 再生骨料透水混凝土抗壓強度

圖1為再生骨料摻量與混凝土抗壓強度關系。

從圖1可以看出，含再生骨料的混凝土，雖抗壓強度降低，但仍屬于正常抗壓強度的范圍，尤其當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。

2.2 再生骨料透水混凝土劈裂強度

再生骨料摻量對混凝土劈裂強度的影響規律如圖2所示。可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，混凝土劈裂強度逐漸降低，如未摻加再生骨料的試樣的劈裂強度為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。

2.3 再生骨料透水混凝土彎拉強度

圖3給出了再生骨料摻量對混凝土的三點和四點彎拉強度的影響規律。可以看出，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%。

2.4 再生骨料透水混凝土單軸拉伸強度

再生骨料摻量對再生骨料透水混凝土應力—應變曲線的影響規律如圖4所示。可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，混凝土的峰值應力逐漸減小，當再生骨料摻量不超過50%時，混凝土峰值應力相差不大，但再生骨料摻量超過50%時，峰值應力降低顯著。如再生骨料摻量為25%和50%時峰值應力為2.22 MPa和2.15 MPa，相較天然骨料混凝土峰值應力2.31 MPa，僅分別減小了3.90%和6.93%；再生骨料摻量為75%的峰值應力1.40 MPa較天然骨料混凝土峰值應力降低了39.40%。

2.5 再生骨料透水混凝土保水性能

圖5給出了再生骨料摻量對混凝土滲透系數的影響規律，可以看出，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，提高了4.3倍。可見，再生骨料的摻入有利于顯著提升混凝土的滲透性能。

圖6顯示了不同再生骨料摻量下試件的保水量與時間的關系，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天的保水量變化情況，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。

3 再生骨料透水混凝土在邊坡工程的應用

成都仁壽公路項目地層巖性以泥巖為主，邊坡長期暴露容易風化，挖方邊坡根據邊坡高度采取不同的防護防護。通過正文第2節結果，項目人字形骨架護坡采用再生骨料摻量為50%的再生骨料透水混凝土，其抗壓強度、單軸拉伸強度、劈裂強度及彎拉強度都滿足規范要求，且相較傳統天然骨料人字形骨架具有良好的透水性和保水性，邊坡安全穩定系數更高。此外，項目應用再生骨料透水混凝土，不僅解決建筑廢棄物對環境帶來的負面影響，減少了對原生資源的消耗，還取得了較好的經濟性，可為此類技術在類似工程中應用提供試驗依據。

4 結束語

通過試驗系統性研究摻入再生骨料的透水混凝土的力學性能，數據化分析再生骨料摻量（比例）對混凝土力學性能及透水性能的關系，探討了再生骨料透水混凝土應用邊坡防護工程中的適用性，可以形成結論：

（1）再生骨料摻量（比例）對透水混凝土的力學性能影響十分顯著，當再生骨料摻量（比例）不超過50%時，透水混凝土的標準抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度、單軸拉伸強度均會降低約30%，當再生骨料摻量超過50%時，透水混凝土力學參數會顯著降低。

（2）采用摻量為50%的再生骨料透水混凝土，其抗壓強度、單軸拉伸強度、劈裂強度及彎拉強度均滿足規范要求，且相較傳統天然骨料人字形骨架具有良好的透水性和保水性，邊坡安全穩定系數更高。

參考文獻

［1］ 孔艷艷. 綠色混凝土的配制及質量控制技術研究［J］. 鐵道建筑技術， 2017（9）： 4-6.

［2］ 高夢芫. 再生骨料透水性混凝土試驗研究［D］. 青海： 青海大學， 2014.

［3］ 張晨暉. 再生粗骨料制備透水性混凝土試驗研究［D］. 湖南： 湖南科技大學， 2012.

［4］ 徐朝輝， 步海濱， 程巍華， 等. 內河航道生態護岸的發展及應用分析［J］. 水運工程， 2009（9）： 107-110.

［5］ 張斌. 破損山體邊坡的分類及不同生態修復技術應用研究［J］. 鐵道建筑技術， 2019（3）： 23-27.

［6］ 薛如政， 劉京紅， 苗建偉， 等. 再生骨料透水混凝土性能的研究［J］. 河北農業大學學報， 2017， 40（4）： 128-133.

［7］ Wagih A M， El-Karmoty H Z， Ebid M， et al. Recycled construction and demolition concrete waste as aggregate for structural concrete［J］. HBRC journal， 2013， 9（3）： 193-200.

［8］ Rahal K. Mechanical properties of concrete with recycled coarse aggregate［J］. Building and environment， 2007， 42（1）： 407-415.

［9］ Zaetang Y， Sata V， Wongsa A， et al. Properties of pervious concrete containing recycled concrete block aggregate and recycled concrete aggregate［J］. Construction and Building Materials， 2016， 111： 15-21.

［10］ Sriravindrarajah R， Wang N D H， Lai J W E. Mix design for pervious recycled aggregate Concrete［J］. International Journal of Concrete Structures and Materials， 2012， 6（4）： 239-246.

［11］ 中華人民共和國行業標準. 普通混凝土配合比設計規程： JGJ55-2011［S］.

［12］ 中華人民共和國行業標準. 再生骨料透水混凝土應用技術規程： CJJT253-2016［S］.