路用再生骨料透水混凝土的力学性能优化研究

田小风 李基恒 王新 张楗

路用再生骨料透水混凝土（PRAC）的力学性能直接影响再生骨料透水混凝土道路的质量。文章基于PRAC的破坏机理，从两个方面研究其力学性能的优化：（1）在普通硅酸盐水泥的基础上，往PRAC的胶凝材料中分别掺入硅灰、粉煤灰、磨细矿渣粉等矿物掺合料和增强料、外加剂等进行试验，研究胶凝材料的力学性能并分析其作用机理，从而提高水泥石强度;（2）对增加骨料之间的接触点数量和面积时PRAC力学性能的变化规律进行改性研究。结果表明：通过掺入不同矿物掺合料可以显著提高再生骨料透水混凝土水泥石的强度;通过改变PRAC的骨胶比，增加骨料颗粒表面包裹的胶凝材料的厚度，可优化PRAC的力学性能，提高PRAC的强度。

再生骨料;力学性能;矿物掺合料;透水混凝土

U416.03A030074

0 引言

沥青混凝土路面、水泥混凝土路面等传统路面透水性、透气性差，当遭遇暴雨时，城市排水系统的压力在短时间内剧增，从而容易发生积水内涝，降低道路行车安全性，同时也会造成经济损失[1-2]。透水混凝土是一种改善城市生态环境的环保型建筑材料，目前在城市中有较多的应用，主要应用在园林工程中的轻荷载道路、城市广场、停车场、步行街、人行道、树池、居民小区内等道路的路面。透水混凝土作为一种环保材料，能够很好地促进水循环，是海绵城市道路建设中必不可少的一个环节。再生骨料透水混凝土（pervious recycled aggregate concrete，简称PRAC）作为新型建筑材料，是一种再生骨料替代天然骨料，再由特定级配的再生骨料、水、胶凝材料、矿物掺合料和外加剂等按一定比例制备而成且具有连续孔隙的透水混凝土，具有良好的排水蓄水、透气调温、吸声降噪以及净化水体等生态环境效益。同时，再生骨料的替代减少了天然骨料的消耗，实现了建筑垃圾的资源再利用，能够节约自然资源，实现保护生态环境的作用[3-5]。PRAC强度的影响因素较多，根据对PRAC的破坏机理进行分析，本文从提高胶凝材料强度、改善界面过渡区以及增加骨料之间的接触点数量和面积等方面对PRAC的力学性能进行综合分析。

1 透水混凝土破坏的原因

再生骨料透水混凝土在受压破坏时，表面产生的裂缝是纵向通长的，在试件棱角位置处裂缝较多且产生骨料脱落，直至试件整体破碎，PRAC受压破坏基本上没有“环箍效应”。

再生骨料透水混凝土与普通混凝土的受压破坏不同，属于“骨架-空隙结构”，当它承受抗压破坏时，表面的实体部分是它的受压面，力的接触面积小，所以承受的应力相对集中，骨料和骨料之间相互挤压，通过胶凝材料层传递机械咬合力。当PRAC受到外力作用时，PRAC内部颗粒的接触点将会受到集中应力作用，当应力超过承载力极限时，首先发生破坏的是骨料间的接触面，紧接着发生骨料错动，填充内部的孔隙，使试件变得更加密实。如果继续加载，由于再生骨料强度较低，而且质量差异较大，除以上现象之外，部分再生骨料会伴随挤压破碎。

2 试验

影响再生骨料透水混凝土强度的因素较多，在对PRAC的破坏机理进行分析的基础上，本文将从提高胶凝材料强度和改善界面结构，增加骨料的接触点数量和面积等方面对再生骨料透水混凝土的力学性能进行综合性分析。

2.1 提高胶凝材料强度，改善界面结构

根据PRAC的破坏机理，再生骨料透水混凝土中的胶凝材料作为力的传递介质，主要作用有：（1）控制骨料间接触点处的粘结强度;（2）传递骨料与骨料之间的机械咬合力。通过在胶凝材料中掺加磨细矿渣粉、粉煤灰、硅灰等矿物掺合料，以掺加增强料、外加剂等方式，可以改善胶凝材料浆体的微裂缝和孔结构，提高胶凝材料浆体的致密程度和强度，并改善骨料与浆体间的界面结构，从而有效地提高PRAC的力学性能。

2.2 试验过程

2.2.1 粉煤灰对再生骨料透水混凝土水泥石强度的影响

通過图1可知，掺加粉煤灰后的胶凝材料的早期强度较低，而后期抗折强度和抗压强度有所提高，甚至超过基准胶砂的强度。原因是在掺加粉煤灰的二元胶凝材料中，胶凝材料的水化反应由水泥熟料矿物的水化反应和粉煤灰的火山灰反应两部分组成。由于粉煤灰的矿物组成中大部分为玻璃体结构，且表面富集SiO2和SiO2-Al2O3，使其在水化早期具有较低的火山灰活性。首先，水泥熟料矿物在发生水化反应时生成Ca（OH）2，然后粉煤灰的活性成分与生成的Ca（OH）2发生二次水化反应，从而提高水泥石的后期强度。

2.2.2 矿渣对再生骨料透水混凝土水泥石强度的影响

通过图2可知，矿渣掺量在20%以内，对胶凝材料抗折的早期强度和后期强度均有一定程度提高。矿渣掺量在15%以内对胶凝材料的早期强度有所提升，掺加磨细矿渣粉的二元胶凝材料在水泥熟料水化放出的Ca（OH）2的激发下，发挥胶凝效应和火山灰活性效应，使水泥石的早期强度基本不变，且后期强度有所提高。

2.2.3 硅灰对再生骨料透水混凝土水泥石强度的影响

通过图3可以看出，胶凝材料中掺入硅灰，形成的硅灰微集料效应使水泥石早期强度和后期强度均显著提高。由于硅灰的高火山灰活性效应和微集料填充密实效应，掺硅灰的二元胶凝材料不仅能够显著提高胶砂的早期强度，而且水泥石的后期强度也得到了显著提高。

2.2.4 不同增强料对胶凝材料强度的影响

分别采用多元胶凝材料、可再分散性乳胶粉、聚丙烯纤维等制备PRAC，再生骨料用量为1 640 kg/m3，水用量为124 kg/m3，减水剂为

0.89 kg/m3，制备PRAC并测定抗压强度。试验结果如表1所示。

根据表1的试验结果可知，由多元胶凝材料制备PRAC的抗压强度影响最为显著，

7 d、28 d的抗压强度分别提高了23%和29%。通过试验表明，由多元胶凝材料制备PRAC不仅能提高早期强度，并且使其综合性能得到改善。在PRAC中掺加可再分散性乳胶粉可以明显提高PRAC的抗压强度，7 d、28 d的抗压强度分别提高了10%、21%。首先，可再分散性乳胶粉在拌和中溶解形成乳液，黏性较大，可以有效地增大胶凝材料的粘结强度，提高骨料间的粘结力。另外聚合物颗粒填充在水泥浆体和界面过渡区的孔隙中，可通过改善混凝土的孔隙结构，从而提高PRAC的强度。掺聚丙烯纤维对PRAC的抗压强度提升幅度较小。聚丙烯纤维具有较高的抗拉强度和韧性，可以有效地阻止混凝土的开裂。在PRAC中掺入聚丙烯纤维，纤维均匀地分布在水泥浆体中，增强水泥浆的粘结作用，共同承担骨料间的剪切应力，从而提高PRAC的强度。

3 机理分析

骨料间的机械作用力是影响PRAC力学性能的重要因素之一。增加骨料间的接触点数量，主要有两个方面：（1）优化粗骨料级配，减少粗粒径骨料的使用比例，随着骨料粒径的减小，骨料的总比表面积增大，接触点增多，并且由于骨料趋于球形的几率增大，接触面积增大，从而使骨料之间的嵌挤作用和摩擦阻力增强，使透水混凝土的强度提高;（2）在保证PRAC骨架结构的基础上，掺入一定量的细骨料，填充在粗骨料之间的空隙中，使细骨料在粗骨料之间相互搭接，从而使接触点明显增多，其骨架结构模型如图4所示。通过改变PRAC的骨胶比，增加骨料颗粒表面包裹的胶凝材料的厚度，增大骨料间的接触点面积，增强骨料间的粘结强度，从而使PRAC的强度得到提高。

4 结语

（1）采用掺粉煤灰、磨细矿渣粉、硅灰等矿物掺合料的多元胶凝材料，优化了路用再生骨料透水混凝土骨料之间的水泥石界面，从而大幅提升路用再生骨料透水混凝土的抗压强度。

（2）在路用再生骨料透水混凝土中掺入一定掺量的可分散乳胶粉，可有效提升路用再生骨料透水混凝土骨料之间的粘结强度。

（3）加入聚丙烯纤维，其在水泥石中的网络结构起到良好的阻裂作用，承担骨料之间的剪切应力，从而提高了PRAC的强度。

[1]张明涛.混凝土矿物增强改性剂与增强机理研究[D].成都：西南科技大学，2011.

[2]聂 品.再生骨料透水混凝土的路用性能研究[D].郑州：华北水利水电学院，2012.

[3]王永海.再生骨料透水混凝土力学性能的影响因素研究[J].工程质量，2015（5）：46-50.

[4]孙跃东.再生混凝土框架抗震性能试验研究[D].上海：同济大学，2006.

[5]肖力光，林 侠.再生骨料透水混凝土在海绵城市中的应用研究[J].吉林建筑大学学报，2017（4）：9-12.