姚明來 陳 洲 劉秦南 王 莘 饒碧玉

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 昆明 650201)

再生骨料無砂透水混凝土抗凍性能試驗(yàn)研究

姚明來 陳 洲 劉秦南 王 莘 饒碧玉

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 昆明 650201)

本試驗(yàn)對(duì)再生骨料無砂透水混凝土的抗凍性能和透水性能進(jìn)行了研究．試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)25次快速凍融循環(huán)后，隨著孔隙率和水灰比的增大，再生骨料無砂透水混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率、透水系數(shù)也隨著增大，質(zhì)量損失率在水灰比為0.35孔隙率為20%時(shí)最大．當(dāng)水灰比為0.35，孔隙率為15%時(shí)，再生骨料無砂透水混凝土的綜合性能最好，抗壓強(qiáng)度為25 MPa，透水系數(shù)為4.38 mm·s-1，凍融質(zhì)量損失率為1.08%，抗壓強(qiáng)度損失率為5.93%，符合再生骨料透水混凝土抗凍性要求．

再生骨料； 無砂透水混凝土； 抗凍性能； 透水性能

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和自然災(zāi)害的影響，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾．近幾年我國(guó)每年建筑垃圾的排放總量約為35.5億噸，約為城市垃圾總量的40%，但是只有不到5%的垃圾資源化率．目前透水混凝土在景觀園林、停車場(chǎng)等道路上已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用．將再生骨料無砂透水混凝土應(yīng)用于人行道、景觀園林道路可以減少環(huán)境污染、資源浪費(fèi)、城市內(nèi)澇，調(diào)節(jié)城市環(huán)境[1-2]．王武祥研究得出粒徑為16～32 mm、8～16 mm、4～8 mm的再生骨料，含有約30%、40%、60%的水泥砂漿成分[3]．錢志民得出再生骨料具有孔隙率高、密度小、吸水性大、強(qiáng)度較低等特點(diǎn)的結(jié)論[4]．Kou Cong Shi，I.BTopcu等得出:當(dāng)再生骨料的用量增加時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量、抗拉彈性模量均降低，全部替代為再生骨料的混凝土比全為天然骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度低8.9%，抗拉強(qiáng)度低6.9%[5-6]．Senng Park Bum研究顯示當(dāng)再生骨料的取代率為50%，目標(biāo)孔隙率為25%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度值最高[7]．長(zhǎng)沙理工大學(xué)的周勇研究表明：當(dāng)粗骨料粒徑增大時(shí)，透水混凝土的強(qiáng)度下降，其值大于26 MPa、抗折強(qiáng)度大于3 MPa、孔隙率為18.98%[8]．再生骨料無砂透水混凝土不僅強(qiáng)度和透水僅需要滿足規(guī)定要求，同時(shí)也需要滿足抗凍性要求．本試驗(yàn)分析了孔隙率為15%、20%、25%、30%，水灰比為0.3、0.35、0.4、0.45的配合比對(duì)再生骨料無砂透水混凝土的抗凍性能的影響．得出隨著孔隙率和水灰比增大再生骨料無砂透水混凝土的抗凍性能降低，但其質(zhì)量損失率不大于5%，抗壓強(qiáng)度損失率不高于20%，符合透水混凝土抗凍性能指標(biāo)．

1 試驗(yàn)原材料

1.1 水泥

紅獅牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見表1．

表1 水泥性能

1.2 水

拌合用水為普通自來水．

1.3 粉煤灰

云南省綠威牌粉煤灰，F(xiàn)類，GB/T1596-2005．

1.4 減水劑

云南省昆明市生產(chǎn)的百?gòu)?qiáng)牌高效減水劑．

1.5 粗骨料

再生骨料來至昆明市龍頭街城中村改造的廢棄混凝土塊，在實(shí)驗(yàn)室采用PE-150×250小型顎式破碎機(jī)將混凝土塊進(jìn)行破碎．篩分得到4.75～9.5 mm、9.5～16.5 mm、16.5～19.5 mm、19.5～26.5 mm 4種粒徑的再生粗骨料．骨料性能見表2．

表2 再生粗骨料性能指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)

透水混凝土配合比設(shè)計(jì)與普通混凝土不同，水泥漿過多會(huì)堵塞粗骨料間的空隙，使試件的透水性能大大降低，過少會(huì)影響骨料之間的粘結(jié)，影響試件強(qiáng)度．目前透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法還不是很成熟，主要有質(zhì)量法、體積法和比表面積法3種．本試驗(yàn)采用體積法計(jì)算．即混凝土的體積為粗骨料、膠凝材料和空隙體積之和，體積法計(jì)算能較好地控制混凝土的孔隙率[9]．本試驗(yàn)配合比見表3．

表3 配合比

3 試驗(yàn)方法

3.1 試件成型養(yǎng)護(hù)

實(shí)驗(yàn)室制備的試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，每個(gè)配合比2組，每組3個(gè)試件，共96塊用于抗壓試驗(yàn)和透水率試驗(yàn)．100 mm×100 mm×400 mm，每個(gè)配合比2組，每組3個(gè)試塊，共96塊用于凍融試驗(yàn)．采用先再生骨料、水泥、粉煤灰、減水劑攪拌60 s，然后加水再攪拌120 s出料的拌和方法．試件分3次裝料，每次裝料用搗棒人工搗實(shí)．24 h后試件脫膜，將試塊放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d．圖1～3分別為攪拌出料、拆模、養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土．

圖1 攪拌后的混凝土 圖2 成型后的試件 圖3 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)中的試件 圖4 快速凍融機(jī)

3.2 性能檢測(cè)

1)試件抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)定．按GB50081-2002標(biāo)準(zhǔn)對(duì)養(yǎng)護(hù)完成的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)．

2)試件凍融性能測(cè)定．混凝土抗凍性試驗(yàn)根據(jù)GB/T50082-2009進(jìn)行，采用快速凍融法．尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的試件，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的試件取出，放入高出試件20 mm的常溫水中浸泡24 h，擦干試件表面附著水，測(cè)試件凍融循環(huán)25次后的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率．

3)透水率測(cè)定．本試驗(yàn)選用變水頭法來測(cè)試試件的透水率，透水儀為實(shí)驗(yàn)室自制透水儀器，如圖5所示．材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃，儀器上部容量筒尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，外部有刻度標(biāo)尺．該透水儀主要測(cè)試不同高度的水柱通過試件時(shí)的豎向徑流速度，以豎向徑流速度來衡量其透水性能．試驗(yàn)選用非成型面的兩相對(duì)側(cè)面為透水面，剩余4面用保鮮膜密封，試件與儀器接觸面用橡膠墊隔水，邊緣用防水膠密封．將密封好的試塊放入水中浸泡飽和，取出進(jìn)行透水試驗(yàn)，裝入不同高度h1的水柱，并記錄水柱降低至高度h2所需時(shí)間Δt．

圖5 透水儀示意圖

透水率試驗(yàn)每組測(cè)2個(gè)試塊，每個(gè)試塊測(cè)3次不同的水柱高度的透水率，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，求平均值．

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

表4為不同孔隙率下再生骨料無砂透水混凝土25次凍融循環(huán)后的的凍融抗壓強(qiáng)度損失率、抗折強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率和透水系數(shù)的值．

表4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 質(zhì)量損失率

從圖6～7中可以看出，本試驗(yàn)再生骨料無砂透水混凝土經(jīng)25次快速凍融循環(huán)后的凍融質(zhì)量損失率在0.12%～1.08%之間，小于規(guī)定的5%，滿足《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T253-2016)中規(guī)定的夏熱冬冷地區(qū)抗凍性能D25的要求．

圖6 水灰比與質(zhì)量損失率的關(guān)系

圖7 孔隙率與質(zhì)量損失率的關(guān)系

水灰比為0.3時(shí)，試件的平均凍融質(zhì)量損失率約為0.2%；水灰比為0.35時(shí)，試件的平均凍融質(zhì)量損失率約為0.90%；水灰比為0.4時(shí)，試件的平均凍融質(zhì)量損失率約為0.73%；水灰比為0.45時(shí)，試件的平均凍融質(zhì)量損失率約為0.7%．

圖8 凍融后的試件表面脫落 圖9 凍融后的試件裂縫

4.2 抗壓強(qiáng)度損失率

當(dāng)孔隙率為15%時(shí)，再生骨料無砂透水混凝土的平均凍融抗壓強(qiáng)度損失率約為7.2%，當(dāng)孔隙率為20%時(shí)，試件的平均凍融抗壓強(qiáng)度損失率約為10%，當(dāng)孔隙率為25%時(shí)，試件的平均凍融抗壓強(qiáng)度損失率約為13.5%，當(dāng)孔隙率為30%時(shí)，試件的平均凍融抗壓強(qiáng)度損失率約為16.7%．隨著孔隙率的增大再生骨料無砂透水混凝土的凍融抗壓強(qiáng)度明顯呈下降趨勢(shì)．孔隙率越大，試件內(nèi)孔洞就越大，骨料間粘結(jié)處漿體越少就越薄弱，凍融過程中就越容易破壞．

圖10 孔隙率與抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系

當(dāng)水灰比為0.3時(shí)，試件的平均凍融抗壓強(qiáng)度損失率為7.6%，當(dāng)水灰比為0.35時(shí)，試件的平均凍融抗壓強(qiáng)度損失率為9.7%，當(dāng)水灰比為0.4時(shí)，試件的平均凍融抗壓強(qiáng)度損失率為13%，當(dāng)水灰比為0.45時(shí)，試件的平均凍融抗壓強(qiáng)度損失率為16%．水灰比增大漿體粘稠度降低，骨料粘結(jié)處漿體膜的厚度越薄，受到水結(jié)冰的膨脹應(yīng)力后就越容易破壞．

圖11 水灰比與抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系

再生骨料無砂透水混凝土有兩種破壞形式：1)試件由內(nèi)向外產(chǎn)生裂縫．再生骨料無砂透水混凝土為多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有大量孔洞．孔洞內(nèi)的水結(jié)冰后體積膨脹在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)水結(jié)冰產(chǎn)生的應(yīng)力大于試件的抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件將受拉破壞產(chǎn)生裂縫，如圖9所示．2)試件外部骨料脫落．試件在凍融前存在微小裂縫．由于采用的是再生骨料，骨料表面殘余砂漿顆粒與新漿體結(jié)合的界面處的微小裂縫成為薄弱點(diǎn)；再生骨料在機(jī)械破碎過程中，骨料內(nèi)部受到損傷導(dǎo)致骨料自身存在裂縫．在凍融過程中，水進(jìn)入這些微小裂縫結(jié)冰體積膨脹導(dǎo)致裂縫擴(kuò)大，裂縫內(nèi)冰融化再結(jié)冰，經(jīng)多次凍融循環(huán)，裂縫持續(xù)擴(kuò)大，最后導(dǎo)致試件破壞．孔隙率越大，骨料間粘結(jié)處的漿體量就越少，粘結(jié)處就越容易破壞，最后形成貫通孔洞之間的裂縫．

4.3 透水系數(shù)

4.3.1 孔隙率對(duì)透水系數(shù)的影響

孔隙率是影響再生骨料透水混凝土透水率的最直接因素．試件的實(shí)測(cè)孔隙率與設(shè)計(jì)的目標(biāo)孔隙率相差不大，見表5．孔隙率與透水系數(shù)成正比，當(dāng)孔隙率增大時(shí)，透水系數(shù)快速增大．再生骨料透水混凝土的孔隙分為3種：第1種是試件內(nèi)部封閉孔隙；第2種是有開口但未貫穿整個(gè)試件的孔隙；第3種是貫穿于試件上下兩面的孔隙．第3種孔隙體現(xiàn)了透水混凝土的透水性能[10]．

表5 目標(biāo)孔隙率與實(shí)際孔隙率對(duì)比

圖12 孔隙率與透水率的關(guān)系

4.3.2 水灰比對(duì)透水系數(shù)的影響

如圖13所示，透水混凝土的透水率與水灰比成正比，水灰比越大透水率越高．水灰比越大水泥漿體的黏度越低，骨料表面包裹的漿體量就越少，導(dǎo)致混凝土孔隙率增大．

圖13 水灰比與透水率關(guān)系圖

5 結(jié) 論

通過研究孔隙率和水灰比對(duì)再生骨料無砂透水混凝土的透水性能和抗凍性的影響，得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)孔隙率為20%，水灰比為0.35時(shí)，再生骨料無砂透水混凝土的凍融質(zhì)量損失率最大．抗壓強(qiáng)度

損失率隨著孔隙率和水灰比的增大而增大．

2)當(dāng)水灰比為0.35，孔隙率為15%時(shí)，再生骨料無砂透水混凝土的抗凍融性能最好．抗壓強(qiáng)度達(dá)到25 MPa，透水系數(shù)為4.38 mm·s-1，凍融質(zhì)量損失率為1.08%，抗壓強(qiáng)度損失率為5.93%，滿足C20再生骨料透水混凝土的力學(xué)性能、透水性能和抗凍性能．

3)由于再生骨料在時(shí)間和空間上存在差異，其性能也差異巨大，所以要根據(jù)再生骨料的具體性能來確定配合比．

[1] Volder A，Watson T，Viswanahan B．Potential Use Ofpervious Concrete for Maintaining Existing Mature Trees During and after Urban Development[J]．Urban Forestry & Urban Green-ing，2009，8(4) : 249-256．

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[責(zé)任編輯 王康平]

Test Research on Frost-resistance of No-fines Recyled Aggregate Porous Concrete

Yao Minglai Chen Zhou Liu Qinlan Wang Xin Rao Biyu

(College of Construction Project, Yunnan Agricultural Univ., Kunming 650201, China)

The frost resistance and water permeability of the recycled no-fines aggregate concrete were experimentally investigated. The results show that the compressive strength loss rate and the permeability coefficient of the recycled aggregate no-fines pervious concrete are increasing with the increase of porosity and water-cement ratio after 25 cycles of rapid freezing and thawing. When the water-cement ratio is 0.35 and the porosity is 15%, the comprehensive performance of no-fines recycled aggregate porous concrete is the best; the compressive strength is 25 MPa; the permeability coefficient is 4.38 mm·s-1; the freezing-thawing mass loss rate is 1.08%; compressive strength loss rate is 5.93%,which is in accordance with the frost resistance requirement of recycled aggregate porous concrete.

recycled aggregate; no-fines pervious concrete; frost-resistance; permeable performance

2017-01-18

云南省教育廳科學(xué)研究基金研究生項(xiàng)目(2016YJS065)；云南農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(2016ykc51)．

饒碧玉(1964-)，女，教授，主要研究市政工程方向．E-mail：1183735121@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.012

TU528

A

1672-948X(2017)03-0053-05