高透水混凝土路面材料的制備及性能研究

作者簡(jiǎn)介：

林華壯（1980—），工程師，主要從事土木工程材料研究、檢測(cè)、測(cè)量、監(jiān)理工作。

摘要：文章通過(guò)正交試驗(yàn)，分析了再生骨料、硅砂廢渣、粉煤灰等固體廢棄物作為摻混原料對(duì)高透水混凝土抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、有效孔隙率等性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋涸偕橇蠐搅浚竟枭皬U渣摻量＞粉煤灰摻量＞水膠比。根據(jù)功效系數(shù)法，得出最優(yōu)綜合性能配比為：再生骨料摻量10%、水膠比0.28、硅砂廢渣摻量10%、粉煤灰摻量5%，制得的高透水混凝土抗壓強(qiáng)度為23.8 MPa，透水系數(shù)為8.06 mm/s，有效孔隙率為25.2%。這種高透水混凝土路面材料的制備，為道路建設(shè)提供了可靠的材料支持。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；再生骨料；硅砂廢渣；粉煤灰；抗壓強(qiáng)度；透水性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 10 029 4

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，道路建設(shè)作為城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，道路硬化面積不斷增加，而許多城市道路都被鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物和不透水材料所覆蓋。不透水的路面給城市生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一系列影響，導(dǎo)致出現(xiàn)許多問(wèn)題：（1）加劇城市“熱島效應(yīng)”，大大降低人們的生活舒適度，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康；（2）普通混凝土路面不透水，不能補(bǔ)充地下水，暴雨來(lái)襲時(shí)，大量雨水堆積在路面上，嚴(yán)重影響人們出行，同時(shí)破壞了城市水循環(huán)系統(tǒng)，給城市排澇造成很大壓力。透水混凝土作為一種具有優(yōu)異力學(xué)性能和透水性能的新型建筑材料，隨著現(xiàn)階段“海綿城市”建設(shè)的推進(jìn)，在路面工程中得到了廣泛應(yīng)用。

伴隨著可持續(xù)發(fā)展理念的不斷推廣，建筑業(yè)不僅需要考慮固體廢棄物的綜合利用，還應(yīng)該重視建筑廢物的可回收利用。目前，建筑垃圾已成為我國(guó)城市垃圾的主要組成部分，舊建筑拆除所產(chǎn)生的建筑垃圾中約30%～40%為混凝土垃圾［1-2］。城市周邊建筑垃圾問(wèn)題日益嚴(yán)重。如何將建筑垃圾變廢為寶已成為建筑和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。

本文充分挖掘了建筑垃圾的潛在價(jià)值，以廢棄混凝土、硅砂廢渣和粉煤灰為摻混原料，制備一種新型的生態(tài)透水混凝土路面，該路面具有良好的透水性和較高的強(qiáng)度，滿(mǎn)足道路建設(shè)的實(shí)際需求。它不僅降低了硅酸鹽水泥的使用量，減少了水泥生產(chǎn)帶來(lái)的能源消耗和環(huán)境問(wèn)題，而且有效地提高了硅砂廢渣、粉煤灰等工業(yè)廢物的資源化利用，解決了固體廢棄物的污染問(wèn)題，并有效處置了混凝土類(lèi)建筑廢棄物，同時(shí)避免了天然砂石資源開(kāi)采帶來(lái)的能源、環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了建筑材料的節(jié)能減排和綠色低碳發(fā)展。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表 1；骨料，粗骨料：再生骨料為廢棄混凝土破碎篩分分級(jí)得來(lái)，粒徑為5～25 mm，其性能指標(biāo)見(jiàn)表 2；細(xì)骨料：硅砂廢渣（硅酸鈉生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生），粒徑為0～3 mm；粉煤灰，其性能指標(biāo)見(jiàn)表 3；聚羧酸高效減水劑，減水率為25%；堿激發(fā)劑為液體硅酸鈉，其化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表 4。

1.2 透水混凝土配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參考《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 135-2009），設(shè)定基準(zhǔn)組透水混凝土水膠比為0.3、目標(biāo)孔隙率為 20%。采用四因素四水平進(jìn)行透水混凝土配合比正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)下頁(yè)表 5。

1.3 試件制備與養(yǎng)護(hù)

采用三次投料法按混凝土配合比計(jì)量稱(chēng)量各組分材料，先將硅砂廢渣、粉煤灰和再生骨料混合攪拌40 s，然后加入水泥、減水劑和水拌和50 s，最后將緩凝劑、堿激發(fā)溶液和剩余拌和水加入攪拌機(jī)攪拌80 s。 將攪拌好的透水混凝土混合試樣分兩批注入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試模中，采用低頻平板振動(dòng)器或?qū)Ｓ脻L壓工具滾壓成型，在自然條件下養(yǎng)護(hù)1～2 d后拆模，即得透水混凝土路面材料，對(duì)其按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.4 性能測(cè)試

參照《透水混凝土》（JC/T 2558-2020）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)和孔隙率進(jìn)行測(cè)試［3］。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

基準(zhǔn)組透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度［4］為23.5 MPa、透水系數(shù)為5.12 mm/s、有效孔隙率為20.3%。透水混凝土正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)及性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可以看出，7#試樣的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到31.7 MPa，符合JC/T 2558-2020標(biāo)準(zhǔn)中的抗壓強(qiáng)度等級(jí)TC30要求；2#試樣的透水系數(shù)更是高達(dá)8.06 mm/s，達(dá)到JC/T 2558-2020標(biāo)準(zhǔn)中的最高透水系數(shù)等級(jí)K8要求；有效孔隙率平均值為21.2%，略大于目標(biāo)孔隙率。說(shuō)明添加硅砂廢渣、粉煤灰、再生骨料及堿激發(fā)劑對(duì)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、透水性能均有一定的影響。

2.2 抗壓強(qiáng)度極差分析

由表7可以看出，對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋涸偕橇蠐搅浚竟枭皬U渣摻量＞粉煤灰摻量＞水膠比。其中，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最大的為再生骨料摻量。

隨著再生骨料摻量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。再生骨料摻量為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最低為14.0 MPa。這是因?yàn)椋涸趩挝惑w積內(nèi)，再生骨料顆粒之間出現(xiàn)更多［5］的接觸點(diǎn)，內(nèi)部孔隙增多，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。當(dāng)再生骨料的粒徑逐漸增加時(shí)，單位體積的骨料顆粒數(shù)量以及骨料之間的連接點(diǎn)和粘結(jié)力都會(huì)降低，從而導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

隨著水膠比的增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加后略有下降的趨勢(shì)。當(dāng)水膠比較小時(shí)，水泥漿的流動(dòng)性較弱，再生骨料不能有效、牢固地搭接，從而導(dǎo)致內(nèi)部骨料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低；當(dāng)水膠比為0.30時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高為31.7 MPa，說(shuō)明此時(shí)水泥漿可以充分水合，漿液具有良好的流動(dòng)性，并能很好地包裹骨料；當(dāng)水膠比持續(xù)增加時(shí)，水泥漿的流動(dòng)性過(guò)高，在重力的影響下會(huì)導(dǎo)致大量漿液積聚在底部，上部漿液變薄，抗壓強(qiáng)度下降。

隨著硅砂廢渣摻量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。硅砂廢渣摻量為15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高，說(shuō)明硅砂廢渣可以提高水泥漿的流動(dòng)性。這是因?yàn)椋汗枭皬U渣是一種表面光滑、吸水率低的精細(xì)微球狀體，其可以在透水混凝土中起到滾珠潤(rùn)滑的作用，降低內(nèi)部架構(gòu)間的摩擦阻力，提高流動(dòng)性。研究表明，在一定的水膠比下，硅砂廢渣可以提高混凝土的工作性能。

隨著粉煤灰摻量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)［6-7］。當(dāng)粉煤灰摻量在10%～15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。粉煤灰中的細(xì)顆?？梢栽谒酀{中均勻地分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土中孔隙和毛細(xì)孔隙的填充，提高了密實(shí)度；同時(shí)粉煤灰中富含活性二氧化硅和氧化鋁，可與水泥水化后產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所形成的化硅酸鈣等產(chǎn)物具有較強(qiáng)的膠凝性能，提高了漿液界面的結(jié)合強(qiáng)度，并可改善混凝土的保水性和流動(dòng)性，從而進(jìn)一步提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但隨著摻量的持續(xù)增加，活性效果降低，強(qiáng)度隨之降低。

2.3 透水系數(shù)極差分析

由表7可以看出，對(duì)透水系數(shù)的影響順序?yàn)椋涸偕橇蠐搅浚竟枭皬U渣摻量＞水膠比＞粉煤灰摻量。其中，對(duì)透水系數(shù)影響最大的為再生骨料摻量。

隨著再生骨料摻量的增加，混凝土透水系數(shù)呈明顯增大的趨勢(shì)。再生骨料具有堆積密度小、孔隙率大、透水性能強(qiáng)的特點(diǎn)，加之其自身具有較高的吸水率，因此透水系數(shù)隨之變大。

隨著水膠比的增加，透水混凝土的透水系數(shù)呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)水膠比為0.28時(shí)，透水系數(shù)最大為8.06 mm/s。隨著水膠比的持續(xù)增加，透水系數(shù)反而會(huì)降低，這是因?yàn)樗冶冗^(guò)高，水泥漿的流動(dòng)性會(huì)越高，可以滲透到骨料之間的孔隙中，提高其密實(shí)度，并不斷降低透水系數(shù)。

隨著硅砂廢渣摻量的增加，透水混凝土的透水系數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。硅砂廢渣摻量為10%時(shí)，透水系數(shù)最大為8.06 mm/s。添加硅砂廢渣可以細(xì)化透水混凝土的內(nèi)部孔隙，有助于各組分的均勻分布，增加接觸點(diǎn)數(shù)量。然而，過(guò)量添加硅砂廢渣會(huì)導(dǎo)致孔隙率降低，透水系數(shù)也會(huì)相應(yīng)下降。

隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土透水系數(shù)呈明顯降低的趨勢(shì)。粉煤灰摻量越少，透水系數(shù)越高［8］，這是因?yàn)椋悍勖夯铱梢杂行У靥畛浠炷林械目紫叮瑥亩岣咂渲旅苄?，使得透水系?shù)減小。

2.4 有效孔隙率極差分析

由表7可以看出，對(duì)有效孔隙率的影響順序?yàn)椋涸偕橇蠐搅浚竟枭皬U渣摻量＞水膠比＞粉煤灰摻量。其中，對(duì)有效孔隙率影響最大的為再生骨料摻量。

透水混凝土的有效孔隙率隨再生骨料摻量的增加而增大。再生骨料摻量為30%時(shí)，有效孔隙率最大為29.5%。由于再生骨料內(nèi)部含有舊骨料與舊水泥漿的結(jié)構(gòu)區(qū)，且在二次破碎過(guò)程中，產(chǎn)生了微小裂紋，使得表面粘附的水泥漿變得疏松，孔隙率增加。使用的再生骨料越多，有效孔隙率就越大。

當(dāng)水量和骨料不變時(shí)，混凝土的水膠比越高，水泥用量越少，水泥漿水化過(guò)程中殘留的水分就越多，多余的水留在混凝土中形成氣泡或水道，隨著混凝土硬化，氣泡或水道蒸發(fā)并留下孔隙，因此有效孔隙率相應(yīng)地越高。但水膠比過(guò)高，會(huì)影響抗壓強(qiáng)度，且會(huì)導(dǎo)致漿料不勻的現(xiàn)象。水膠比為0.28時(shí)效果最佳。

隨著硅砂廢渣摻量的增加，透水混凝土的有效孔隙率呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)水泥漿用量不變時(shí)，如果硅砂廢渣摻量過(guò)高，骨料的總表面積和孔隙率會(huì)增加。需要更多的水泥漿來(lái)填充和包裹骨料，從而降低了新拌混凝土的流動(dòng)性。如果硅砂廢渣摻量太少，骨料的孔隙率會(huì)顯著增加，無(wú)法保證粗骨料之間有足夠的砂漿層，嚴(yán)重影響其內(nèi)聚力和保水性，容易導(dǎo)致出現(xiàn)離析、泌水等現(xiàn)象。硅砂廢渣摻量為10%～15%時(shí)的有效孔隙率最高。

隨粉煤灰摻量的增加，透水混凝土的有效孔隙率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著粉煤灰摻量的增加，導(dǎo)致體積增加，從而導(dǎo)致孔隙率相應(yīng)降低。在水膠比不變的前提下，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到15%時(shí)，需水量增大，導(dǎo)致水泥漿流動(dòng)性差，粉煤灰參與二次水化反應(yīng)不足，造成骨料構(gòu)架疏松，孔隙率增加。粉煤灰的摻量為10%左右時(shí)，可填補(bǔ)水化產(chǎn)物之間的空隙，降低混凝土的孔隙率，提高其密實(shí)度。

2.5 綜合分析

采用功效系數(shù)法綜合分析［9］透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、有效孔隙率等指標(biāo)，結(jié)果如表8所示?？偣π禂?shù)越大，整體性能越好。根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算指標(biāo)的個(gè)體功效系數(shù)和總功效系數(shù)。

fab=Xab÷Xmax

（1）

fa=nfa1×fa2×…×fan

（2）

式中：fab——第a組試驗(yàn)中第b項(xiàng)指標(biāo)的個(gè)體功效系數(shù)［10］；

Xab——第a組試驗(yàn)中第b項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試值；

Xmax——16個(gè)試驗(yàn)中第b項(xiàng)指標(biāo)的最大值；

fa——a組試驗(yàn)的總功效系數(shù)；

N——指標(biāo)的數(shù)量。

由表8可以看出，總功效系數(shù)最大的為2#組，所以綜合性能最優(yōu)的組合為：再生骨料摻量為10%、水膠比為0.28、硅砂廢渣摻量為10%、粉煤灰摻量為5%。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度［11］、透水系數(shù)和有效孔隙率的最主要因素是再生骨料的摻量。再生骨料具有堆積密度小、孔隙率大、透水性能強(qiáng)的特點(diǎn)，制備過(guò)程中應(yīng)注意與細(xì)骨料間的搭配，提高透水性能的同時(shí)保證抗壓強(qiáng)度。

（2）通過(guò)調(diào)整水膠比，使水泥漿具有良好的流動(dòng)性，通過(guò)調(diào)整硅砂廢渣及粉煤灰的摻量，提高漿液界面的結(jié)合強(qiáng)度，并改善混凝土的保水性和流動(dòng)性，保證孔隙率的同時(shí)，增強(qiáng)其密實(shí)度，從而提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水性能。

（3）考慮透水混凝土的綜合性能指標(biāo)，使用功效系數(shù)法獲得最優(yōu)組合為：10%的再生骨料、0.28的水膠比、10%的硅砂廢渣、5%的粉煤灰。

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