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利用再生骨料配制透水性混凝土 * 陈 莹 严捍东 华侨大学 土木工程学院 泉州 362021 摘 要 利用再生骨料配制透水性混凝土, 对其强度和透水系数随骨灰比、 砂率和水灰比变化的规律进 行了试验研究, 得到这种新型环保型混凝土的配合比控制参数。采用功效系数法, 得出在振动成型条件下, 满足最优强度和透水系数的配合比是 骨灰比 315, 砂率 0115, 水灰比 0134。 关键词 再生骨料 透水性混凝土 强度 透水系数 配合比 USING RECYCLED AGGREGATE TO PREPARE WATER PERMEABILITY CONCRETE Chen Ying YanHandong College of Civil Eningeering, Huaqiao University Quanzhou 362021 Abstract The water permeability concrete with recycled aggregate is prepared, whose variation regularity of strength and permeability coefficient changing with aggregate -cement ratio, sand percentage and water -cement ratio is studied through experiments. The significant parameters controlling the mixture ratio of this new environmental concrete are also presented in the paper. By means of efficacy coefficient , the optimal mixture ratio under the vibratory moulding condition is aggregate- cement ratio 315, sand percentage 0115 and water -cement ratio 0134, and then the concrete strength and permeability coefficient attain the equilibrium point. Keywords recycled aggregate water permeability concrete strength permeability coefficient mixture ratio * 福建省建设厅2004 年度建设系统科技计划项目, 泉州市建设局 全国建设科技发展重点项目 编号 泉建科 2003028 ; 泉州市科技局 2004 年度科技计划项目 编号 2004S1 ; 华侨大学高层次人才科研基 金会 编号 02BS205 。 第一作者 陈 莹 女 1979年 11月出生 硕士研究生 收稿日期 2004- 07- 25 以实现透气性、 透水性、 调节生态平衡和保护环 境为目的的透水性混凝土是近 20 年来出现的一种 新型的环保型混凝土道路材料。与传统的混凝土相 比, 其最大特点是有一定的连通孔隙, 具有良好的透 水性及保湿性, 性能接近于草坪和土壤地面 [ 1] 。将 这种混凝土用于铺筑道路、 广场、 人行道路等, 对调 节生态、 改善环境具有重要作用。再生骨料混凝土 属于减轻环境负荷型混凝土, 其利用建筑物解体时 废弃的混凝土代替天然骨料, 节省天然矿物质资源, 同时减轻固体废渣对环境的污染, 在资源和环境保 护方面, 具有不可估量的社会效益。 为了将混凝土对环境造成的负荷控制在最小限 度之内, 本文考虑利用再生骨料配制透水性混凝土, 系统研究骨灰比、 砂率和水灰比对再生骨料透水性 混凝土强度和透水系数的影响规律, 采用适当的数 学方法, 分析试验数据, 提出最优配合比。 1 再生骨料透水性混凝土的配合比设计 透水性混凝土的特性是高渗透性, 但作为路面 制品又必须满足一定的抗压强度和抗折强度, 表 1 列出了国内外透水性混凝土应达到的性能指标 [ 2] 。 其力学性能和透水系数之间基本成反比关系, 即混 凝土强度的增加, 通常会引起透水系数的减小。因 而需要对再生骨料透水性混凝土进行配合比设计的 研究, 保证再生骨料透水性混凝土不仅具有较高的 强度, 同时有良好的透水性能。 表 1 国内外透水性混凝土应达到的性能指标 类别 抗折强度 P MPa 抗压强度 P MPa 空隙率 P 透水系数 P cms- 1 透水性混凝土1 45 205 300 11 115 111 原材料的选择 水泥 透水性混凝土一般选用 3215 级以上硅酸 盐水泥或普通硅酸盐水泥。由于透水性混凝土是粗 骨料颗粒间通过硬化的水泥浆薄层胶结而成的多孔 堆聚结构 [ 3] , 受力时是通过骨料之间的胶结点传递 力的作用, 因此一般选用高强度等级水泥。本文试 验采用普通硅酸盐水泥, 其力学性能如表 2所示。 65 Industrial Construction Vol135, No14, 2005工业建筑 2005 年第 35 卷第 4期 骨料 骨料的级配是控制透水性混凝土质量的 一个重要指标。试验表明, 为保证透水性混凝土应 有的强度和良好的渗透性能, 骨料应采用间断型单 粒级配。参照对建筑用卵石、 碎石的颗粒级配规定 GBP T 14685 -200 , 同时由于 10 20mm 再生骨料公 称粒级的级配较合理, 且试验材料获取方便, 本文试 验均采用 10 20mm 这一公称粒级的再生骨料。细 骨料为粒径0163 1125mm 的天然砂。 表 2 试验用水泥的力学性能MPa 水泥3d 抗折强度3d 抗压强度 28d 抗折强度 28d 抗压强度 P. O 3215R4 1922158104714 P. O 4215R5 1524158185812 112 配合比参数的选定 再生骨料透水性混凝土的配合比设计应遵循透 水性混凝土的结构模型 [ 3] 。通过合理的配合比参数 的改变, 在确保粗骨料表面被水泥砂浆充分包裹的 前提下, 尽可能使粗骨料间具有足够的连通空隙, 使 混凝土既满足具有一定强度的要求, 又具有良好的 透水性。依据大量试验结果 [ 4 6] 和对混凝土的理论 分析, 选定试验控制的透水性混凝土主要配合比参 数为骨灰比、 砂率和水灰比, 表 3 表 5 分别示出了 试验所用的各配合比混凝土的材料用量。 表 3 改变骨灰比的透水性混凝土配合比 kgm - 3 骨灰比C0G0S0W0TW- 10 理论计算空隙率 P 3 154981476266170101115 4 10436147626614871510 4 15388147626613261717 表 4 改变砂率的透水性混凝土配合比kgm - 3 砂率C0G0S0W0TW- 10 理论计算空隙率 P 0110411147616414041918 0115436147626614871510 012046214763701576919 012549314764931687413 表 5 改变水灰比的透水性混凝土配合比 kgm - 3 水灰比C0G0S0W0TW- 10 理论计算空隙率 P 0128436147626612291714 0134436147626614871510 0140436147626617401219 0145436147626619601110 113 试验方法 1 强度试验方法 再生骨料透水性混凝土抗压强度和抗折强度的 试验方法与普通混凝土相同 [7] , 其中抗压强度试验 的试件尺寸为 100mm 100mm 100mm, 抗折强度试 验的试件尺寸为 40mm 40mm 160mm, 相同条件 下养护 7d、 28d 后采用 NYL - 30 型压力试验机和 DKZ- 5000 型电动抗折试验机进行测试。 2 透水系数试验方法 表征透水性混凝土透水性的透水系数测定方法 基于 Darcy 定律, 但该试验的方法在各国仍未有真 正的标准规范。本文试验制作了如图 1 所示的固定 水头和可变水头相结合的透水试验装置。试验时从 透水圆筒上部注入水, 水透过混凝土试件后进入水 槽, 最后从定位水桶的出水口排出, 注水时多余的水 从溢水口溢出。当注入的总水量与从出水口及溢水 口流出的水量取得平衡后, 在启动秒表计时的同时, 量取时间 t 内从出水口排出的水量, 即是透过混凝 土的水量 Q, 并测量当时的水温 T, 代入计算公式 KT Q DP A h t 中即可得透水性混凝土的透 水系数。式中, KT为水温T 时的透水系数 cmP s , D 和 A 分别为混凝土试件的厚度 20cm 及面积 186cm 2 , h 为水头 cm 。由于水的动力粘滞系数 直接影响着渗透系数的大小, 温度越高, 动力粘滞系 数越小, 渗透系数越大, 因此应将透水系数换算到标 准温度才具有可比性。日本混凝土工学协会把 15e 定为标准温度 [ 8] , 把不同水温下测定的透水系 数换算成标准透水系数。计算公式为 K15 L KT, L为修正系数, 查表可得 [ 9] 。 1- 观察孔;2- 透水圆筒套; 3- 定位水桶; 4- 透水圆筒; 5- 溢水口;6- 出水口; 7- 混凝土试件; 8- 架空板 图 1 透水试验装置示意 2 试验结果和分析 211 强度试验结果和分析 再生骨料透水性混凝土 28d 立方体抗折强度和 抗压强度随骨灰比、 砂率及水灰比的变化规律如图 2、 图 3 所示。 从图 2和图 3可以得到以下结论 1 抗压强度和抗折强度始终保持着高度相关 性, 即有相同的变化趋势。 66 工业建筑 2005 年第 35 卷第 4期 a- 骨灰比变化对强度的影响;b- 砂率变化对强度的影响; c- 水灰比变化对强度的影响 1- 7d;2- 28d 图 2 抗折强度随骨灰比、 砂率及水灰比的变化规律 a- 骨灰比变化对强度的影响;b- 砂率变化对强度的影响; c- 水灰比变化对强度的影响 图3 28d 立方体抗压强度随骨灰比、 砂率及水灰比的变化规律 2 再生骨料透水性混凝土的抗压强度和抗折强 度随着骨灰比的增长, 呈线性大幅下降; 随着砂率的 增长, 呈线性上升; 随水灰比的变化呈现复杂性 水 灰比过小, 新拌混凝土流动性差, 水泥水化程度低, 强度下降, 而水灰比过大, 混凝土强度也降低。可以 存在一个较优的水灰比, 本文试验结果为0134。 3 随着龄期的增长, 水化逐渐完全, 抗折强度稍 有提高。 4 若采取合适的配合比, 再生骨料和胶凝材料 间有很强的粘结力。破坏一般发生在基体一侧, 体 现出较高的强度。而当骨灰比偏高或水灰比偏低 时, 由于水泥浆不足以包裹骨料, 破坏往往发生在骨 料和水泥石结合面上, 导致混凝土提前破坏, 这种现 象在早期尤为明显。 212 透水系数试验结果和分析 再生骨料透水性混凝土透水系数随骨灰比、 砂 率及水灰比的变化规律如图 4所示。 如图 4a 所示, 骨灰比为 315 时, 水泥浆可以充 分覆盖骨料表面, 混凝土结构密实, 但透水系数不 高; 骨灰比从 315 变化到 410 时, 透水系数迅速上 升, 增幅达 34, 因为水泥浆数量减少, 形成大量空 隙相互连通, 形成透水通道, 因而透水性能提高; 而 当骨灰比从 410 提高到 415 时, 透水性能则上升不 多。 而随着砂率的提高, 再生骨料透水性混凝土的 a- 骨灰比; b- 砂率; c- 水灰比 1- 315; 2- 410; 3- 4 15;4- 0110; 5- 0 115; 6- 0120; 7- 0125;8- 0128;9- 0130; 10- 0140; 1110 145 图4 骨灰比、 砂率、 水灰比变化对透水系数的影响 67 利用再生骨料配制透水性混凝土 陈 莹, 等 透水系数明显下降 见图 4b 。当砂率从 0115 变化 到0120 和 0125, 透水系数的降幅分别是 60 和 78 。因为当砂率较低时, 砂浆数量不足以完全包 裹石子表面, 导致混凝土结构不密实, 透水性能较 好。随着砂率的增长, 砂浆填充在混凝土内部, 减少 骨料和骨料间的空隙, 混凝土逐渐密实, 透水性下 降。 从图 4c 可以看到, 水灰比的影响情况较为复 杂。水灰比等于 0128 时, 透水系数不高, 究其原因, 再生骨料吸水率高, 水灰比低时, 相对水泥浆少, 成 型困难, 搅拌不充分, 使水泥浆容易富集在某一区 域, 阻塞上下连通的透水通道, 因此透水性能差; 而 水灰比从 0128 上升到 0134 时, 水泥浆拌制均匀, 空 隙不被阻塞, 故透水系数上升很快; 当水灰比达到 0145 时, 原有的水泥浆已经完全包裹骨料表面, 增 加的水泥浆填充在骨料之间, 减少空隙, 由此透水性 又逐渐下降。 此外, 随着龄期的增长, 再生骨料透水性混凝土 的透水系数会有所降低, 主要原因是, 随着龄期的增 长, 水化逐渐完全, 毛细孔数量减少, 混凝土变得密 实, 透水性下降。 213 最优配合比的确定 由于数据繁多, 本文采用功效系数法, 寻求满足 最佳力学和透水性能的配合比, 如表 6所示。 由表 6可直接看到, 骨灰比为 315 时的功效系数 最大, 等于 01893; 砂率内 0115 时的功效系数最大, 等 于01626; 水灰比在 0134 时的功效系数最大, 等于 11000。综合评价得出的最优配合比是 骨灰比 315, 砂率 0115, 水灰比 0 134。通常情况下, 抗压强度在 2010MPa 以上就能满足人行道的铺设要求, 抗压强度 在3010MPa 以上能满足轻量车道的铺设要求。因此, 再生骨料透水性混凝土可以满足使用要求。 表 6 功效系数法计算过程 配合比控制系数 性能指标功率系数总功效系数 抗折强度 fftP MPa 立方体抗压 强度 fcuP MPa 透水系数 K15P cms- 1 抗折强度 d1 抗压强度 d2 透水系数 d3 d d1 d2 d31P3 骨灰比3 150815333 1801671 10001 10000171301893 4 100610123 1401900 17050 16920195701776 4 150414521 1001940 15220 16211100001687 砂率0 110418319 1811170 15550 13901100001601 0 115610123 1401900 16910 14610176901626 0 120814928 1401360 19760 15590130801552 0 125817050 1801081 10001 10000106801408 水灰比0 12841709 1001500 17140 13570141001471 0 134615825 1211221 10001 10001100011000 0 140612622 1201700 19510 18810157401783 0 145516412 1801460 18570 15080137701548 3 结束语 近年来, 我国建筑业进入高速发展阶段。由于 传统意义上的混凝土生产和使用对自然资源的巨大 消耗以及对环境的巨大破坏, 已不适应我国社会和 经济可持续发展的要求, 于是环保型混凝土应运而 生。针对混凝土的环保需要, 我们研制和开发了建 筑垃圾再生骨料透水性混凝土, 寻求这一新型绿色 混凝土的最佳配合比, 使之既满足一定的强度要求, 又具有良好的透水性能。 对再生骨料透水性混凝土的研究还处于刚刚起 步的实验室阶段, 还需要进行大量研究与开发工作。 参考文献 1 王 波. 透水性硬化路面及铺地的应用前景. 建筑技术, 2002, 33 9 659 660 2 王武祥. 透水性混凝土路面砖的种类和性能. 建筑砌块与砌块建 筑, 20031 17 19 3 杨 静, 蒋国梁. 透水性混凝土路面材料强度的研究. 混凝土, 200010 27 30 4 姜德民, 程海丽, 高振林. 透水性混凝土路面砖的研制. 新型建筑 材料, 20033 18 20 5 张振秋, 吴晓泉, 陈智丰. 透水性混凝土路面砖的研究. 混凝土, 20031 41 43 6 王武祥, 谢尧生, 夏桂清. 透水性混凝土的性能与应用. 中国建材 科技, 1994,3 4 1 5 7 GBJ 81 -85 普通混凝土力学性能试验方法 8 陈志山. 大孔混凝土的透水性及其测定方法. 混凝土与水泥制品, 20011 19 20 9 吉青克. 大孔隙材料渗透系数的室内测定. 公路交通科技, 2002, 19 2 31 34 68 工业建筑 2005 年第 35 卷第 4期