骨料级配对再生透水混凝土性能的影响

黄志伟 薛志龙 郭磊 陈守开

摘 要：对废弃混凝土路面经破碎、筛分获得的再生骨料的物理性能进行测试与分析，在此基础上设计透水混凝土配合比，选择再生粗骨料粒径为5～10 mm和10～20 mm，以水灰比0.3、骨灰比4.5、替代水平100%、单双级配为主要指标制作试件。通过对试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、有效孔隙率、透水系数的测定，综合考虑透水混凝土各项性能指标。结果表明：采用双级配的透水混凝土密度较单级配粒径为10～20 mm的低，试件的劈拉强度与抗压强度正相关，拉压比范围在21%～27%之间，脆性降低，韧性增加。此外，抗压强度随孔隙率的增大而降低。

关键词：再生骨料;再生骨料透水混凝土;级配;强度;透水性

中图分类号：TV42;TU528.041 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.028

引用格式：黄志伟，薛志龙，郭磊，等.骨料级配对再生透水混凝土性能的影响[J].人民黄河，2021，43（4）：147-150，154.

Abstract： The recycled aggregate was obtained by crushing and sieving the abandoned concrete pavement， and the physical properties of the recycled aggregate were tested and analyzed. On this basis， the permeable concrete mix proportion was designed. The recycled coarse aggregate was 5-10 mm and 10-20 mm， and the water cement ratio is 0.3， the ratio of aggregate binder is 4.5， the alternative level is 100%， and the single and double gradation （0∶1， 1∶1， 1∶2， 2∶1， 2∶3 and 3∶2） were the main indexes. Through the determination of the compressive strength， splitting tensile strength， effective porosity and permeability coefficient of the specimen， the performance indexes of the permeable concrete were considered. The results show that the density of pervious concrete with double gradation is better than that of single 10-20 mm graded aggregate concrete， compressive strength and splitting tensile strength of RPC1-2 compared with other double gradation are higher， but the porosity and permeability decrease; the porosity and permeability coefficient of RPC3-2 are larger， and the compressive strength is lower; the splitting tensile strength of the specimen has a positive correlation with the compressive strength， and the tension ratio range is between 21%-27%， the brittleness decreases and the toughness increases. In addition， the compressive strength decreases with the increase of porosity.

Key words： recycled aggregate; recycled aggregate pervious concrete; gradation; strength; pervious

随着城市经济的快速发展，新旧建筑更替产生大量建筑垃圾，成为影响环境治理工作的难题[1]。据统计，中国每年新建、拆除、装修等产生的建筑垃圾固体废弃物约为15亿t[2]。我国对建筑垃圾处理少部分作为回填道路和道路的基础材料，而将建筑垃圾经过破碎筛分得到再生粗骨料，进而配制混凝土用于建筑结构构件（如砌块）、道路面层、制造水泥等高级用途的较少，绝大多数未经任何处理便被运往郊外或乡村露天堆放或填埋，这样会带来严重的二次污染[3]。

建筑垃圾资源化利用的再生产品用途广泛，建筑垃圾固体废弃物经过颚式破碎机破碎、机械筛分后获取再生骨料，可部分或全部替代天然骨料用于配置不同性能和不同级配的混凝土[4]，可制作路基垫层石料、河道护坡砖、连锁挡土墙砖用于海绵城市、城市管廊建设等领域。建筑垃圾可持续利用不仅能利用资源，也能减轻对自然环境的破坏，其资源化利用还会带来大量的经济及社会效益[5]。

混凝土的透水性与其耐久性密切相关。混凝土耐久性的影响因素和破坏机理较为复杂，与其内部通过水或其他有害液体的难易程度相关，因此评价混凝土耐久性的重要指标为渗透性。與普通混凝土相比，再生透水混凝土的骨料级配比较特殊，采用不连续或者单一级配再生骨料成型的混凝土试件含有大量的连通孔隙，增大了其透水性。笔者通过试验研究了骨料级配对再生透水混凝土性能的影响。

1 试验原材料

试验原材料种类及来源如下：水泥选用天瑞P·O42.5普通硅酸盐水泥，其主要物理性能指标见表1。再生粗骨料由拆除的废弃混凝土路面经颚式破碎机破碎及机械筛分后获得，试验选用粒径为10～20 mm及5～10 mm，具体物理性能指标见表2。

2 配合比设计

水灰比对再生透水性混凝土强度和透水性的影响至关重要。水灰比过高，流动性增强，骨料表层水泥浆厚度变薄、黏结强度减弱，进而透水混凝土强度降低;水灰比过小，虽然水泥浆体厚度增加、强度提高，但使拌和物成型困难、难以压实。张贤超等[6]综合考虑透水混凝土性能及影响因素，推荐其水灰比范围为0.25～0.35;文献[7]推荐再生透水混凝土水灰比范围为0.27～0.43。綜合考虑后本文选定水灰比为0.30。

本试验中再生骨料取代率选取100%，单双级配（粒径5～10 mm与10～20 mm的质量比采用0∶1、1∶1、1∶2、2∶1、2∶3、3∶2），配合比设计见表3，各试件水泥、水用量为328、98 kg/m3。

3 试件成型与养护

试件尺寸选用边长150 mm的立方体及100 mm（直径）×200 mm（高）的圆柱体，试件制作与养护在实验室进行。透水混凝土拌制采用机械搅拌，投料次序为：再生粗骨料中加入一半的拌和水，搅拌1 min，再加入水泥搅拌1 min，最后加入剩余拌和水，再次搅拌2 min后装模成型。

不同成型方式对透水混凝土性能影响较大[8]，有研究显示，采用振动压实成型工艺制成的透水混凝土试件内部孔隙分布均匀且离散性较小，内部的再生骨料颗粒没有明显破碎现象，第1层采用捣棒插捣25次并在振动台振动20 s，第2层同样插捣25次并在振动台振动20 s，最后将表面抹平。

试件成型后，将其放置于阴凉处，1 d后拆模，然后置于标准养护室养护。试验测试试件28 d龄期的有效孔隙率、透水系数、抗压及劈裂抗拉强度，每组试验测试3个试件，取其平均值作为实测值。

4 试验结果与分析

透水混凝土的主要性能指标为强度和渗透性能，强度指标采用抗压强度和劈裂抗拉强度，渗透性能则通过孔隙率和透水系数来表征。

（1）密度分析。骨料级配对再生透水性混凝土密度的影响见图1。本试验中测得再生透水混凝土密度范围在1 730～1 800 kg/m3之间，单级配的再生透水混凝土密度比双级配的高，其中粒径比值为3∶2的密度最低，为1 732 kg/m3。分析其原因：再生骨料表面附着旧灰浆，致其表观密度和堆积密度相对较低;粒径为5～10 mm骨料的堆积密度为1 225 kg/m3，约为粒径为10～20 mm骨料堆积密度的88.7%，故掺入小粒径骨料时，透水混凝土拌和物的密度相对较低。

（2）透水性能分析。表4为再生透水混凝土的透水系数和孔隙率试验结果。文献[9]中，透水混凝土孔隙率范围为15%～35%，本文测得孔隙率为16.68%～26.34%，与文献[9]中范围相近。

由于再生骨料来源不同，且透水混凝土配合比、制备工艺不同，因此不同研究者得到的透水混凝土性能存在差异，测得的试件孔隙率所表现的基本规律往往也有差别。分析试验数据可得，双级配中骨料粒径比为1∶2时，试件孔隙率最小，为18.85%，粒径比为3∶2时，孔隙率较大，为23.14%。

再生透水混凝土透水系数与孔隙率之间的关系见图2。Bhutta等[10]研究表明，透水混凝土的孔隙率为23%～28%时，其透水系数呈线性上升趋势，李秋实等[11]也得出相同的结论，Zaetang等[12-13]研究发现透水系数与孔隙率为正相关的指数关系。本文结果表明：透水系数范围为3.28～4.20 mm/s，随着孔隙率的增大而增大，与相关研究成果一致。其主要原因是随着透水混凝土内部孔隙增多，相应的有效过水面积增大，过水量和速率增大，从而提高了透水性能。

（3）骨料级配对再生透水混凝土强度的影响。强度是透水混凝土的一个重要参数，再生骨料的使用应该为透水混凝土提供足够的强度。文献[9]中透水混凝土的抗压强度范围为2.8～28.0 MPa，本文测得再生透水混凝土试件抗压强度在5.58～9.16 MPa之间，与文献[9]相符。

图3为再生骨料透水混凝土受压破坏图，可以看出裂缝破坏主要呈斜向发展，也有少数出现局部破坏现象，不仅黏结界面发生破坏，而且一部分骨料颗粒发生破坏。再生骨料透水混凝土大多数断裂面为老砂浆断裂和界面过渡区破坏。

图4描述的是再生骨料透水混凝土抗压强度在不同骨料级配下的变化规律。试验表明：①采用单粒级骨料的再生透水混凝土的抗压强度大于双粒级的，即全部采用粒径10～20 mm再生骨料的透水混凝土抗压强度最大（为9.16 MPa），其原因可能是再生骨料粒径为5～10 mm的压碎值为23.14%，约为粒径为10～20 mm骨料的1.5倍，故单粒级再生透水混凝土中掺入小粒径骨料时，抵抗荷载能力减弱，强度降低;②采用双粒级再生骨料比例为1∶2时试件抗压和劈裂抗拉强度最大，分别为8.02 MPa和2.08 MPa，相比单粒级（基准）试件，抗压强度下降12.4%。此外，掺配比例为1∶1和2∶1时抗压强度及劈拉强度接近，掺配比例为3∶2时强度最小，分别仅为1∶2时抗压强度与劈拉强度的69.5%、67.8%。

再生透水混凝土抗压强度与劈拉强度的关系见图5。劈拉强度随着抗压强度的增大而增大，与ACI318[14]描述的抗压强度及劈拉强度的关系一致，但劈拉强度略高于ACI318中的值。文献[15-16]测得的普通透水性混凝土的拉压比范围在9%～14%内，而本文得出的拉压比在21%～27%之间，远远高于文献[15-16]中的，表明再生透水混凝土的脆性减小、韧性增大。

再生透水混凝土孔隙率与抗压强度的关系见图6。Bhutta等[10]发现普通与再生透水混凝土孔隙率为23%～28%时抗压强度近乎呈线性下降的趋势。Rasiah等[7]研究得出，抗压强度与孔隙率的关系为指数关系，且抗压强度随孔隙率的增大而降低。本文得到的透水混凝土孔隙率与抗压强度的关系与文献[10]的基本一致，呈线性下降趋势，原因可能是再生透水混凝土孔隙越多，混凝土中应力集中现象越严重，导致抗压强度越低。

5 结 论

将拆除的废弃混凝土路面经机械破碎及筛分获得再生骨料，并对其进行试验及分析，研究骨料级配对再生透水混凝土强度及透水性能的影响，主要结论如下：

（1）通过试验测得再生透水混凝土密度范围在1 730～1 800 kg/m3之间，单级配的再生透水混凝土的密度相比双级配的高，其中粒径比为3∶2的密度最低，为1 732 kg/m3。其透水系数范围为3.28～4.39 mm/s，该系数随着孔隙率的增大而提高，与相关研究成果一致，主要原因是随着混凝土内部孔隙增多，相应其有效过水面积增大，过水量和速率增大，从而提高了透水性能。

（2）单级配的再生透水混凝土抗压强度（为9.16 MPa）高于双级配的。雙级配粒径比为1∶2时试件抗压和劈裂抗拉强度较大，相比单级配（基准）试件，抗压强度下降12.4%;RPC3-2的抗压强度及劈裂抗拉强度均较低。

（3）就透水性而言，掺加粒径5～10 mm的再生骨料能够提高再生透水混凝土的透水系数，其中掺配比为2∶1的双级配再生透水混凝土能够在较高的强度基础上保证良好的透水性。

（4）试验得到再生透水混凝土的劈拉强度随着抗压强度的增大而增大，劈拉强度与抗压强度关系为正相关，拉压比范围在21%～27%之间，表明其脆性减小、韧性增大。

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【责任编辑 张华岩】