基于骨架-空隙理论的再生透水混凝土级配设计方法

王晓龙，阚涛，张旭，张爱勤

(山东交通学院山东省高校路面结构与材料重点实验室，山东济南 250357)

基于骨架-空隙理论的再生透水混凝土级配设计方法

王晓龙，阚涛，张旭，张爱勤

(山东交通学院山东省高校路面结构与材料重点实验室，山东济南 250357)

将试算法与贝雷法相结合，提出一种适用于再生透水混凝土的再生骨料骨架-空隙级配设计方法。选取3个级配组配方案，先用试算法对再生粗骨料进行初步分档组配，再以贝雷法进行骨架效应验算分析。结果表明：矿质混合料中细档料与粗档料质量比为0.7～1.0时，再生透水混凝土中再生骨料级配易形成骨架，且骨架结构稳定；m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=64:36～80:20，可使再生骨料透水混凝土获得最优的级配范围。

骨架-空隙级配；试算法；贝雷法；联合设计；再生透水混凝土

随着城市化发展与混凝土结构设计寿命要求，废旧混凝土结构物拆除数量逐渐增多，产生大量建筑垃圾且呈增长趋势[1-2]，造成严重的环境污染。因此建筑垃圾再生循环利用的研究应运而生，再生骨料的生产与再生混凝土的研究应用备受关注[3-7]。当前，再生骨料混凝土的研究主要集中在配合比设计方法、力学性能、透水性能及耐久性能等方面[8-12]，而对再生骨料的生产、性能与组配等方面研究尚少。本文主要对建筑垃圾再生骨料的级配设计方法进行研究，借鉴沥青混合料级配设计中常用的方法，将试算法与贝雷法相结合，提出再生骨料骨架-空隙级配设计方法，分析再生骨料骨架级配设计范围与优配再生骨料透水混凝土之间的定量关系，为再生透水混凝土中再生粗骨料骨架-空隙级配设计提供参考。

1 再生骨料骨架-空隙级配设计范围

1.1 骨料级配设计方法

矿质混合料级配组成设计的任务是确定级配混合料各种骨料用量的配合比，其组成设计方法有多种，其中图解法和数解法具有设计简单、实用性强的优点，故在矿质混合料的组成设计中较多采用[13]，国内外学者也多以这两类方法为基础进行电算优化[14]。但图解法和数解法在设计过程中均未体现粗骨料骨架形成问题，无法对混合料中的骨架作用进行评价。

贝雷法是由美国工程师Robert Bailey发明的一种由粒子干涉理论发展而来的级配组成设计方法，在沥青混合料的矿料级配设计中得到较广泛应用[15-17]。贝雷法的核心思想是以粗骨料的骨架作为混合料的承载主体，通过调整各级骨料的比例，获得合适的矿料间隙率[18-20]。在贝雷法中，粗、细骨料的定义不同于传统以4.75 mm筛孔为界限的划分方法，粗、细骨料的分界点随着最大粒径的不同而变化，并以该分界点作为第一控制筛孔。这种方法考虑了骨料形态、尺寸对矿质混合料空隙及矿料间接触的影响，是一种良好的骨架-空隙级配组成分析方法[21]，该设计思想可用于再生透水混凝土的级配设计。

1.2 骨架设计原则及其级配设计范围

对于透水混凝土再生骨料的级配范围，国内外尚缺乏相应的参考文献。由于水泥混凝土与沥青混合料的矿料组成结构相似，因此，研究中借鉴沥青混合料骨架-空隙结构的级配设计原则对再生透水混凝土进行级配设计。ATPB-25排水式沥青稳定碎石为骨架-空隙结构，其级配设计范围见表1。再生透水混凝土再生骨料级配设计范围参照ATPB-25级配范围选用。

表1 ATPB-25沥青稳定排水基层级配范围

2 再生骨料骨架-空隙级配联合设计法

再生透水混凝土再生骨料级配设计中，先利用试算法对再生粗骨料进行初步分档与组配，再运用贝雷法对级配进行骨架效应验算与分析。采用贝雷法与试算法联合设计，既能够发挥试算法简便实用的特点，又可以引入骨架-空隙作用设计参数进行验证，切合实际。

2.1 再生粗骨料级配

研究采用的再生粗骨料以拆除近代混凝土结构建筑物为主，为工厂化集中生产，出厂产品分为10～25、5～10 mm两种规格。由于采用特殊的加工工艺，再生粗骨料以拳形为主，表面浑圆，无针片状颗粒。两种再生粗骨料的筛分试验结果见表2。

2.2 试算法进行再生粗骨料分档组配

表2 再生粗骨料筛分试验结果

表3 再生粗骨料组配方案的配合比

参照沥青混合料级配组配方法，分别以表1 ATPB-25级配范围的上限、中值和下限为基准提出骨架-空隙结构再生骨料的3个级配设计方案，采用试算法组成设计，对再生粗骨料进行初步分档组配。分析表2筛分结果，5～10 mm再生粗骨料在级配组配中具有明显优势的粒径为4.75 mm，其分计筛余比例a4.75=91.4%，而再生粗骨料10～25 mm则不存在特征优势粒径。计算3个级配设计方案中4.75 mm粒径的分计筛余比例a4.75上限=67%、a4.75中值=41.5%、a4.75下限=16%，以级配中值设计方案为例，假设混合料中4.75 mm粒径全部由5～10 mm再生粗骨料提供，忽略10～25 mm再生粗骨料中该粒径的比例，则5～10 mm再生粗骨料在混合料中的用量比例为45%，10～25 mm再生粗骨料在混合料中的用量比例为55%。同理，可计算ATPB-25级配范围上限、下限设计方案的再生骨料配合比。3个方案的设计结果见表3。

经校核，表3中3个方案的级配设计结果均满足ATPB-25的级配要求，其合成级配曲线、中值曲线及级配范围见图1～3。

2.3 贝雷法对再生骨料骨架-空隙结构验证分析

第一控制筛孔的通过率PPCS和矿质混合料中细档料与粗档料质量比rCA是贝雷法进行骨架设计的关

键参数。PPCS是混合料中粗、细部分粒径的分界点，计算式为：

PPCS=0.22SNMP，

式中SNMP为最大公称粒径。

图1 组配方案1级配曲线 图2 组配方案2级配曲线

图3 组配方案3级配曲线

rCA适用于评价矿料中粗骨料的嵌挤与填充状况，计算式为：

式中PD/2为D/2筛孔 (D为最大粒径)的通过率。

研究认为，rCA=0.7～1.0时，D/2～DPCS(DPCS为第一控制筛孔的孔径)与D/2～D的粗骨料用量相对均衡，粗骨料易形成骨架[22]，且骨架结构稳定，骨架作用效应明显[23]。

采用贝雷法对3个组配方案确定的配合比进行骨架效应验算。按照表3，从较细粗骨料占主导作用的方案1级配范围上限配合比开始，以10～25 mm再生粗骨料组配比例依次递增1%的方法验算，直至方案3级配范围下限配合比。以3个级配设计方案为基准，将典型的计算结果列于表4。

表4 PPCS、rCA验算结果

分析表4知，随着粗档料比例的提高，PD/2、PPCS及rCA呈下降趋势。当m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=27:73～63:37时，rCA>1.0，说明粗骨料中相对较细部分比例大于相对较粗部分，此时较细粗骨料为控制骨架结构筛孔，而大粒径骨料悬浮结构中，粗骨料骨架作用效果降低[22]，此时配合比范围不理想。当m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=64:36～80:20时，rCA=0.7～1.0，说明较细粗骨料等于或稍小于较粗粗骨料用量，该配合比范围的粗骨料易形成骨架，可作为再生透水混凝土骨料设计的最优配合比，并通过混凝土设计可获得一定的孔隙率。当m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=81:19～82:18时，rCA<0.7，较细粗骨料用量小于较粗粗骨料，后者对骨架起主导作用，混凝土结构可形成较大孔隙，但拌和易离析，此配合比范围比较敏感，在级配设计时慎用。

3 再生透水混凝土级配应用

采用试算法与贝雷法相结合的级配联合设计法对再生透水混凝土进行级配设计，确定再生骨料骨架-空隙结构的合适配合比为m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料) =64:36～80:20，因此并非ATPB-25级配范围均可作为再生透水混凝土级配设计依据，即位于ATPB-25级配范围中值与下限级配之间一个较窄的级配范围才能作为最优推荐范围。以此推算出再生骨料透水混凝土级配设计适用的级配范围见表5。

表5 再生骨料透水混凝土的设计级配范围

分别选择上述骨架-空隙结构再生粗骨料配合比的级配上限、中值及下限，配制相同配合比条件下的C20再生骨料透水混凝土。再生粗骨料以中值比例m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=70:30为基准，采用等体积取代法确定选取级配上限及下限时再生粗骨料的单位用量，以饱和面干质量计。制作标准立方体试件，标准养护28 d进行抗压强度及空隙率试验；采用成型直径为150 mm，高径比均为1:1的圆柱体试件，标准条件下养护28 d，测定其渗透系数。再生骨料透水混凝土的级配、配合比及主要性能指标试验结果见表6。分析表6知，再生骨料透水混凝土的级配选取上限、中值及下限，即rCA分别为0.7、0.9及1.0时，28 d抗压强度均满足设计强度等级要求，且实测空隙率及渗透系数较大，稳定性良好。表明再生骨料透水混凝土透水效果良好，骨架作用明显。

表6 再生骨料透水混凝土28 d抗压强度、实测空隙率及渗透系数试验结果

4 结论

1)借鉴ATPB-25排水式沥青稳定碎石级配范围，采用试算法与贝雷法相结合的骨架-空隙级配联合设计法对再生骨料透水混凝土进行级配设计，方法可靠。

2)当rCA=0.7～1.0时，再生透水混凝土中再生骨料级配易形成骨架且结构稳定。

3)组配再生透水混凝土的再生骨料最优配合比范围为m(10～25 mm再生粗骨料):m(5～10 mm再生粗骨料)=64:36～80:20。

4)ATPB-25级配范围不能完全适用再生透水混凝土，只有位于其级配范围中值与下限之间的一个较窄范围才能作为最优推荐级配范围。

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(责任编辑：郎伟锋)

Gradation Design Method of Recycled Pervious Concrete Based on Skeleton-Void Theory

WANGXiaolong,KANTao,ZHANGXu,ZHANGAiqin

(KeyLaboratoryofPavementStructureandMaterialinUniversitiesofShandongProvince,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

Based on the trial calculation and Bailey method, this paper discusses the skeleton-void grading design method about the gradation design of recycled pervious concrete, among which three grading schemes are selected. The recycled coarse aggregates are preliminarily classified for the collocation with trial method,checking and analysis of the skeleton effect is conducted by the Bailey method. The results show that the CA ratio is 1.0～0.7, the recycled aggregate gradation of recycled concrete is easy to form the skeleton, and the skeleton structure is stable. The recycled aggregate ratiom(10～25 mm):m(5～10 mm)=64:36～80:20 is obtained as the optimal gradation range of recycled pervious concrete for guiding skeleton-void structure gradation design.

skeleton-void gradation; trial method; Bailey method; co-design; recycled pervious concrete

2016-12-18

王晓龙(1989—)，男，济南人，硕士研究生，主要研究方向为道路工程材料，E-mail: 530280161@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.008

U414.18

A

1672-0032(2017)01-0046-06