再生骨料品质对透水混凝土性能的影响

赵 斌，李如林，刘东基，姬晨光

（1.河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050000；2.河北省建筑工程质量检测中心有限公司，河北 石家庄 050000；3.河北建研工程技术有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

随着我国城市化水平的不断提升，拆迁和新建过程中产生的建筑垃圾随之增多，而废弃混凝土在建筑垃圾中所占比例较高，据统计全球每年约有建筑垃圾 20 亿 t，其中废弃混凝土大约 6 亿 t，如果将弃混凝土经过加工后用作透水混凝土的骨料，可以在一定程度上减少对矿山的开采，保护自然资源，拓展再生骨料的应用范围。透水混凝土是由胶凝材料、粗骨料、水、外加剂等拌制而成，由胶凝材料浆体包裹骨料粘结形成蜂窝状结构的多孔混凝土。由于其内部的孔隙率能达到 15 %～25 %，所以，透水混凝土具有透气、透水的特点，能够缓解城市热岛效应、保护地下水资源和改善土壤生态环境［1，2］，因此，再生骨料透水混凝土具有多重环境效益和经济效益，是一种优良的生态型路面材料。随着海绵城市建设上升至国家战略层面，透水混凝土作为海绵城市建设的重要组成部分，广泛应用于公园道路、市政广场、小区道路等承载要求相对较低的轻交通路面。

透水混凝上为骨架空隙结构、作为骨架的再生骨料，其压碎指标、针片状含量、骨料级配、微粉含量等指标对透水混凝土的主要性能有着很大的影响［3-6］，包括强度及透水性。并且由于受取材及生产工艺影响，一般来说再生骨料与天然骨料相比针片状颗粒较多、强度低，微粉含量、吸水率较大，导致再生骨料在透水混凝土中的应用受到了限制。因此，本文对再生骨料压碎指标、针片状含量、骨料粒径、微粉含量等指标对透水混凝土的主要性能抗压强度及透水性的影响，可以为再生骨料在透水混凝土中的应用、透水混凝土用再生骨料标准的制定及再生骨料生产工艺的改进提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：采用 P·O42.5 R 普通硅酸盐水泥，其物理力学性能如表 1 所示。

表1 水泥的物理力学性能

增强料：采用硅灰作为增强料，硅灰的性能指标如表 2 所示。

表2 硅灰的性能指标

外加剂：采用聚羧酸高性能减水剂，其性能指标如表 3 所示。

表3 聚羧酸减水剂性能指标

再生骨料：本实验采用小型颚式破碎机分别对不同原强的废弃混凝土进行破碎，用试验筛对破碎物进行筛分控制粒径及级配，水洗方式控制微粉含量，分别得到颗粒级配、压碎值、微粉含量等性能指标不同的再生骨料。

拌合及养护用水：饮用水。

1.2 成型及试验方法

搅拌与成型：先将再生骨料和一半水量加入搅拌机搅拌 30 s，然后加入水泥及硅灰与剩下一半拌合水逐渐加入搅拌机进行搅拌，整个搅拌过程控制在120～180 s，试件成型时的拌合物工作状态以“浆体均匀包裹骨料颗粒，粘结良好，不松散，手攥成团为宜”。将搅拌均匀的混凝土装入 150 mm×150 mm×150 mm 的抗压试模和高 50 mm、直径 100 mm 的透水试模中，捣棒均匀插捣后采用低频平板振动器抹压到位。抗压强度试验依据 GB/T 50081－2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。透水混凝土透水系数依据 CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技术规程》进行。

1.3 配合比设计

本试验采用体积法进行设计，基准配合比如图4 所示。

表4 基准配合比 kg·m-3

2 试验结果与分析

2.1 再生骨料压碎值对透水混凝土性能的影响

透水混凝土主要由再生骨料之间相互咬合形成骨架结构，透水混凝土强度取决于骨架之间接触点处的黏结力和骨料的强度，再生骨料的强度直接影响了透水混凝土的力学性能，骨料的强度通常用压碎值表征。再生骨料的压碎值一般在 10 %～30 %，本文选取了粒径为 4.75～9.50 mm单一级配压碎值分别为 10.4 %、12.2 %、14.8 %、16.3 %、19.8 %、22.5 % 的再生骨料，研究其对透水混凝土 28 d 强度的影响，试验结果如图 1 所示。

图1 骨料压碎值对透水混凝土抗压强度的影响

从图 1 中可知，随着骨料压碎值的增大，透水混凝土的抗压强度呈现逐渐降低的趋势，在压碎值为 10.4 %时达到最大值 29.1 MPa。同时，在所选取的骨料压碎值水平范围内，抗压强度值前后相差不明显，并且可以看到，骨料压碎值减小到一定程度后，透水混凝土抗压强度提升速率开始减缓。这是由于透水混凝土的抗压强度不仅取决于骨料压碎值，还与胶凝材料与骨料之间的过渡区、骨料形貌等因素有关。通常情况下，小的水灰比有利于减小界面过渡区的宽度，有利于强度的提升；另一方面，由于容易出现应力集中，骨料中针片状颗粒含量应尽可能的少，其对于体系的强度起负面作用。

2.2 再生骨料粒径对透水混凝土性能的影响

骨料粒径在透水混凝土的抗压强度和透水性方面起着十分关键的作用，通过大量研究，得到一致结论，认为骨料粒径越大透水混凝土的透水性能越强，而抗压强度则会越低。为了明确具体的影响效果，本文采用单粒粒级的再生骨料，选取粒径分别为 2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm、9.50～16 mm、16～19 mm 和 19～26.5 mm 的再生骨料，研究了粒径对透水混凝土 28 d 抗压强度、透水性能的影响，试验结果如图 2 和图 3 所示。

图2 骨料粒径对透水混凝土抗压强度的影响

图3 骨料粒径对透水混凝土透水系数的影响

由图 2 和图 3 可知，透水混凝土随骨料粒径变化规律为：随着骨料粒径的增大，抗压强度出现明显下降，而透水性能则明显上升。由于大粒径骨料比表面积较小，彼此之间的接触位点少，导致胶凝材料对其粘结作用降低，使透水混凝土的抗压强度减小。同理，较少的接触位点使体系内部更容易形成贯通的，并且弯曲程度小的孔隙，使水更容易通过，从而透水系数提高。

在最小粒径范围内，抗压强度达到最大值28.83 MPa，此时，透水系数仅为 0.43 mm/s，低于 CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的标准要求，相反，当粒径范围增大到19～26.5 mm 时，抗压强度减小为 14.33 MPa，而透水系数变为 3.21 mm/s，两指标前后差异明显，说明骨料粒径对透水混凝土的抗压和透水性能起到十分关键的作用。综合考虑，取骨料粒径为 4.75～9.5 mm为宜，此时即可满足透水率要求，同时又最大限度地保证了材料强度。

2.3 再生骨料级配对透水混凝土性能的影响

由 2.2 中可以看出，在骨料粒径 4.75～9.50 mm 到9.50～16.0 mm 材料抗压强度与透水系数分别出现了骤升和骤降，因此选取粒径为 4.75～9.50 mm 和9.50～16.0 mm 以 10∶0、8∶2、6∶4、4∶6、2∶8、0∶10 混合得到 5 种级配的再生粗骨料，考察了其对透水混凝土 28 d 抗压强度和透水性能的影响。实验结果如图 4、图 5 所示。

图4 骨料级配对透水混凝土抗压强度的影响

图5 骨料级配对透水混凝土透水系数的影响

从图 4 和图 5 中可知，随着骨料级配中 9.50～16.0 mm 颗粒含量的增加，透水混凝土的强度呈现下降趋势，其原因在于，当大粒径骨料加入时，与 2.2 中结论类似，骨料间接触位点减少，导致胶凝材料对其粘结效果变差，少量大粒径骨料产生的缝隙由小粒径骨料填充，提高了密实度，这也很好的解释了骨料级配 8∶2 时抗压强度出现了略微提升的原因。对于透水性，其变化趋势与抗压强度相反，随着大粒径骨料掺量的增加而大致呈现上升的趋势。因此骨料粒径 4.75～9.50 mm：9.50～16.0 mm 为 8∶2 为最优级配。

2.4 再生骨料微粉含量对透水混凝土性能的影响

再生骨料生产过程中产生的粒径＜0.16 mm的粉尘为再生微粉，该微粉主要成分为硬化水泥石、粗骨料和细骨料的碎屑，不包含泥块含量。研究微粉含量对透水混凝土性能的影响，既可保证透水混凝土的性能，又能合理利用微粉，减少资源浪费，避免二次污染。本研究选取了粒径为 4.75～9.5 mm，并分别掺入 1.0 %、2.5 %、4.0 %、5.2 %、6.67 %、8 %、9.2 %、14.5 % 的再生微粉等量替代粗骨料，研究其对透水混凝土 28 d 强度的影响和透水性能的影响，试验结果如图 6 和图 7 所示。

图6 骨料微粉含量对透水混凝土抗压强度的影响

图7 骨料微粉含量对透水混凝土透水性的影响

由图 6、7 可以看出，在骨料微粉含量为 8.0 % 以内时，透水混凝土抗压强度变化不大，甚至有略微提升，在 8 % 达到最高值 27.8 MPa，之后开始出现骤降，其原因在于，少量的微粉不仅可以起到填充效应，其含有的SiO2能与水泥中的 Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙凝胶，填充在混凝土内部的孔隙中，增加密实度，提升强度。对于透水性而言，随着微粉含量的增加，透水性混凝土透水系数呈现上升趋势，当微粉含量为 14.5 % 时达到最大，此时透水系数为 2.66 mm/s。在保证透水混凝土强度，并且透水性满足标准要求的情况下，微粉含量在 8 % 左右为宜。

3 结论

本文主要研究了骨料压碎指标、骨料粒径与级配、微粉含量等指标对透水混凝土强度和透水性的影响，研究结果如下。

1）再生骨料压碎值对透水混凝土抗压强度影响相对较小，当骨料压碎值为 10.4 % 时，抗压强度最大，为29.1 MPa。

2）骨料粒径对透水混凝土抗压强度和透水性能影响较大，在粒径范围在 4.75～9.50 mm 为宜，此时即可满足透水率要求，同时又能最大程度的保证材料强度。

3）对于骨料级配，在单一小粒径骨料中掺入少量大粒径骨料有利于透水混凝土抗压强度的提升，在骨料粒径 4.75～9.50 mm∶9.50～16.0 mm 为 8∶2 时为最优级配。

4）少量的微粉可略微提升透水混凝土的抗压强度，但含量超过 8 % 以后会出现骤降，而透水系数则随着微粉含量的增加而升高，综合考虑，微粉含量在8%左右为宜。Q