利用再生骨料制备透水混凝土试验研究

蔡基伟，李静，张少波，吴计旭，罗斐

随着我国城镇化进程的发展，建筑垃圾排放量逐年增长，可再生组分比例也不断提高。然而，大部分建筑垃圾未经任何处理，被运往郊外或城市周边进行简单填埋或露天堆存，这不仅浪费了土地和资源，还污染了环境;另一方面，随着人口的日益增多，建筑业对砂石骨料的需求量不断增长。长期以来，由于砂石骨料来源广泛易得，价格低廉，被认为是取之不尽、用之不竭的原材料而被随意开采，从而导致资源枯竭、山体滑坡、河床改道，严重破坏了自然环境。生产和利用建筑垃圾再生骨料对于节约资源、保护环境和实现建筑业的可持续发展具有重要意义。

在我国，建筑垃圾再生骨料主要用于取代天然骨料来配制普通混凝土或普通砂浆，或者作为原材料用于生产非烧结砌块或非烧结砖。采用建筑垃圾再生骨料部分取代或全部取代天然骨料配制混凝土和砂浆已经在很多工程中得以成功应用，有些商品混凝土搅拌站已经专设储存库将建筑垃圾再生骨料作为一种原材料；利用建筑垃圾再生骨料生产非烧结砌块和非烧结砖能够消纳玩滚球的十大平台的建筑垃圾，是目前我国建筑垃圾资源化利用的重要途径。

利用再生骨料制备透水混凝土，具有良好的生态效应和社会效益。试验采用附加水量法，按不同净浆水灰比及净浆对骨料空隙的填隙系数配制一系列试样，观察无砂透水混凝土试样的积浆情况并测试抗压强度。试验发现，净浆水灰比偏大时易造成透水混凝土积浆堵孔，水灰比偏小时则成型效果差，两种情况均对强度不利。透水混凝土属于骨架空隙结构，强度与灰水比的关系不符合鲍罗米公式。在不积浆条件下，净浆强度与流动性矛盾达到平衡时的水灰比为最佳水灰比（约0.30），此时试样不易积浆且强度达到最高（10.2MPa）。透水平衡时，每平方米地面透水流量将近0.3m3/min，将在海绵城市系统中发挥很好的调蓄作用。

关键词：透水混凝土；再生骨料；抗压强度；填隙系数；积浆

0 引言

现代化城市地表过度硬化，引起了严重的生态问题。每逢大雨，全国各大城市纷纷出现市内“观海”景象。城市内涝的直接原因是排水设施能力不足、沟渠清淤不到位及常规的硬化地面失去了对雨水的调蓄作用。无砂混凝土不含细骨料，仅包括胶材、粗骨料、拌合水和外加剂等组分。无砂混凝土中胶材仅起粘结作用，同时保留较多的透水孔隙，从而形成多孔结构，具有保温、透气和透水性能，是透水混凝土的不二选项。透水混凝土符合我国建设海绵城市的需要，将降雨蓄集利用，既补给了地下水又缓解了城区排水困难问题。旧建筑物拆除量增多，出现大量废弃混凝土，我国建筑垃圾利用率仍处于较低水平。废弃混凝土经破碎可加工成再生骨料，但再生骨料强度一般较低，而透水混凝土由于许多大孔的存在也导致材料强度很低。因此，利用再生骨料制备透水混凝土在力学性能方面具有适用性。用再生骨料制备透水混凝土，一举两得。

1 试验原材料与方法

1.1 原材料

（1）水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，28d实测抗压强度45.1MPa。

（2）再生粗骨料是用废弃混凝土块经破碎机简单破碎制得，颗粒粒径介于5~16mm，搅拌过程中（约5~10min）的吸水率为2.86%，表观密度2300kg/m3，紧密堆积密度1380kg/m3。再生粗骨料的级配曲线见图1。

▲ 图 1 再生粗骨料级配曲线
 

1.2 试验配合比及试验方法

?取粗骨料间的紧密系数为0.97，在次紧密堆积状态下空隙率为42%，记净浆用水量为W0，水泥用量为C，吸入粗骨料颗粒内的附加水量为W1，每立方米拌和物中粗骨料颗粒间的空隙体积为Vo，则净浆体积Vp=Vc+Vw0，净浆体积占粗骨料空隙体积之比本文称为填隙系数，即k=Vp/Vo．试验按净浆水灰比W0/C=0.2~0.5以及填隙系数k=0.2~0.5，设计一系列配合比进行试拌。在试拌过程中边搅拌、边加水、边观察净浆稠度，当目测净浆泛光时停止加剩余的水，如果达不到泛光程度再补充少许水量，整理后的试验配合比见表1。成型拆模后观察试件底部及侧面是否积浆，标准养护至7d和28d 龄期，参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 透水混凝土的强度与积浆情况

试件强度与积浆情况见表1，28d强度与C/W0关系如图2所示。在图2中，曲线左上方试验点均存在积浆现象；曲线下方的若干试验点属于浆量不足，强度没有达到最优。不积浆并且强度相对较高的试样连接成曲线，从连接线的形状来看，透水混凝土强度与C/W0不成线性关系，说明透水混凝土的强度并不符合鲍罗米公式表述的规律，而存在最佳灰水比。

▲ 图 2   不同灰水比时积浆情况和抗压强度
 

用净浆水灰比(W0/C)作横轴时，强度与水灰比的关系见图3，W0/C≈0.40的试样多数积浆；试件底部存在一定面积的堵孔现象，W0/C≈0.50的试样积浆严重，底面全部堵实并且积浆层厚度较大。曲线下方的试样属于浆量不足的情况，粗骨料颗粒间粘结面积较小，强度相对较低。W0/C≈0.30时，如果浆量合理，透水混凝土强度可达最高（10.2MPa），即净浆最佳水灰比在0.30左右。

表 1   透水混凝土配合比与试验结果

▲ 图 3  不同水灰比时积浆情况和抗压强度
 

在水灰比一定的条件下，填隙系数k对透水混凝土强度的影响如图4所示。水灰比一定时，透水混凝土的28d强度随着填隙系数k的增加而增加。图中W0/C分别为0.40、0.30和0.25时，随着水灰比的减小，趋势线的斜率增大，也就是说水灰比影响着强度对填隙系数的敏感性。

当填隙系数均为k=0.32时，W0/C≈0.40和W0/C≈0.25时的强度均低于W0/C≈0.30时的强度；在试验范围内W0/C≈0.30趋势线整体位于另外两条趋势线（及延长线）之上，即对于强度而言最佳水灰比约为0.30。

▲ 图 4   填隙系数k对透水混凝土强度的影响
 

2.2 透水混凝土的透水性

试验制备的透水混凝土具有良好透水性（如图5所示）。为了量化表征透水混凝土的透水性，本文采用透水平衡时单位面积透水流量（简称透水流量）来表示透水混凝土的透水性。

▲ 图 5   透水混凝土试件的透水性
 

对于强度和填隙系数接近最佳值的代表性试件（A4），经测试，其单位面积透水流量为294 L/(m2·min)。这意味着，每平方米透水混凝土地面，可透水将近0.3m3/min，在土壤饱和之前很难造成地面积水，从而可缓解路面排水困难的问题。

3 结论

（1）在设计再生骨料透水混凝土配合比时，宜采用附加水量法，净浆稠度以达到目测泛光为宜，以免积浆堵孔。

（2）透水混凝土的强度不符合鲍罗米公式，净浆水灰比取0.30左右较合理，如果取值偏大，则因净浆流动性过大而造成积浆堵孔，严重影响混凝土的透水性；如果取值偏小，则净浆对骨料粘结不良，成型效果差，透水混凝土的强度不足。

（3）水灰比一定时，随着净浆对骨料间空隙填充程度的增加，透水混凝土抗压强度随之增大，且在试验范围内，水灰比减小能够增大强度对填隙系数的敏感度。

（4）作透水用途的无砂混凝土属于骨架空隙结构，水灰比的减小使净浆强度增加；水灰比的适量增大使净浆流动性增加，也就改善了粘结效果，有利于提高透水混凝土的强度。在不积浆条件下，净浆强度与流动性矛盾达到平衡时的水灰比为最佳水灰比。

（5）水灰比和填隙系数都接近最优时，透水混凝土每平方米透水流量将近0.3m3/min，若用于城市地面或路面，将能很好地解决雨天积水问题。