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利用再生骨料配制透水性混凝土

放大字体  缩小字体 发布日期:2008-05-28  来源:中国混凝土网  作者:卢育英  杨久俊
核心提示:利用再生骨料配制透水性混凝土

摘要: 采用正交设计方法设计试验, 从而配置再生骨料透水性混凝土。以再生骨料透水性混凝土的抗压强度、透水系数、孔隙率为主要考核指标, 分别研究了水灰比、骨灰比、砂率、再生骨料粒径等因素及其不同的水平对再生骨料透水性混凝土各性能指标的影响。并对各考核指标的主要影响因素进一步细分, 结果表明, 再生骨料透水性混凝土的透水系数和孔隙率的主要影响因素是水灰比; 抗压强度的主要影响因素是骨灰比。水灰比的变化与透水系数和孔隙率之间呈现相同的规律, 都出现先上升后下降的趋势; 骨灰比的变化与抗压强度之间呈现线性下降的趋势。当水灰比介于0.37~0.43 之间, 骨灰比介于4.0~4.5 之间时, 混凝土拌和物和易性较好, 混凝土的强度较高, 透水性较好。

关键词: 再生骨料; 透水性混凝土; 正交设计; 强度; 透水系数

中图分类号: X705 文献标志码: A 文章编号: 1003- 6504(2008)03- 0091- 04

  长期以来, 传统的混凝土为了达到高强度和高耐久性的要求, 始终在追求结构的密实性即不透水性,从而致使城市地表逐渐被钢筋混凝土的建筑和不透水的路面所覆盖, 给城市生态环境带来诸多不利的影响。如在人口高度密集、工业集中的城市区域气温高于郊区的现象, 即通常所谓的“热岛效应”, 城市热岛效应造成特殊的城市大气环流, 又会形成所谓城市“污染岛”效应。而产生热岛效应的一部分原因是由于城市中的密实性混凝土缺乏透气性和透水性, 调节空气的温度、湿度的能力差, 而且城市下垫面对阳光热量的反射率比乡村小, 同时下垫面的热容量大, 导热率也高, 大量储存了白天丰富的太阳热量[1]。又如, 雨季, 密实性混凝土路面长期阻止雨水渗入地下, 使城市地下水位下降, 影响地表植物的生长, 城市绿化面积减少, 结果造成城市生态系统失调。同时, 混凝土颜色灰暗, 视觉效果缺乏生机, 长期给城市人们生存在钢筋混凝土森林中的压抑感。在透水性混凝土的研发受到各国和各界人士的高度重视的大环境下, 我国从20 世纪90 年代以来对透水性混凝土也进行了研究,但是由于各方面的原因, 到目前为止仍没有达到实际大面积应用的程度。

  透水性混凝土是由水、水泥、粗骨料及少量化学外加剂组成的, 采用单粒级粗骨料作为骨架, 水泥净浆或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面, 作为骨料颗粒之间的胶结层, 骨料颗粒通过硬化的水泥砂浆薄层胶结而形成具有大量连通空隙的堆积结构[2]。在雨季, 水能够沿着这些贯通的空隙通道顺利渗入地下, 因此具有良好的透水性和透气性, 同时还能吸收噪音、粉尘; 另外, 多孔混凝土还可用作净化水质用混凝土[3], 对城市气候的生态平衡起到了积极作用, 对实现真正的绿色GDP 也发挥了不可估量的作用[4]。再生骨料透水性混凝土属于环境负荷降低型混凝土[5], 其利用建筑物解体时废弃的混凝土经破碎、筛分后得到的再生骨料代替天然骨料, 节省天然矿物质资源, 同时减轻固体废渣对环境的污染, 具有优异的环境协调性, 在资源可持续发展和循环经济以及环境保护方面, 具有不可估量的社会效益和经济效益[6]。

  为了使混凝土成为真正的绿色生态材料, 本文考虑利用再生骨料配置透水性混凝土。本次试验主要研究了水灰比、骨灰比、砂率、骨料粒径等因素及其不同的水平对再生骨料透水性混凝土各性能指标( 抗压强度、孔隙率、透水系数) 的影响, 采用正交设计方法[7]利用再生骨料配置透水性混凝土, 找出影响再生骨料透水性混凝土各性能指标的主次因素, 并研究了主要因素对各个考核指标的影响规律, 从而为再生骨料在透水性混凝土中的应用提供必要的技术支持。

1 试验

1.1 原材料的选择

  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, 受力时是通过骨料之间的胶结点传递力的作用, 因此透水性混凝土一般选用高强度等级水泥[8], 本次试验采用天津振兴水泥有限公司生产的42.5 级普通硅酸盐水泥, 其物理力学性能如表1 所示。

  再生粗骨料: 本试验采用天津农学院旧宿舍楼解体时废弃混凝土经分拣、破碎、筛分后所得粗骨料( 原混凝土强度不祥) , 为保证透水性混凝土应有的强度和良好的渗透性能, 选用间断型单粒级配。

  细骨料: 细骨料采用粒径为0.60~1.18mm 的天然砂。

  水: 饮用自来水。

  化学外加剂: DF- 1 型高效减水剂。

1.2 正交试验

1.2.1 影响因素和考核指标的选择

  水灰比: 所有类型的混凝土中, 水灰比始终是影响其结构性能的主要因素之一, 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[5],所以再生骨料透水性混凝土的水灰比既影响强度又影响其透水性, 因此, 要慎重选择水灰比。水灰比过小, 水泥浆过于干硬, 不能充分包裹骨料表面, 而形成粉团填充于空隙内, 致使骨料与浆体之间不能很好的胶结, 混凝土拌合物和易性很差, 不利于混凝土强度的提高; 反之, 水灰比过大, 稀的水泥浆把透水性孔隙部分或全部堵死, 从混凝土试块外形来看, 在成型后凝结过程中由于稀的水泥浆往下部流动在试块下部形成一个密实的平台, 既不利于透水, 又不利于强度的提高。经过文献调研[10- 11]以及数次试验的验证, 本研究选用的水灰比为0.30、0.35 和0.40 三种水平。

  骨灰比: 骨灰比的大小影响透水性混凝土的抗压强度和透水性能, 因为骨灰比的大小决定了骨料颗粒表面包裹的砂浆层的薄厚程度以及空隙率的多少[2]。由于再生骨料本身强度较低, 故选用较小的骨灰比,本次试验采用的骨灰比为3.0、3.5 和4.0 三个水平。

  砂率: 合适的砂率也是透水性混凝土的影响因素之一, 当砂率较低或无砂时, 砂浆数量不足以完全包裹再生骨料表面, 导致混凝土结构不密实, 透水性能较好但强度不高; 但砂率过高或和普通混凝土砂率水平( 25%以上) 相同时, 在充分包裹骨料表面的同时, 多余的砂浆填充了骨料与骨料间的空隙, 从而使得混凝土密实度提高, 强度提高, 但透水性能下降。故依据透水性混凝土配比特点, 本次试验选用10%、15%和20%三种砂率水平。

  再生粗骨料粒径: 粗骨料是组成透水性混凝土的结构骨架, 骨料的粒径也是决定其强度和透水性的主要因素之一, 通常粗骨料采用单一粒级骨料来保证透水性混凝土的强度和透水性能[12], 再生骨料透水性混凝土也不例外。综合考虑强度和透水性以及实用性, 本次试验采用9.5~4.75mm、16~9.5mm、20~16mm 三个水平。

1.2.2 考核指标的确定及各考核指标的试验方法

  从透水性混凝土的实用性考虑, 以表征透水性混凝土主要性能的28d 抗压强度、透水系数、孔隙率为考核指标。混凝土试件至一定龄期时按照天然骨料混凝土测试方法在TYE- 2000B 型压力试验机上测定混凝土试块抗压强度; 以每分钟通过混凝土试块的水量经过适当的换算从而表征混凝土的透水系数; 以电子秤称重测得混凝土试块在水中的浮力即该试块排开水的体积计算混凝土试块总孔隙率。

1.2.3 正交表的确定与试验过程

  因为选用的影响因素有四个, 每个因素的水平数均为三个, 故选用L9( 34) 即四因素三水平的正交表,按L9 ( 34) 安排实验方案( 见表2) 。根据影响因素和选用的正交表, 计算出各组试验的混凝土配合比。用适当的手工搅拌的方法拌合混凝土料, 采用人工插捣的方法成型。试块尺寸为100mm×100mm×100mm 立方体。拆模前表面覆盖塑料薄膜, 防止水分过多的散失,拆模后洒水自然养护, 自然养护28d 后, 分别测得透水系数、孔隙率、抗压强度。结果见表2。

1.2.4 试验结果分析

  将试验结果进行极差分析, 分析结果见表3。从表2 试验结果和表3 极差计算结果可以看出,对于考核指标为28d 抗压强度来说, 水灰比为0.40,骨灰比为3.0, 砂率为20%, 粒径为16~9.5mm 时最好,此时的最优配合比为A3B1C3D2, 根据极差R 的大小,

  对抗压强度的影响顺序为: D→B→C→A, 即, 粒径影响最大, 骨灰比次之, 砂率较小, 水灰比最小。对于考核指标为透水系数来说, 水灰比为0.35, 骨灰比为4.0, 砂率为10%, 粒径为16~9.5mm 时最好, 此时的最优配合比为A2B3C1D2, 根据极差R 的大小, 对透水系数的影响顺序为: D→A→B→C, 即粒径影响最大, 水灰比次之, 骨灰比较小, 砂率最小。对于考核指标为孔隙率时, 水灰比为0.35, 骨灰比为4.0, 砂率为10%, 粒径则是16~9.5mm 时最好, 即此时的最优配合比为A2B3C1D2, 根据极差R 的大小, 对孔隙率的影响顺序为: A→D→B→C, 即水灰比影响最大, 粒径次之, 骨灰比较小, 砂率的影响最小。

  从实验结果可以看出, 关于透水系数和孔隙率的最优配合比是完全一致的, 这表明正交设计的结果和透水性混凝土的实际结构是相符的, 即混凝土试块的孔隙率越大, 其透水性能越好。而和强度相比, 除了水灰比外, 骨灰比、砂率、粒径的影响正好是相反的, 由此可以得出, 再生骨料透水性混凝土的强度和透水性与天然骨料混凝土一样, 也是一对相互矛盾的性能指标, 即强度高, 透水性差; 反之, 透水性好, 强度降低。

  从强度最优配合比可以看出, 当选用中等粒径( D2) ,较大水灰比( A3) , 较小骨灰比( B1) , 较大砂率( C3) 时,由于砂浆流动性好, 易填充在混凝土内部, 减少骨料和骨料间的空隙, 使得混凝土密实, 透水性能下降, 强度提高。从透水系数的最优配合比可以看出, 水灰比适中的情况下( A2) , 水泥浆拌制均匀, 较大骨灰比( B3) ,较小砂率( C1) , 中等粒径( D2) 时, 骨料的总表面积增大, 砂浆的数量不足以完全包裹石子表面, 或包裹很薄的一层, 导致混凝土结构不密实, 透水性能提高。

2 扩展试验

2.1 试验方法及试验过程

  综合试验结果, 得出粒径处于16~4.75mm 之间时, 综合指标均较好, 因此, 在确定粒径的基础上, 根据前文得出影响透水系数的主要因素为水灰比, 影响孔隙率的主要因素为水灰比, 影响抗压强度的主要因素为骨灰比, 故限定次要因素( 次要因素的选定综合前面试验中较好的数据) 。选用粒径为9.5~4.75mm,骨灰比为4.0, 砂率为10%, 目标孔隙率为30%, 水灰比分别为0.33、0.37、0.40、0.43、0.45, 从而得出水灰比与透水系数之间的影响规律; 选用粒径为16~9.5mm,骨灰比为4.5, 砂率为10%, 目标孔隙率为30%, 水灰比分别为0.35、0.40、0.45、0.50, 从而得出水灰比与孔隙率之间的影响规律; 选用粒径为16~9.5mm, 水灰比为0.35, 砂率为10%, 目标孔隙率为30%, 骨灰比分别为3.5、4.0、4.5、5.0, 从而得出骨灰比与抗压强度之间的影响规律。根据以上试验方法中的各条件, 计算出各组试验的混凝土配合比, 试验过程同前文正交试验部分。

2.2 实验结果和分析

2.2.1 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水灰比的变化规律如图1 所示。

  从图1 可以看出, 水灰比对透水系数的影响情况比较复杂, 大致呈现先上升后下降的趋势。水灰比等于0.33 时, 透水系数不高, 根据成型情况究其原因可知, 水灰比较低时, 由于再生骨料吸水率高, 而致使可用净水灰比更低, 不能充分搅拌混凝土混合料, 成型困难, 水泥浆较干硬, 不能与再生骨料充分粘结, 从而堵塞了骨料间的空隙, 不能形成上下连通的透水通道, 因此透水性能差; 当水灰比从0.33 上升到0.40时, 混凝土混合料拌制均匀, 干湿适中的水泥浆与再生骨料充分粘结, 在再生骨料表面形成厚薄适中的一层浆体, 骨料与骨料之间形成连通空隙, 故透水系数上升较快; 但是当水灰比继续增加到0.45 时, 再生骨料表面包裹了较厚的一层水泥浆, 从而失去了原有的棱角, 成型密实后, 水泥浆之间接触面增加, 减少空隙, 因此透水性能反而逐渐下降。

  此外, 从图1 中可知, 随着龄期的增长, 再生骨料透水性混凝土的透水系数有所下降, 主要原因是, 随着龄期的增长, 水泥水化逐渐完全, 毛细孔数量减少,混凝土逐渐密实, 透水性下降。

2.2.2 孔隙率实验结果与分析

  再生骨料透水性混凝土孔隙率随水灰比变化规律如图2 所示。

  从图2 可以看出, 水灰比对再生骨料混凝土孔隙率的影响情况和水灰比对透水系数的影响情况呈现大致一致的变化趋势, 也是先上升后下降的变化趋势。这是因为孔隙率和透水系数是正相关的关系。孔隙率大, 透水性好; 反之, 孔隙率下降, 则透水性能也随之下降。

2.2.3 抗压强度实验结果与分析

  再生骨料透水性混凝土抗压强度随骨灰比变化规律如图3 所示。

  从图3 可以看出, 再生骨料透水性混凝土抗压强度随着骨灰比的增长, 呈线性下降趋势。这是因为, 骨灰比的大小决定了再生骨料颗粒表面包裹的砂浆层的薄厚程度, 骨灰比较小时, 砂浆层较厚, 采用合适的配合比, 混凝土混合料搅拌均匀, 砂浆层充分包裹再生骨料, 再生骨料与胶凝材料之间有很强的粘结力,破坏一般发生在基体一侧, 体现出较高的强度。而当骨灰比逐渐增加至偏高时, 由于水泥浆不足以充分包裹再生骨料, 根据测试情况得出, 破坏往往发生在骨料和水泥石的结合面上, 导致混凝土提前破坏。

3 结论

  ( 1) 水灰比对再生骨料透水性混凝土的孔隙率和透水性能影响最大。水灰比的变化与透水系数和孔隙率之间呈现相同的规律, 都出现先上升后下降的趋势。

  ( 2) 骨灰比对再生骨料透水性混凝土的抗压强度有一定影响。骨灰比的变化与抗压强度之间呈现线性下降的趋势。并且随着骨灰比的增加使得再生骨料透水性混凝土的透水性能上升。

  ( 3) 由于再生骨料吸水率较大, 所以对于再生骨料透水性混凝土来说, 水灰比介于0.37~0.43 之间, 骨灰比介于4.0~4.5 之间时, 混凝土拌和物和易性较好,混凝土的强度较高, 透水性较好。

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