再生透水混凝土基本性能与孔隙特征的研究

郭丽朋，朱 强，林 姗

(1.长江工程职业技术学院水利与电力学院，湖北 武汉 430212；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

0 引 言

近年来，建筑垃圾的处置、城市热岛效应、内涝等问题一直影响着人们的生活水平质量。国内外学者为了解决这些困扰，利用建筑垃圾获取再生骨料，由水、水泥、再生骨料制备环保减压型建筑材料“再生透水混凝土(Recycled pervious concrete，RPC)”，并对其开展了相关研究工作。边亚东等[1]研究了再生骨料粒径、设计孔隙率和水灰比对再生透水混凝土透水性能和强度的影响，结果表明，再生骨料粒径、设计孔隙率与透水系数呈正相关，水灰比对透水性能影响不大。佟钰等[2]以再生粗集料、水泥、水和萘系减水剂制备再生透水混凝土，研究了集灰比、水灰比、集料粒径等参数对强度和透水性能的影响，结果表明，在集灰比4.0～4.6、水灰比0.38～0.41情形下，再生透水混凝土综合性能最佳。袁汉卿等[3]研究了在10～20mm骨料粒径组合、不同再生骨料取代率(0、30%、50%、70%)情形下再生透水混凝土透水性能和抗压强度的变化，结果表明，透水性能与取代率呈正相关，取代率为50%时强度最高。Muhammad等[4]研究了再生透水混凝土与普通透水混凝土对孔隙率、透水系数、抗压强度和抗弯强度的影响。Yap等[5]以定水灰比0.35，进行不同再生骨料取代率(20%、40%、60%、80%和100%)的再生透水混凝土试验研究，结果表明，由于再生骨料外面被一层老的水泥砂浆包裹，致使强度较低，但在防滑性与耐磨性能方面均达到相关要求。Chindaprasirt等[6]研究发现，将细砂和粉煤灰掺入再生透水混凝土中，两者均能使强度显著提高，但孔隙率和透水性能有所降低。目前，学者们只是从宏观层面上研究再生透水混凝土的基本性能，对于由细观层面揭示其宏观性能的变化规律研究有待更加系统的研究。基于此，本文以不同的设计孔隙率制备再生透水混凝土，采用Image法研究RPC内部孔隙特征对其基本性能的影响规律，为再生透水混凝土的深入研究提供参考。

表1 再生骨料物理性能参数

1 试验设计

1.1 原材料

水泥采用湖北省武汉市生产的P·O 42.5普通硅酸水泥；水采用武汉市自来水；再生骨料(Recycled Coarse Aggregate，RCA)由武汉市某城中村拆迁的C30混凝土路面，经颚式破碎机破碎、振动筛分机初筛、人工二次筛分获得9.5～19.5 mm粒径作为RCA，依照GB/T25177—2010《混凝土用再生粗骨料》[7]的要求进行再生骨料基本物理性能参数的测定，经测试其物理性能参数满足要求，基本物理性能参数见表1。

1.2 配合比设计

RPC配合比的设计需同时兼顾透水和强度两个方面。本次试验采用体积法[8]进行计算，据相关研究，设定水灰比为0.3[9-12]，在RCA用量不变的前提下，设计了6组变设计孔隙率(16%、18%、20%、22%、24%、26%)配合比。由于RCA表面被大量老水泥砂浆包裹且机械破碎导致其自身具有大量微裂纹，因此其吸水率一般很高，为了使RPC后期具有良好的性能，以10min的有效吸水量作为拌和水的附加用水量[13-14]。RPC配合比见表2。

表2 RPC配合比

1.3 试件制备及性能测试

RPC采用强制式搅拌机搅拌，拌制流程如图1所示，所制备的混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，参照文献[15]对试件进行装模和标准养护。

图1 RPC拌制流程

RPC的抗压强度、孔隙率与透水性能测试均采用标准试件，每组3块，取试验结果均值。参照文献[15]对试件进行抗压强度测试，参照文献[8，16]对试件进行孔隙率与透水性能测试。

2 试验结果与分析

2.1 再生透水混凝土试件的实测孔隙率与设计孔隙率

实测孔隙率是影响混凝土强度和透水性能的主要因素。图2为试件的实测孔隙率与设计孔隙率的关系。由图2可知，实测孔隙率为16.71%～28.43%，设计孔隙率为16%～26%，试件的孔隙率基本满足设计要求。随着设计孔隙率的增大，实测孔隙率逐渐增大，这是因为RPC中的孔隙是由连通孔隙、半连通孔隙、封闭孔隙组成，其中连通孔隙、半连通孔隙为有效孔隙[17-18]。当RCA用量一定时，随着设计孔隙率的增大，填充RCA间孔隙及包裹RCA的水泥浆体逐渐减少，导致RPC内部孔隙增多，形成封闭孔隙的概率降低。蒋昌波等[19]研究了骨料粒径对多孔混凝土内部连通孔隙率的影响，结果发现，连通孔隙率随着骨料粒径的增大而增大，本试验所用的RCA粒径为9.5～19.5 mm，也提高了在RPC内部形成连通孔隙的概率。

图2 试件的实测孔隙率与设计孔隙率

2.2 设计孔隙率对再生透水混凝土抗压强度与密度的影响

图3为设计孔隙率对RPC抗压强度的影响。由图3可知，随着设计孔隙率的增大，RPC抗压强度逐渐减小，两者基本上呈负相关关系。这是因为在RPC中，RCA之间接触点的多少、表面水泥浆体包裹的厚度决定了混凝土抗压强度的大小[14，20-21]。在骨料用量一定的前提下，当设计孔隙率增大时，拌和的水泥浆体减小，致使RCA之间的接触点减少、表面水泥浆体包裹的厚度变薄、粘结力降低，从而混凝土抗压强度降低。例如，在设计孔隙率为16%时，RPC抗压强度为18.87 MPa；在设计孔隙率为26%时，RPC抗压强度仅为9.67 MPa。

图3 设计孔隙率对RPC抗压强度的影响

换言之，与普通混凝土类似，RPC的密度是影响其抗压强度的主要因素[22-23]。在骨料用量一定的前提下，当设计孔隙率增大时，致使RCA间填充的水泥浆体减少，孔隙增多，密实度降低。图4为设计孔隙率对RPC密度的影响。由图4可知，随着设计孔隙率的增大，RPC内部孔隙逐渐增多，密实度逐渐降低。

图4 设计孔隙率对RPC密度的影响

由上述试验结果分析发现，影响RPC抗压强度的主要原因是其内部孔隙结构特征。为了研究设计孔隙率对RPC抗压强度的影响，将每组试件按图5a所示切割成均等的3份，用数码相机对切割出的每部分的上下2个面进行拍照，对拍照面进行灰度化处理(见图5b)。利用Image软件，提取图片的平面孔隙分布，图片显示结果如图5c、5d所示，其中，白色区域为截面孔隙，灰色区域为RCA和水泥浆体。参照文献[17，24-25]，将拍照面上的平面孔隙分布转化为平面孔隙率、等效孔径、孔个数、平面分形维数等指标(取均值)进行量化，图像处理结果见表3。

表3 平面孔隙特征

图6为平面孔隙率对RPC抗压强度的影响，通过拟合发现，随着平面孔隙率的增加，RPC抗压强度逐渐降低。这是由于平面孔隙率的变化主要受等效孔径、孔个数影响。因此，综合考虑等效孔径、孔个数这2个主要指标，来说明RPC内部孔隙结构对抗压强度的影响。结合图3、表3，a组设计孔隙率为16%、抗压强度为18.87 MPa，f组设计孔隙率为26%、抗压强度为9.67 MPa，通过对比a组和f组试件结果发现，f组的等效孔径、孔个数较a组分别增加11%、76%，RPC抗压强度降低了49%。由此可知，等效孔径与孔个数是影响抗压强度的重要因素，这是因为RPC内部存在着界面过渡区[26-27]，孔个数越多、等效孔径越大，导致RCA间的接触点减少，胶结能力变差，界面过渡区更加薄弱。另外，孔个数的多少影响着RPC的密实程度，进而影响着抗压强度的变化。曾超等[24，28]研究多孔混凝土孔隙结构特征发现，平面分形维数作为评价多孔混凝土内部孔隙结构复杂性、不规则性、自相似性等特征的量度，对研究RPC的抗压强度具有重大意义。

图5 RPC内部孔隙提取流程

图6 平面孔隙率对RPC抗压强度的影响

图7为平面分形维数与RPC抗压强度、平面孔隙率的关系，通过拟合发现，平面分形维数与RPC抗压强度呈负相关，平面分形维数与平面孔隙率呈正相关，由此说明随着设计孔隙率的增加，RPC内部孔隙分形维数越大，孔隙结构越复杂。

图7 平面分形维数与RPC抗压强度、平面孔隙率的关系

图8 设计孔隙率与透水系数

2.3 设计孔隙率对透水系数的影响

本试验测得的透水系数范围为2.8～4.2 mm/s，满足文献[16]的要求，与Tennis[29]研究的透水混凝土透水系数范围一致。图8为设计孔隙率与透水系数的关系，经拟合两者呈指数关系，这与SataV.等[14]和Kou S C等[30]的研究结论相符。

由图8可知，透水系数随着设计孔隙率先缓慢增加然后增长速度加快，呈现指数函数关系，这是由于在RCA用量一定的前提下，随着设计孔隙率的增大，填充RCA间的水泥浆体逐渐减少，RPC内部孔隙逐渐增多(由图4密度变化可看出)，构成连通孔隙的概率逐渐增大，透水能力增强，致使透水系数逐渐增大。白晓辉等[31]通过利用2.5～5、5～10、10～15 mm粒径的骨料制备透水混凝土，研究了不同骨料粒径对其透水性能的影响，结果发现大粒径骨料透水性能是小粒径骨料的6倍，本研究所用骨料粒径为9.5～19.5 mm，也减少了RPC内部封闭孔隙形成的概率。再者，这也说明影响透水性能的因素，还需从其内部孔隙结构进行剖析。

为了明晰孔隙结构对透水系数的影响，结合表3、图8，以a组透水系数2.80 mm/s和b组透水系数2.91 mm/s为例进行对比，分析可知，b组较a组透水系数、等效孔径、孔个数分别增加了4%、1%、29%，两者等效孔径相差不大，说明孔个数对透水系数的影响较大。由此认为，当等效孔径大小变化不大时，孔个数就成为了透水系数的关键影响因素，这与文献[17]的研究结果一致。

3 结 论

本文通过试验研究了不同设计孔隙率对RPC宏观性能的影响，利用Image软件对试件的切片图像进行处理，从微观层面上揭示了RPC内部孔隙特征对宏观性能的影响，可得结论如下：

(1)在骨料用量一定的前提下，随着设计孔隙率的增加，RCA间及表面包裹的水泥浆体逐渐减少、粘结力降低，RPC内部孔隙增多，密度逐渐减小，致使RPC抗压强度逐渐减小，总体上，RPC抗压强度与设计孔隙率两者呈现负相关关系。

(2)运用体积法设计并制备的RPC，实测孔隙率随着设计孔隙率的增大而增大，这说明利用体积法控制RPC的孔隙率是可行的；此外，通过拟合发现，设计孔隙率与透水系数满足正相关指数关系。

(3)通过对RPC进行切片、数码相机拍照，并利用Image软件对图像进行处理，提取其内部孔隙结构，发现等效孔径与孔个数是影响抗压强度、透水系数的重要因素。当等效孔径大小变化不大时，孔个数为透水系数的关键影响因素。随着设计孔隙率的增大，RPC内部孔隙结构越来越复杂。

(4)RPC的强度、透水性能受到其内部多种因素的影响，例如，RCA间接触点的个数、水泥浆体包裹的厚度、孔隙间自由孔间距的大小等因素影响着强度的变化；孔的轮廓系数、弯曲程度、粗糙程度等指标影响着透水性能的变化。因此，对于协同多因素对比分析研究RPC内部孔隙结构对其基本性能的影响机理是后续研究的一个重点，有待于继续试验研究。