再生骨料透水混凝土的强度和透水性能试验研究*

王军强

(江苏建筑职业技术学院土木工程系，徐州221116)

1 引言

再生骨料透水混凝土是采用废弃混凝土生产的骨料配制大孔隙具有一定透水功能的生态混凝土。再生骨料透水混凝土充分利用了再生混凝土和透水混凝土的功能优势，利用再生骨料可以变废为宝，减少垃圾处置费用，节能减排，减少环境污染［1］;而具有有连续孔隙结构的透水混凝土，连续的孔隙结构有利雨水的渗透，应用于小区道路，则有利排除雨天地面雨水，改善小区微环境［2－3］。再生骨料透水混凝土，在技术应用实践方面，需要解决再生骨料透水混凝土的配制技术理论研究、配制技术研究［4］、施工技术研究等方面的技术难题。在配制技术方面，需要确定其组分、配比、性能、强度、抗冻性、透水性等诸多方面的技术难题［5］。如何实现强度和连续孔隙的技术矛盾，如何解决再生骨料应用带来的强度降低问题，如何因地制宜地利用再生骨料配制满足透水性设计要求的透水混凝土［6－7］，这些在理论技术研究和实践应用方面尚不多见，还处于应用技术发展的瓶颈阶段。

2 再生骨料的性能

试验中采用的再生骨料来源于混凝土框架结构的拆除构件，原生混凝土强度等级为C30－C40，钻芯取样实测强度为 34．7 ～40．6 MPa，经过破碎、筛分、分级后使用。再生骨料生产工艺为:拆除结构的混凝土，经过破碎预处理;采用磁性筛分方式清除废弃的金属材料，接着采用杂物分选清除废料之中的木料和塑料等;然后采用破碎机进行一级破碎处理，接着进行一级筛分;一级筛分的集料清洗净化之后，进行二级破碎和骨料筛分分离，通过以上步骤即可生产出粒径5～40 mm的再生骨料。试验研究中采用的骨料粒径为5～20 mm。

再生骨料的表观密度、堆积密度、空隙率、压碎指标等物理力学性能参数见表1。不同粒径再生骨料的堆积密度、空隙率和吸水率测试结果见表2。试验中采用再生骨料颗粒级配见表3。同一批再生骨料表观密度基本相同，随着粒径的增大，再生骨料孔隙率减小，相应的吸水率变小，堆积密度增大。再生骨料孔隙率的大小反映了散粒再生骨料颗粒互相填充的致密程度，可作为控制骨料级配的依据。分析再生骨料的性能，对于其再生应用于混凝土，研究其对再生骨料透水混凝土性能的影响有意义。

表1 再生骨料的性能Table 1 Performance of recycled aggregate

3 再生骨料透水混凝土的配比设计

再生骨料透水混凝土配比的设计需要满足设计的强度和透水性要求。透水混凝土采用了再生骨料，要求混凝土具备一定的透水性能，这些因素对普通混凝土的配比设计提出了新的要求，再生骨料透水混凝土配比设计和普通混凝土配比设计是有区别的。

表2 不同粒径再生骨料堆积密度、空隙率和吸水率Table 2 Bulk density porosity and water absorption of different particle sizes recycled aggregate

表3 再生骨料颗粒级配Table 3 Grain size distribution of recycled aggregate

根据降雨情况、小区环境和道路状况，确定用于小区道路的透水混凝土的透水性能要求(透水量和透水系数)，结合建筑再生骨料情况，确定集料堆积孔隙率要求，根据透水混凝土目标孔隙率和集料堆积孔隙率要求，确定建筑再生骨料的粒径、级配和质量，在此基础上进而确定集料和胶凝材料的用量和体积。根据混凝土强度和耐久性的要求，确定水胶比。选用外加剂，确定用水量和胶凝材料用量。检测透水混凝土的透水性，调整优化后进而确定满足小区道路要求的无砂再生骨料透水混凝土配制要求。

再生骨料透水混凝土的配制流程为:透水混凝土设计透水量和透水系数确定→建筑再生混凝土集料堆积空隙率要求→建筑再生混凝土集料粒径和级配确定→集胶比和胶凝材料用量确定→用水量确定→外加剂掺量确定→成型试件测试透水性能→调整优化级配→确定透水混凝土施工配比。

再生骨料透水混凝土配制中考虑了再生骨料的粒径、级配和比例、水胶比、胶凝材料掺量以及活性材料的类型和掺加比例、孔隙率要求等因素对透水混凝土性能的影响。试验中采用的配比见表4，水胶比控制在 0．25～0．35之间。编号RPC1、RPC2、RPC3考虑骨料级配、粒径和质量对透水混凝土性能的影响，编号RPC4、RPC5、RPC6考虑水胶比的影响，编号RPC4、RPC7、RPC8考虑胶凝材料组成及矿物掺和料掺加比例的影响，编号RPC6、RPC7、RPC8考虑目标孔隙率的影响。

表4 再生骨料透水混凝土的配比Table 4 Proportion ratios of recycled aggregate pervious concrete

4 再生骨料透水混凝土的试验结果分析

试验中测试了各种编号混凝土的工作性能、孔隙率、抗压强度、抗折强度和透水系数。

根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)［8］，测试了混凝土的塌落度、黏聚性和保水性，判定再生骨料透水混凝土的工作性能。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2011)［9］，测试了再生骨料透水混凝土的抗压强度和抗折强度。抗压强度采用150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试件，每组3块。抗折强度采用150 mm×150 mm×550 mm的梁型试件。采用不变水头方法测试透水混凝土的透水系数，通过测试透水量和时间，来测试混凝土的透水系数，进而判定透水混凝土的透水性能。

采用质量法测试混凝土的有效孔隙率，通过测试试件浸泡在水中24 h后和48 h自然风干饱和面干之后的质量变化，来获得透水混凝土的有效孔隙率。孔隙率的测试方法和步骤如下:

(1)制备150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试件3块，在标养室内养护7 d;

(2)将制备好的标准立方体试件烘干到恒重，取出冷却至室温，测量试件尺寸，计算体积V;

(3)将试件放入水中，计量试件浸水24 h后饱和状态下在水中的质量m1;

(4)计量试件在饱和面干状态时的质量m2;

试验结果见表5。

表5 再生骨料透水混凝土的性能Table 5 Recycled aggregate pervious concrete performance

4．1 孔隙率影响因素分析

图1给出了不同编号再生骨料透水混凝土的目标孔隙率和实测孔隙率的变化。在目标孔隙率、胶凝材料用量相同的情况下，再生骨料的紧密堆积率对再生混凝土的实测孔隙率有影响，再生混凝土的实测孔隙率随着再生骨料堆积孔隙率的变大而增大。目标孔隙率和实测孔隙率基本相近，变化幅度在－10% ～13%之间，主要受胶凝材料水化程度、透水混凝土收缩、徐变、混凝土内部非贯通孔隙等因素的影响。再生骨料的级配、组成和紧密堆积孔隙率对实测孔隙率有一定影响。可见，根据透水混凝土设计目标孔隙率来调整实测孔隙率，对于控制透水混凝土的透水性能有明确效果，是设计透水混凝土的主要影响参数。

图1 不同系列再生骨料透水混凝土的孔隙率Fig．1 Porosity of different recycled aggregate pervious concrete

4．2 强度影响因素分析

不同编号再生骨料透水混凝土的强度分布规律见图2。在水胶比保持不变的情况下，采用间断级配两种粒径编号RPC3的强度比采用单一级配的编号RPC1和编号RPC2的强度要高。在水胶比不变的情况下，透水混凝土的抗压强度随着骨料堆积孔隙率的增大而变小，堆积孔隙率由39．3%增加到 43．6%，抗压强度降低了约19．2%。采用矿物掺和料，有利于改善再生混凝土的工作性能。编号RPC4、RPC7、RPC8中矿物掺和料比例分别为30%、20%、10%，掺入矿物掺和料比例为20%的RPC7的强度最高，抗压强度和抗折强度分别达到25．9 MPa和5．73 MPa。矿物掺合料的火山灰效应和微填充效应可改善再生骨料透水混凝土的工作性能和骨料间的粘结，最佳掺量有利于提高强度。水胶比对再生骨料透水混凝土强度的影响和普通混凝土有些不同，随着水胶比的增大，透水混凝土的强度有降低的趋势，但降低的幅度没有普通混凝土明显，这在透水混凝土强度设计中，采用普通混凝土的水灰比定律来计算强度会出现较大的偏差，需要做进一步深入的研究。再生骨料透水混凝土在材料组成、微观结构、受力机理等方面和普通混凝土有较大的差别。

4．3 透水系数影响因素分析

实测孔隙率和再生混凝土的透水性有重要关系，再生骨料透水混凝土的透水系数随着实测孔隙率的增大而增大。实测孔隙率的增大，表明混凝土内部形成了更多的贯通孔隙，有利于提高其透水性能，当透水混凝土实测孔隙率由13．4%增大到29．3%，透水系数增加了约1．4倍(图4)。

图2 不同系列再生骨料透水混凝土的强度Fig．2 Strength of different recycled aggregate pervious concrete

图3 不同系列再生骨料透水混凝土的透水系数Fig．3 Permeation coefficient of different series of recycled aggregate pervious concrete

图4 孔隙率对透水系数影响Fig．4 The influence of porosity on permeation coefficient

实测骨料粒径、级配和质量组成对再生混凝土的透水性能也有影响，采用两种粒径级配的再生混凝土透水性最低，再生骨料之间的相互嵌入降低了骨料堆积孔隙率，影响了混凝土内部连续贯通孔隙的形成，降低了其透水性能。胶凝材料用量和水胶比对再生骨料混凝土透水性也有影响，透水系数随着水胶比的增大而增大。矿物掺和料的掺入对改善再生骨料透水混凝土的工作性能有利，但随着矿物掺和料掺量的增加，透水系数呈现降低的趋势。在所分析的所有影响因素中，透水混凝土的透水性能受孔隙率影响最为敏感，研究透水系数和孔隙率的相关关系对于配制透水混凝土有重要意义。

5 结论

再生骨料透水混凝土的强度和透水性能与再生混凝土骨料的组成、级配、堆积孔隙率、水胶比和胶凝材料用量、目标和实测孔隙率等因素有关，通过试验分析，可以得出以下结论:

(1)再生骨料透水混凝土的透水系数和混凝土的孔隙率有重要的关系，其透水系数随着目标孔隙率和实测孔隙率增大而增大。

(2)再生骨料透水混凝土的透水系数随着胶凝材料用量的增加和水胶比的降低呈现非线性增加的趋势。

(3)再生骨料透水混凝土的强度和水胶比呈现非线性关系，需要结合骨料堆积孔隙率和目标设计孔隙率确定最佳水胶比。

(4)再生骨料透水混凝土的强度受胶凝材料用量以及矿物掺和料比例的影响，试验中矿物掺和料比例为20%的强度最高。

(5)再生骨料透水混凝土的强度和透水系数是再生骨料透水混凝土成功应用于工程实际的重要性能参数，在实践应用中需要综合评定其性能。

(6)再生骨料透水混凝土的配制，建议水胶比为 0．25～0．35，矿物掺和料比例为 15% ～30%，目标设计孔隙率15% ～25%，透水系数1．8～3．5 mm/s，再生骨料粒径为5 ～20 mm，堆积孔隙率≤45%。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2009．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People’s Republic of China．GB 50082—2009 Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2010．(in Chinese)

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ 55—2010普通混凝土配合比设计规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People’s Republic of China．JGJ 55—2010 Specification for mix propotion of ordinary concrete，［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2011．(in Chinese)

［3］ 王军强．再生混凝土强度和耐久性能试验［J］．混凝土，2007(4):53-56．Wang Junqiang．Experim entalstudy of behavior of strength and durability of recycled aggregate concrete［J］．Concrete，2007(4)，53-56．(in Chinese)

［4］ 董建纲，张吉顺．预压应力混凝土大管桩钢绞线与水泥浆体粘结力试验研究［J］．结构工程师，2013，29(6):157-161．Dong Jiangang，Zhang Jishun．Bonding strength between the steel strand and cement in prestressed concrete pipe piles［J］．Structural Engineers，2013，29(6):157-161．(in Chinese)

［5］ 曹万林，李东华，周中一，等．再生混凝土柱足尺试件轴心受压性能试验研究［J］．结构工程师，2013，29(6):144-150．Cao Wanlin，Li Donghua，Zhou Zhongyi，et al．Experimental Study on axial compression performance of full scale recycled concrete columns［J］．Structural Engineers，2013，29(6):144-150．(in Chinese)

［6］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ 283—2012自密实混凝土应用技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．Ministry of Housing and Urban-Rural Developmentn ofthe People’s Republic of China．JGJ 283—2012 Technical specification for application of self-compacting concrete，［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2012．(in Chinese)

［7］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．CJJ/T 190—2012透水沥青路面技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People’s Republic of China．CJJ/T 190—2012 Technical specification for permeable asphalt pavement［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2012．(in Chinese)

［8］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China．GB 50080—2002 Standard for test methods of common concrete mixture performance［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2002．(in Chinese)

［9］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB/T 50081—2011普通混凝土力学性能试验方法标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China．GB 50081—2011 Standard for test methods of mechanics performance of common concrete［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2011．(in Chinese)