关键词：再生骨料；透水混凝土；正交试验；性能优化；高取代率；大粒径骨料
前言：为了响应国家建设“海绵城市”的要求，帮助解决建筑垃圾处理，推进再生骨料透水混凝土的实际应用，本课题主要对再生骨料透水混凝土的配合比及其性能进行试验研究，分析高取代率再生骨料透水混凝土和大粒径骨料透水混凝土应用的可行性。主要研究内容有以下几个方面：再生骨料透水混凝土的合理配合比为：①当骨料粒径为5～10mm时，再生骨料取代率为50%，硅灰掺量为4.7%，聚丙烯纤维掺量为0.6%，可再分散乳胶粉掺量为7%，粉煤灰掺量为10%；②当骨料粒径为10～16mm时，再生骨料取代率为30%，硅灰掺量为4.7%，聚丙烯纤维掺量为0.6%，可再分散乳胶粉掺量为7%，粉煤灰掺量为10%。试验结果表明，高掺量再生骨料透水混凝土和较大粒径骨料再生骨料透水混凝土在工程应用中存在一定可行性。将建筑垃圾资源化处理后获得的再生骨料用于制作透水混凝土，不仅可以为建筑垃圾的处理提供有效途径，还能够缓解城市中存在的上述问题。从生态环境保护、社会经济效益、“海绵城市”建设等方面考虑，都是有积极意义的，可以起到1+1>2的效果。
二、试验原材料及试验方法
试验使用的骨料分为由岩石破碎而成的天然骨料和由建筑垃圾破碎而成的再生骨料。天然骨料与再生骨料出厂粒径均为5～31.5mm的连续级配，因为试验所需要的骨料为单粒级，因此需要将骨料进行人工筛分。根据试验需求，选用筛孔边长分别为4.75mm、9.5mm和16.0mm的方孔筛，将再生骨料和天然骨料分别筛分出公称粒径为5.00～10.0mm和10.0～16.0mm的两种粗骨料，为了避免筛分好的骨料相互混杂，将筛分好的骨料装袋并做好标记。骨料的人工筛分如图2.1所示。
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试验所用水泥为东莞水泥集团有限公司生产的天瑞牌普通硅酸盐水泥，其物理性能指标见表2.2，符合国家标准GB175-2007《通用硅酸盐水泥》的规定。
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2.1掺合料
试验所用掺合料主要有硅灰、粉煤灰、聚丙烯纤维和可再分散乳胶粉，聚丙烯纤维和可再分散乳胶粉分别如图2.2和图2.3。硅灰是一种超细粉体材料，可以有效提高混凝土的强度和耐久性；粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收集到的细灰，混凝土中加入粉煤灰后可以提高和易性和耐久性，降低混凝土的水化放热，提高混凝土的后期强度；聚丙烯纤维强度高、耐腐蚀，可以提高混凝土的抗裂性、抗冻能力；可再分散乳胶粉掺入到胶结料中，可以改善胶结浆体的流动性，让浆体不易下沉，使骨料包裹更均匀，增强胶结浆体的抗弯折强度等。上述掺合料的物理性能指标分别见表2.3～2.6，由表中数据可知它们均符合相关国家标准的规定。
2.2配合比设计方法
再生骨料透水混凝土是由再生粗骨料、天然粗骨料、水泥、掺合料、外加剂和拌合水组成的多孔隙素混凝土。透水混凝土除了满足强度的同时还兼具透水的功能，因此强度和透水率是配合比设计的两大指标。透水率取决于连通孔隙的多少，所以在浇筑时要保证混凝土内部有足够的连通孔隙以达到透水排水的效果。但是过多的孔隙会导致材料的强度和耐久性降低，协调强度和孔隙率达到一个最佳效果很关键。
目前透水混凝土配合比设计常用的方法为体积法，体积法的主要思路是将粗骨料体积、胶结料浆体体积和设计孔隙率体积之和作为透水混凝土的体积。粗骨料紧密堆积构成其表观体积，骨料间存在很多空隙，胶结料浆体填充之后会占据一部分空隙，剩余的即为透水混凝土的最终孔隙。胶结料浆体包裹骨料并将骨料粘结成一个稳定的连续的骨架网络，既保证了混凝土有一定的孔隙，又保证了混凝土的强度。本试验参照CJJ/T253-2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》和CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中的体积法进行配合比设计。
2.3抗压强度试验方法
试件的立方体抗压强度试验参照国家标准GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，试验所用的仪器为济南中路昌试验机制造有限公司生产的型号为YAW-2000B型压力试验机，如图2.10所示。到达养护期后，将立方体试块从养护室取出放置在试验机下压板，试件的中心与试验机下压板中心对准，开动试验机使上压板与试件接触并调整球座使其均衡接触。在试验过程中连续均匀加荷，因为再生骨料透水混凝土强度较低，所以加荷速度取0.5MPa/s。待试件破坏后，记录破坏荷载，按公式（2.14）计算立方体抗压强度。
2.4抗折强度试验方法
试件的抗折强度试验参照国家标准GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[71]，试验所用的仪器为济南东测试验机技术有限公司生产的型号为WDW-100型电子式万能试验机，如图2.11所示，装置示意图如图2.12所示。到达养护期后，将棱柱体试块从养护室取出如图2.13所示放置在试验机上。在试验过程中连续均匀加荷，因为再生骨料透水混凝土强度较低，所以加荷速度取0.05MPa/s。待试件破坏后，记录破坏荷载，按公式（2.15）计算试件抗折强度。
2.5孔隙率试验方法
再生骨料透水混凝土的孔隙包括：连通孔隙、半连通孔隙和封闭孔隙，三种孔隙并称为总孔隙，如图2.14所示。3种孔隙中连通孔隙可以使水透过混凝土，半连通孔隙可以积蓄一定的水，但是无法使水通过，封闭孔隙是一个封闭的空腔，水无法进入，因此起不到蓄水或透水的作用。因此，我们将相互连通的孔隙称之为有效孔隙，包括连通孔隙和半连通孔隙，将所有相互连通的孔隙所占的体积与混凝土堆积体积的比值称为有效孔隙率。将总孔隙所占体积与混凝土堆积体积的比值称为总孔隙率。由于透水效果的好坏仅与有效孔隙率有关，且目前国内外只有针对有效孔隙率的测定方法，因此本文只对有效孔隙率做相应研究。
三、基于正交试验的再生骨料透水混凝土基本性能分析
再生骨料透水混凝土作为一种新型环境友好型材料，由于其多孔的结构使其展现出良好的透水性能和吸声降噪性能，在雨季减少城市内涝和“海绵城市”的建设中也发挥着非常重要的作用。但是多孔的结构既是其优势同时也存在很多弊端。由于多孔，其结构体系疏松，导致其强度大幅降低，因此透水性和强度是一对相互矛盾的存在。另外，由于掺入了强度低于天然骨料的再生骨料，会导致其强度进一步降低。如何在再生骨料掺量、孔隙率和强度之间寻找到一个经济合理的平衡点显得很关键。本章通过设置再生骨料取代率、硅灰掺量、聚丙烯纤维掺量和可再分散乳胶粉掺量等4个因素，每个因素设置4个变化水平的正交试验，结合极差分析、层次分析和方差分析，得出上述4个因素的最佳配合比。
试验设置再生骨料取代率、硅灰掺量、聚丙烯纤维掺量和可再分散乳胶粉掺量等4个因素，每个因素有4个变化水平，保持设计孔隙率为15%不变，减水剂掺量为0.5%，经前期适配合理水灰比控制在0.21左右。采用正交试验研究再生骨料透水混凝土抗压强度、抗折强度、有效孔隙率和透水系数的变化规律以及上述4个因素对再生骨料透水混凝土相关性能的影响程度，确定最佳配合比。常规的单因素变化试验很全面，其可以分析各因素的效应，交互作用，也可选出最优水平组合。但全面试验包含的水平组合较多，工作量大，在有些情况下无法完成。正交试验可以以部分代表全部，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况，能够在不用全面了解各因素对试验结果的影响的情况下，尽可能多的减少试验次数。通过极差分析、层次分析和方差分析等方法对试验结果进行综合分析，了解全面试验的情况。本试验4个变化因素分别为再生骨料取代率、硅灰掺量、聚丙烯纤维掺量和可再分散乳胶粉掺量，分别记作A、B、C和D，另外设置一列空列记作E，依据以往的研究结论，将每个因素设置4个变化水平，确定其合理的百分比，试验因素水平设置情况。
由图3.3（a）可知，类似于7d抗压强度随再生骨料取代率的变化，随着再生骨料取代率的增大，再生骨料透水混凝土的28d
抗压强度不断减小。取代率从30%增大到50%的过程中，28d抗压强度降低了10.8%；从50%增大到70%的过程中，28d抗压强度降低了12.5%；从70%增大到100%的过程中，28d抗压强度降低了21.6%；从30%增大到100%的过程中，28d抗压强度降低了38.7%。表明随着再生骨料取代率的增大，再生骨料透水混凝土28d抗压强度减小的程度是非常明显的。造成的原因同7d抗压强度的一致。
由图3.3（b），再生骨料透水混凝土的28d抗压强度随着硅灰掺量的增加先增大后减小。类似于硅灰掺量对7d抗压强度影响的原因，这是因为比表面积较大的硅灰掺入水泥后，其填充作用可以让胶结浆体更加致密，增大胶结浆体的强度，有利于胶结浆体对粗骨料的包裹粘连。同时低密度的硅灰在相同质量下体积要远远大于水泥，硅灰掺量是按质量换算，随着其掺量的增加，硅灰所占的体积越来越大，导致胶凝材料颗粒的总表面积增大，水灰比一定的情况下，掺入的硅灰越多，浆体变得越粘稠，不利于对骨料的粘结。因此硅灰的掺入存在上限。
由图3.3（c），再生骨料透水混凝土的28d抗压强度随着聚丙烯纤维掺量的增大先增大后减小。这是因为高抗拉强度的聚丙烯纤维掺入拌合料后，其可以抑制混凝土受压破坏时裂缝的开展。但是纤维掺量存在上限，可能是纤维过多时影响了胶结浆体的流动，进而影响了对骨料的包裹，降低了骨架结构的强度。
由图3.3（d）可知，少量的可再分散乳胶粉掺量可以提高再生骨料透水混凝土的28d抗压强度，随着掺量继续增加，28d
抗压强度不断减小。造成这种现象的原因可能是少量的可再分散乳胶粉可以提高胶结浆体的和易性，能够更好地起到粘结包裹作用，但是可再分散乳胶粉属于有机材料，过多的掺量会抑制水泥的水化反应，进而影响了再生骨料透水混凝土的抗压强度。
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结束语
粉煤灰对再生骨料透水混凝土的抗压强度和抗折强度具有一定的提高作用，对有效性孔隙率的提高作用不明显，对透水系数的提高具有一定作用，掺入粉煤灰对再生骨料透水混凝土的耐久性有一定提高。对试验数据进行拟合，得到抗压强度与抗折强度以及有效孔隙率与透水系数的拟合关系式。再生骨料掺量越多，冻融循环后质量损失率越大，相对动弹性模量越小；骨料粒径越大，冻融循环后质量损失率越大，相对动弹性模量越小。骨料粒径为5～10mm时，取代率为30%和50%的再生骨料透水混凝土均能够满足强度、透水性和耐久性的要求，说明在骨料粒径为5～10mm时将再生骨料取代率从30%提高到50%是可行的；骨料粒径为10～16mm时，取代率为30%的再生骨料透水混凝土可以满足强度、透水性和耐久性的要求，但是再生骨料取代率提高到50%的情况下，再生骨料透水混凝土的性能指标无法满足规范要求，说明再生骨料在低取代率的情况下，可以增大再生骨料透水混凝土的骨料粒径。试验结果表明，无论是增大骨料粒径还是提高再生骨料取代率，再生骨料透水混凝土的性能都会极具弱化。
参考文献
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论文作者:曹嘉
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年2月第5期
论文发表时间:2020/5/9