再生骨料透水混凝土配合比设计及工作性能研究

林 泽 羽

(山西交通控股集团有限公司太旧高速公路分公司,山西 晋中 030600)

0 引言

随着我国工业化进程的逐步加快、中小城市城镇化规模的不断扩大，大型新建筑物的拔地而起，需要被处理的建筑垃圾的含量也不断增加。有关资料表明，拆除10 000 m2的老旧建筑会带来大约7 500 t～1.25万t的建筑垃圾。无秩序的堆放建筑垃圾既会造成土地资源的浪费，也会带来伴随而来的各类环境污染，引发社会公害。如果能够合理将建筑材料的废弃物进行有效地回收利用，使之成为再生骨料，这会有着良好的社会、经济和环境综合效益。因此，对建筑垃圾的回收与再利用，是相关学者们越来越重视的现实问题。

透水混凝土是通过特定比例的粗骨料、细骨料、胶凝材料、水、矿物掺合料和外加剂配制而成的多孔混凝土。由于其结构为多孔骨架结构且构造特殊，因此透水混凝土具有改善城市热岛效应、快速缓解城市道路的排水压力、渗透性能良好等诸多的独特优势。除此之外，还具有降低城市噪声的功能。因此，透水混凝土能解决诸多普通混凝土所不能解决的一些生态问题。

如何能够用再生骨料替换掉部分天然骨料制备的透水混凝土，成为了当前国内外学术研究的重点与热点之一。再生骨料透水混凝土的运用与推广，与城市市政的发展与需求完美契合，也符合国家的大政方针。作为一项新兴的节能环保技术和海绵城市建设的中流砥柱，再生骨料透水混凝土会在未来迎来良好崭新的发展机遇。

本文采用正交试验的方式，以水灰比、含砂率、硅灰掺量以及目标孔隙率作为基本因素，每个因素分别设计了3个不同的水平，研究了各种因素对再生骨料透水混凝土的表观密度、抗压强度和透水系数的作用规律，随后分析了每一种性能和实测孔隙率之间的内在联系。

1 再生骨料应用和制备工艺

在废混凝土资源化和再生骨料的应用方面，我国的起步较晚，并把它们应用于路基路面的项目工程中，同时数量有限。虽然研究的领域相对受限，但是大多数都处于慎用和试验阶段。1997年，建设部将“建筑废渣综合利用”视作重要的推广项目；2004年，交通部全面启动了“水泥混凝土路面再生利用关键技术研究”工作，建筑垃圾资源化利用被视为科技攻关的子课题；在近10年来，国内的学者们对建筑废料的重新利用做了基础性研究，取得了较为丰厚的成果。许多国内大城市的建筑单位也逐渐尝试废弃混凝土的回收利用工作，其强度和透水性能均达到国家规定标准，对当前的研究具有一定的推动作用[1]。

2 试验操作

2.1 试验用原材料

减水剂：高效聚羧酸减水剂，减水率22.5%；硅灰：本试验采用硅灰作为矿物掺合料，是灰色或灰白色的粉末，耐火度高于1 600 ℃。硅灰：活性大，可以作为理想的活性矿物掺合料，其指标如表1所示；粗骨料：为建筑废弃混凝土，经过粉碎、清洗、晾晒以及筛选分离后，能够得到级配为5 mm～20 mm的再生碎石骨料[2]，具备若干基本性能，如表2所示。能够符合GB/T 25177—2010中的相关要求。水泥：是透水混凝土的粗骨料之间的重要胶结材料，可以为强度高的硅酸盐水泥，其基本指标如表3所示。除此之外，还需要水和增强剂等试验必备材料。

表1 硅灰的性能指标表

表2 再生粗骨料的性能指标表

表3 水泥的性能指标表

2.2 正交试验设计

作为一种可以研究多种因素水平的试验方法，正交试验法能够在不影响试验可行度的前提下大幅降低试验次数。其以正交性为基础，并选择具有代表性的若干个点来进行测试[3]。

本节考虑了水灰比、砂率、目标孔隙率和按占胶凝材料总质量计的硅灰掺量4种因素来分析配合比对再生骨料透水混凝土的表观密度、透水系数和抗压强度的综合影响[4]，运用了L9正交试验设计，基于试验的基础进行了分掺量的计算。试验的因素水平如表4所示，试验的每组分掺量见表5。

表4 正交试验的因素水平表

表5 试验的各组分掺量表

2.3 试件成型与试件养护

本节采用水泥裹石法来制备再生骨料透水混凝土。先按比例把天然河砂和再生骨料混合随后掺入拌合水浸湿搅拌；然后加入水泥继续搅拌1 min，再加入余下的拌合水继续搅拌2 min，随后振捣、成型。为防止水分蒸发，成型后的试件需要包装好。成型1 d后可以拆膜，随后置于标准养护室中养护至28 d[5]。

3 试验结果分析

3.1 正交试验结果及方差结果

本次正交试验的结果如表6所示，该表囊括了透水混凝土的表观密度、孔隙率、抗压强度以及透水系数。

表6 正交试验结果统计表

本次正交试验的抗压强度、孔隙率、表观密度以及透水系数的试验结果的极差分析分别如表7～表10所示。

表7 抗压强度试验结果极差分析

表8 孔隙率试验结果极差分析

表9 表观密度试验结果极差分析

表10 透水系数试验结果极差分析

3.2 抗压强度、表观密度、实测孔隙率与透水系数四者的对应关系

通过前文所述的极差分析可以看出，在上述四个影响因素中，孔隙率对再生骨料透水混凝土的各项性能的影响均很显著。如图1～图3是对实测孔隙率与各组抗压强度、表观密度和透水系数之间的综合深度分析[6]。

从图1中可以看出，再生骨料透水混凝土与孔隙率之间有着线性增加的关系。孔隙率愈大，透水系数越强。

从图2中可以看出，再生骨料透水混凝土的抗压强度与孔隙率之间呈现明显的递减关系，孔隙率越高，抗压强度越小，内部密实程度越低。

从图3中可以看出，再生骨料透水混凝土的表观密度与孔隙率之间同样存在着递减的关系。

4 实验结论

本文采用正交试验的方式，以水灰比、含砂率、硅灰掺量以及目标孔隙率作为基本因素，每个因素分别设计了3个不同的水平，研究了各种因素对再生骨料透水混凝土的表观密度、抗压强度和透水系数的作用规律，随后得出如下试验结论：

1)孔隙率对再生骨料透水混凝土的透水系数、表观密度、抗压强度的影响均为最大。孔隙率的提升会导致目标的透水性能显著上升，表观密度、抗压强度则会相应下降。2)再生骨料透水混凝土的实测孔隙率比目标孔隙率偏低，但是二者相差不大。3)再生骨料透水混凝土的孔隙率与其抗压强度、表观密度呈现出线性负相关的规律。4)再生骨料透水混凝土的水灰比的改变对其目标的抗压强度、透水系数存在着一定的关联，其变化规律为先增大后减小；当水灰比为0.20时，具有最佳的抗压强度和透水性能。