田小風(fēng) 李基恒 王新 張楗

路用再生骨料透水混凝土（PRAC）的力學(xué)性能直接影響再生骨料透水混凝土道路的質(zhì)量。文章基于PRAC的破壞機(jī)理，從兩個(gè)方面研究其力學(xué)性能的優(yōu)化：（1）在普通硅酸鹽水泥的基礎(chǔ)上，往PRAC的膠凝材料中分別摻入硅灰、粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等礦物摻合料和增強(qiáng)料、外加劑等進(jìn)行試驗(yàn)，研究膠凝材料的力學(xué)性能并分析其作用機(jī)理，從而提高水泥石強(qiáng)度;（2）對(duì)增加骨料之間的接觸點(diǎn)數(shù)量和面積時(shí)PRAC力學(xué)性能的變化規(guī)律進(jìn)行改性研究。結(jié)果表明：通過摻入不同礦物摻合料可以顯著提高再生骨料透水混凝土水泥石的強(qiáng)度;通過改變PRAC的骨膠比，增加骨料顆粒表面包裹的膠凝材料的厚度，可優(yōu)化PRAC的力學(xué)性能，提高PRAC的強(qiáng)度。

再生骨料;力學(xué)性能;礦物摻合料;透水混凝土

U416.03A030074

0 引言

瀝青混凝土路面、水泥混凝土路面等傳統(tǒng)路面透水性、透氣性差，當(dāng)遭遇暴雨時(shí)，城市排水系統(tǒng)的壓力在短時(shí)間內(nèi)劇增，從而容易發(fā)生積水內(nèi)澇，降低道路行車安全性，同時(shí)也會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。透水混凝土是一種改善城市生態(tài)環(huán)境的環(huán)保型建筑材料，目前在城市中有較多的應(yīng)用，主要應(yīng)用在園林工程中的輕荷載道路、城市廣場、停車場、步行街、人行道、樹池、居民小區(qū)內(nèi)等道路的路面。透水混凝土作為一種環(huán)保材料，能夠很好地促進(jìn)水循環(huán)，是海綿城市道路建設(shè)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。再生骨料透水混凝土（pervious recycled aggregate concrete，簡稱PRAC）作為新型建筑材料，是一種再生骨料替代天然骨料，再由特定級(jí)配的再生骨料、水、膠凝材料、礦物摻合料和外加劑等按一定比例制備而成且具有連續(xù)孔隙的透水混凝土，具有良好的排水蓄水、透氣調(diào)溫、吸聲降噪以及凈化水體等生態(tài)環(huán)境效益。同時(shí)，再生骨料的替代減少了天然骨料的消耗，實(shí)現(xiàn)了建筑垃圾的資源再利用，能夠節(jié)約自然資源，實(shí)現(xiàn)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用[3-5]。PRAC強(qiáng)度的影響因素較多，根據(jù)對(duì)PRAC的破壞機(jī)理進(jìn)行分析，本文從提高膠凝材料強(qiáng)度、改善界面過渡區(qū)以及增加骨料之間的接觸點(diǎn)數(shù)量和面積等方面對(duì)PRAC的力學(xué)性能進(jìn)行綜合分析。

1 透水混凝土破壞的原因

再生骨料透水混凝土在受壓破壞時(shí)，表面產(chǎn)生的裂縫是縱向通長的，在試件棱角位置處裂縫較多且產(chǎn)生骨料脫落，直至試件整體破碎，PRAC受壓破壞基本上沒有“環(huán)箍效應(yīng)”。

再生骨料透水混凝土與普通混凝土的受壓破壞不同，屬于“骨架-空隙結(jié)構(gòu)”，當(dāng)它承受抗壓破壞時(shí)，表面的實(shí)體部分是它的受壓面，力的接觸面積小，所以承受的應(yīng)力相對(duì)集中，骨料和骨料之間相互擠壓，通過膠凝材料層傳遞機(jī)械咬合力。當(dāng)PRAC受到外力作用時(shí)，PRAC內(nèi)部顆粒的接觸點(diǎn)將會(huì)受到集中應(yīng)力作用，當(dāng)應(yīng)力超過承載力極限時(shí)，首先發(fā)生破壞的是骨料間的接觸面，緊接著發(fā)生骨料錯(cuò)動(dòng)，填充內(nèi)部的孔隙，使試件變得更加密實(shí)。如果繼續(xù)加載，由于再生骨料強(qiáng)度較低，而且質(zhì)量差異較大，除以上現(xiàn)象之外，部分再生骨料會(huì)伴隨擠壓破碎。

2 試驗(yàn)

影響再生骨料透水混凝土強(qiáng)度的因素較多，在對(duì)PRAC的破壞機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文將從提高膠凝材料強(qiáng)度和改善界面結(jié)構(gòu)，增加骨料的接觸點(diǎn)數(shù)量和面積等方面對(duì)再生骨料透水混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行綜合性分析。

2.1 提高膠凝材料強(qiáng)度，改善界面結(jié)構(gòu)

根據(jù)PRAC的破壞機(jī)理，再生骨料透水混凝土中的膠凝材料作為力的傳遞介質(zhì)，主要作用有：（1）控制骨料間接觸點(diǎn)處的粘結(jié)強(qiáng)度;（2）傳遞骨料與骨料之間的機(jī)械咬合力。通過在膠凝材料中摻加磨細(xì)礦渣粉、粉煤灰、硅灰等礦物摻合料，以摻加增強(qiáng)料、外加劑等方式，可以改善膠凝材料漿體的微裂縫和孔結(jié)構(gòu)，提高膠凝材料漿體的致密程度和強(qiáng)度，并改善骨料與漿體間的界面結(jié)構(gòu)，從而有效地提高PRAC的力學(xué)性能。

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 粉煤灰對(duì)再生骨料透水混凝土水泥石強(qiáng)度的影響

通過圖1可知，摻加粉煤灰后的膠凝材料的早期強(qiáng)度較低，而后期抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有所提高，甚至超過基準(zhǔn)膠砂的強(qiáng)度。原因是在摻加粉煤灰的二元膠凝材料中，膠凝材料的水化反應(yīng)由水泥熟料礦物的水化反應(yīng)和粉煤灰的火山灰反應(yīng)兩部分組成。由于粉煤灰的礦物組成中大部分為玻璃體結(jié)構(gòu)，且表面富集SiO2和SiO2-Al2O3，使其在水化早期具有較低的火山灰活性。首先，水泥熟料礦物在發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)生成Ca（OH）2，然后粉煤灰的活性成分與生成的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而提高水泥石的后期強(qiáng)度。

2.2.2 礦渣對(duì)再生骨料透水混凝土水泥石強(qiáng)度的影響

通過圖2可知，礦渣摻量在20%以內(nèi)，對(duì)膠凝材料抗折的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均有一定程度提高。礦渣摻量在15%以內(nèi)對(duì)膠凝材料的早期強(qiáng)度有所提升，摻加磨細(xì)礦渣粉的二元膠凝材料在水泥熟料水化放出的Ca（OH）2的激發(fā)下，發(fā)揮膠凝效應(yīng)和火山灰活性效應(yīng)，使水泥石的早期強(qiáng)度基本不變，且后期強(qiáng)度有所提高。

2.2.3 硅灰對(duì)再生骨料透水混凝土水泥石強(qiáng)度的影響

通過圖3可以看出，膠凝材料中摻入硅灰，形成的硅灰微集料效應(yīng)使水泥石早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均顯著提高。由于硅灰的高火山灰活性效應(yīng)和微集料填充密實(shí)效應(yīng)，摻硅灰的二元膠凝材料不僅能夠顯著提高膠砂的早期強(qiáng)度，而且水泥石的后期強(qiáng)度也得到了顯著提高。

2.2.4 不同增強(qiáng)料對(duì)膠凝材料強(qiáng)度的影響

分別采用多元膠凝材料、可再分散性乳膠粉、聚丙烯纖維等制備PRAC，再生骨料用量為1 640 kg/m3，水用量為124 kg/m3，減水劑為

0.89 kg/m3，制備PRAC并測定抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果可知，由多元膠凝材料制備PRAC的抗壓強(qiáng)度影響最為顯著，

7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了23%和29%。通過試驗(yàn)表明，由多元膠凝材料制備PRAC不僅能提高早期強(qiáng)度，并且使其綜合性能得到改善。在PRAC中摻加可再分散性乳膠粉可以明顯提高PRAC的抗壓強(qiáng)度，7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了10%、21%。首先，可再分散性乳膠粉在拌和中溶解形成乳液，黏性較大，可以有效地增大膠凝材料的粘結(jié)強(qiáng)度，提高骨料間的粘結(jié)力。另外聚合物顆粒填充在水泥漿體和界面過渡區(qū)的孔隙中，可通過改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高PRAC的強(qiáng)度。摻聚丙烯纖維對(duì)PRAC的抗壓強(qiáng)度提升幅度較小。聚丙烯纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和韌性，可以有效地阻止混凝土的開裂。在PRAC中摻入聚丙烯纖維，纖維均勻地分布在水泥漿體中，增強(qiáng)水泥漿的粘結(jié)作用，共同承擔(dān)骨料間的剪切應(yīng)力，從而提高PRAC的強(qiáng)度。

3 機(jī)理分析

骨料間的機(jī)械作用力是影響PRAC力學(xué)性能的重要因素之一。增加骨料間的接觸點(diǎn)數(shù)量，主要有兩個(gè)方面：（1）優(yōu)化粗骨料級(jí)配，減少粗粒徑骨料的使用比例，隨著骨料粒徑的減小，骨料的總比表面積增大，接觸點(diǎn)增多，并且由于骨料趨于球形的幾率增大，接觸面積增大，從而使骨料之間的嵌擠作用和摩擦阻力增強(qiáng)，使透水混凝土的強(qiáng)度提高;（2）在保證PRAC骨架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，摻入一定量的細(xì)骨料，填充在粗骨料之間的空隙中，使細(xì)骨料在粗骨料之間相互搭接，從而使接觸點(diǎn)明顯增多，其骨架結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。通過改變PRAC的骨膠比，增加骨料顆粒表面包裹的膠凝材料的厚度，增大骨料間的接觸點(diǎn)面積，增強(qiáng)骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度，從而使PRAC的強(qiáng)度得到提高。

4 結(jié)語

（1）采用摻粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉、硅灰等礦物摻合料的多元膠凝材料，優(yōu)化了路用再生骨料透水混凝土骨料之間的水泥石界面，從而大幅提升路用再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（2）在路用再生骨料透水混凝土中摻入一定摻量的可分散乳膠粉，可有效提升路用再生骨料透水混凝土骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

（3）加入聚丙烯纖維，其在水泥石中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到良好的阻裂作用，承擔(dān)骨料之間的剪切應(yīng)力，從而提高了PRAC的強(qiáng)度。

[1]張明濤.混凝土礦物增強(qiáng)改性劑與增強(qiáng)機(jī)理研究[D].成都：西南科技大學(xué)，2011.

[2]聶 品.再生骨料透水混凝土的路用性能研究[D].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2012.

[3]王永海.再生骨料透水混凝土力學(xué)性能的影響因素研究[J].工程質(zhì)量，2015（5）：46-50.

[4]孫躍東.再生混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

[5]肖力光，林 俠.再生骨料透水混凝土在海綿城市中的應(yīng)用研究[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（4）：9-12.