郭麗朋，朱 強(qiáng)，林 姍

(1.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利與電力學(xué)院，湖北 武漢 430212；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

0 引 言

近年來，建筑垃圾的處置、城市熱島效應(yīng)、內(nèi)澇等問題一直影響著人們的生活水平質(zhì)量。國內(nèi)外學(xué)者為了解決這些困擾，利用建筑垃圾獲取再生骨料，由水、水泥、再生骨料制備環(huán)保減壓型建筑材料“再生透水混凝土(Recycled pervious concrete，RPC)”，并對其開展了相關(guān)研究工作。邊亞東等[1]研究了再生骨料粒徑、設(shè)計(jì)孔隙率和水灰比對再生透水混凝土透水性能和強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，再生骨料粒徑、設(shè)計(jì)孔隙率與透水系數(shù)呈正相關(guān)，水灰比對透水性能影響不大。佟鈺等[2]以再生粗集料、水泥、水和萘系減水劑制備再生透水混凝土，研究了集灰比、水灰比、集料粒徑等參數(shù)對強(qiáng)度和透水性能的影響，結(jié)果表明，在集灰比4.0～4.6、水灰比0.38～0.41情形下，再生透水混凝土綜合性能最佳。袁漢卿等[3]研究了在10～20mm骨料粒徑組合、不同再生骨料取代率(0、30%、50%、70%)情形下再生透水混凝土透水性能和抗壓強(qiáng)度的變化，結(jié)果表明，透水性能與取代率呈正相關(guān)，取代率為50%時(shí)強(qiáng)度最高。Muhammad等[4]研究了再生透水混凝土與普通透水混凝土對孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的影響。Yap等[5]以定水灰比0.35，進(jìn)行不同再生骨料取代率(20%、40%、60%、80%和100%)的再生透水混凝土試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，由于再生骨料外面被一層老的水泥砂漿包裹，致使強(qiáng)度較低，但在防滑性與耐磨性能方面均達(dá)到相關(guān)要求。Chindaprasirt等[6]研究發(fā)現(xiàn)，將細(xì)砂和粉煤灰摻入再生透水混凝土中，兩者均能使強(qiáng)度顯著提高，但孔隙率和透水性能有所降低。目前，學(xué)者們只是從宏觀層面上研究再生透水混凝土的基本性能，對于由細(xì)觀層面揭示其宏觀性能的變化規(guī)律研究有待更加系統(tǒng)的研究?；诖?，本文以不同的設(shè)計(jì)孔隙率制備再生透水混凝土，采用Image法研究RPC內(nèi)部孔隙特征對其基本性能的影響規(guī)律，為再生透水混凝土的深入研究提供參考。

表1 再生骨料物理性能參數(shù)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥采用湖北省武漢市生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸水泥；水采用武漢市自來水；再生骨料(Recycled Coarse Aggregate，RCA)由武漢市某城中村拆遷的C30混凝土路面，經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎、振動篩分機(jī)初篩、人工二次篩分獲得9.5～19.5 mm粒徑作為RCA，依照GB/T25177—2010《混凝土用再生粗骨料》[7]的要求進(jìn)行再生骨料基本物理性能參數(shù)的測定，經(jīng)測試其物理性能參數(shù)滿足要求，基本物理性能參數(shù)見表1。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

RPC配合比的設(shè)計(jì)需同時(shí)兼顧透水和強(qiáng)度兩個(gè)方面。本次試驗(yàn)采用體積法[8]進(jìn)行計(jì)算，據(jù)相關(guān)研究，設(shè)定水灰比為0.3[9-12]，在RCA用量不變的前提下，設(shè)計(jì)了6組變設(shè)計(jì)孔隙率(16%、18%、20%、22%、24%、26%)配合比。由于RCA表面被大量老水泥砂漿包裹且機(jī)械破碎導(dǎo)致其自身具有大量微裂紋，因此其吸水率一般很高，為了使RPC后期具有良好的性能，以10min的有效吸水量作為拌和水的附加用水量[13-14]。RPC配合比見表2。

表2 RPC配合比

1.3 試件制備及性能測試

RPC采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，拌制流程如圖1所示，所制備的混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，參照文獻(xiàn)[15]對試件進(jìn)行裝模和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

圖1 RPC拌制流程

RPC的抗壓強(qiáng)度、孔隙率與透水性能測試均采用標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3塊，取試驗(yàn)結(jié)果均值。參照文獻(xiàn)[15]對試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，參照文獻(xiàn)[8，16]對試件進(jìn)行孔隙率與透水性能測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 再生透水混凝土試件的實(shí)測孔隙率與設(shè)計(jì)孔隙率

實(shí)測孔隙率是影響混凝土強(qiáng)度和透水性能的主要因素。圖2為試件的實(shí)測孔隙率與設(shè)計(jì)孔隙率的關(guān)系。由圖2可知，實(shí)測孔隙率為16.71%～28.43%，設(shè)計(jì)孔隙率為16%～26%，試件的孔隙率基本滿足設(shè)計(jì)要求。隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增大，實(shí)測孔隙率逐漸增大，這是因?yàn)镽PC中的孔隙是由連通孔隙、半連通孔隙、封閉孔隙組成，其中連通孔隙、半連通孔隙為有效孔隙[17-18]。當(dāng)RCA用量一定時(shí)，隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增大，填充RCA間孔隙及包裹RCA的水泥漿體逐漸減少，導(dǎo)致RPC內(nèi)部孔隙增多，形成封閉孔隙的概率降低。蔣昌波等[19]研究了骨料粒徑對多孔混凝土內(nèi)部連通孔隙率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，連通孔隙率隨著骨料粒徑的增大而增大，本試驗(yàn)所用的RCA粒徑為9.5～19.5 mm，也提高了在RPC內(nèi)部形成連通孔隙的概率。

圖2 試件的實(shí)測孔隙率與設(shè)計(jì)孔隙率

2.2 設(shè)計(jì)孔隙率對再生透水混凝土抗壓強(qiáng)度與密度的影響

圖3為設(shè)計(jì)孔隙率對RPC抗壓強(qiáng)度的影響。由圖3可知，隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增大，RPC抗壓強(qiáng)度逐漸減小，兩者基本上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)樵赗PC中，RCA之間接觸點(diǎn)的多少、表面水泥漿體包裹的厚度決定了混凝土抗壓強(qiáng)度的大小[14，20-21]。在骨料用量一定的前提下，當(dāng)設(shè)計(jì)孔隙率增大時(shí)，拌和的水泥漿體減小，致使RCA之間的接觸點(diǎn)減少、表面水泥漿體包裹的厚度變薄、粘結(jié)力降低，從而混凝土抗壓強(qiáng)度降低。例如，在設(shè)計(jì)孔隙率為16%時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度為18.87 MPa；在設(shè)計(jì)孔隙率為26%時(shí)，RPC抗壓強(qiáng)度僅為9.67 MPa。

圖3 設(shè)計(jì)孔隙率對RPC抗壓強(qiáng)度的影響

換言之，與普通混凝土類似，RPC的密度是影響其抗壓強(qiáng)度的主要因素[22-23]。在骨料用量一定的前提下，當(dāng)設(shè)計(jì)孔隙率增大時(shí)，致使RCA間填充的水泥漿體減少，孔隙增多，密實(shí)度降低。圖4為設(shè)計(jì)孔隙率對RPC密度的影響。由圖4可知，隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增大，RPC內(nèi)部孔隙逐漸增多，密實(shí)度逐漸降低。

圖4 設(shè)計(jì)孔隙率對RPC密度的影響

由上述試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，影響RPC抗壓強(qiáng)度的主要原因是其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征。為了研究設(shè)計(jì)孔隙率對RPC抗壓強(qiáng)度的影響，將每組試件按圖5a所示切割成均等的3份，用數(shù)碼相機(jī)對切割出的每部分的上下2個(gè)面進(jìn)行拍照，對拍照面進(jìn)行灰度化處理(見圖5b)。利用Image軟件，提取圖片的平面孔隙分布，圖片顯示結(jié)果如圖5c、5d所示，其中，白色區(qū)域?yàn)榻孛婵紫叮疑珔^(qū)域?yàn)镽CA和水泥漿體。參照文獻(xiàn)[17，24-25]，將拍照面上的平面孔隙分布轉(zhuǎn)化為平面孔隙率、等效孔徑、孔個(gè)數(shù)、平面分形維數(shù)等指標(biāo)(取均值)進(jìn)行量化，圖像處理結(jié)果見表3。

表3 平面孔隙特征

圖6為平面孔隙率對RPC抗壓強(qiáng)度的影響，通過擬合發(fā)現(xiàn)，隨著平面孔隙率的增加，RPC抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是由于平面孔隙率的變化主要受等效孔徑、孔個(gè)數(shù)影響。因此，綜合考慮等效孔徑、孔個(gè)數(shù)這2個(gè)主要指標(biāo)，來說明RPC內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)對抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)合圖3、表3，a組設(shè)計(jì)孔隙率為16%、抗壓強(qiáng)度為18.87 MPa，f組設(shè)計(jì)孔隙率為26%、抗壓強(qiáng)度為9.67 MPa，通過對比a組和f組試件結(jié)果發(fā)現(xiàn)，f組的等效孔徑、孔個(gè)數(shù)較a組分別增加11%、76%，RPC抗壓強(qiáng)度降低了49%。由此可知，等效孔徑與孔個(gè)數(shù)是影響抗壓強(qiáng)度的重要因素，這是因?yàn)镽PC內(nèi)部存在著界面過渡區(qū)[26-27]，孔個(gè)數(shù)越多、等效孔徑越大，導(dǎo)致RCA間的接觸點(diǎn)減少，膠結(jié)能力變差，界面過渡區(qū)更加薄弱。另外，孔個(gè)數(shù)的多少影響著RPC的密實(shí)程度，進(jìn)而影響著抗壓強(qiáng)度的變化。曾超等[24，28]研究多孔混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，平面分形維數(shù)作為評價(jià)多孔混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、不規(guī)則性、自相似性等特征的量度，對研究RPC的抗壓強(qiáng)度具有重大意義。

圖5 RPC內(nèi)部孔隙提取流程

圖6 平面孔隙率對RPC抗壓強(qiáng)度的影響

圖7為平面分形維數(shù)與RPC抗壓強(qiáng)度、平面孔隙率的關(guān)系，通過擬合發(fā)現(xiàn)，平面分形維數(shù)與RPC抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，平面分形維數(shù)與平面孔隙率呈正相關(guān)，由此說明隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增加，RPC內(nèi)部孔隙分形維數(shù)越大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

圖7 平面分形維數(shù)與RPC抗壓強(qiáng)度、平面孔隙率的關(guān)系

圖8 設(shè)計(jì)孔隙率與透水系數(shù)

2.3 設(shè)計(jì)孔隙率對透水系數(shù)的影響

本試驗(yàn)測得的透水系數(shù)范圍為2.8～4.2 mm/s，滿足文獻(xiàn)[16]的要求，與Tennis[29]研究的透水混凝土透水系數(shù)范圍一致。圖8為設(shè)計(jì)孔隙率與透水系數(shù)的關(guān)系，經(jīng)擬合兩者呈指數(shù)關(guān)系，這與SataV.等[14]和Kou S C等[30]的研究結(jié)論相符。

由圖8可知，透水系數(shù)隨著設(shè)計(jì)孔隙率先緩慢增加然后增長速度加快，呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這是由于在RCA用量一定的前提下，隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增大，填充RCA間的水泥漿體逐漸減少，RPC內(nèi)部孔隙逐漸增多(由圖4密度變化可看出)，構(gòu)成連通孔隙的概率逐漸增大，透水能力增強(qiáng)，致使透水系數(shù)逐漸增大。白曉輝等[31]通過利用2.5～5、5～10、10～15 mm粒徑的骨料制備透水混凝土，研究了不同骨料粒徑對其透水性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大粒徑骨料透水性能是小粒徑骨料的6倍，本研究所用骨料粒徑為9.5～19.5 mm，也減少了RPC內(nèi)部封閉孔隙形成的概率。再者，這也說明影響透水性能的因素，還需從其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析。

為了明晰孔隙結(jié)構(gòu)對透水系數(shù)的影響，結(jié)合表3、圖8，以a組透水系數(shù)2.80 mm/s和b組透水系數(shù)2.91 mm/s為例進(jìn)行對比，分析可知，b組較a組透水系數(shù)、等效孔徑、孔個(gè)數(shù)分別增加了4%、1%、29%，兩者等效孔徑相差不大，說明孔個(gè)數(shù)對透水系數(shù)的影響較大。由此認(rèn)為，當(dāng)?shù)刃Э讖酱笮∽兓淮髸r(shí)，孔個(gè)數(shù)就成為了透水系數(shù)的關(guān)鍵影響因素，這與文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)研究了不同設(shè)計(jì)孔隙率對RPC宏觀性能的影響，利用Image軟件對試件的切片圖像進(jìn)行處理，從微觀層面上揭示了RPC內(nèi)部孔隙特征對宏觀性能的影響，可得結(jié)論如下：

(1)在骨料用量一定的前提下，隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增加，RCA間及表面包裹的水泥漿體逐漸減少、粘結(jié)力降低，RPC內(nèi)部孔隙增多，密度逐漸減小，致使RPC抗壓強(qiáng)度逐漸減小，總體上，RPC抗壓強(qiáng)度與設(shè)計(jì)孔隙率兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)運(yùn)用體積法設(shè)計(jì)并制備的RPC，實(shí)測孔隙率隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增大而增大，這說明利用體積法控制RPC的孔隙率是可行的；此外，通過擬合發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)孔隙率與透水系數(shù)滿足正相關(guān)指數(shù)關(guān)系。

(3)通過對RPC進(jìn)行切片、數(shù)碼相機(jī)拍照，并利用Image軟件對圖像進(jìn)行處理，提取其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)等效孔徑與孔個(gè)數(shù)是影響抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)的重要因素。當(dāng)?shù)刃Э讖酱笮∽兓淮髸r(shí)，孔個(gè)數(shù)為透水系數(shù)的關(guān)鍵影響因素。隨著設(shè)計(jì)孔隙率的增大，RPC內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。

(4)RPC的強(qiáng)度、透水性能受到其內(nèi)部多種因素的影響，例如，RCA間接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)、水泥漿體包裹的厚度、孔隙間自由孔間距的大小等因素影響著強(qiáng)度的變化；孔的輪廓系數(shù)、彎曲程度、粗糙程度等指標(biāo)影響著透水性能的變化。因此，對于協(xié)同多因素對比分析研究RPC內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)對其基本性能的影響機(jī)理是后續(xù)研究的一個(gè)重點(diǎn)，有待于繼續(xù)試驗(yàn)研究。