再生骨料混凝土力学特性和透水性能研究与应用

刘咏梅

(中铁二十三局集团第三工程有限公司 四川成都 611130)

1 引言

随着我国经济发展，在建设过程中产生了大量的建筑垃圾，对环境造成严重影响。将废弃的建筑混凝土破碎后制备成再生骨料，部分代替或全部代替普通骨料，可以实现建筑垃圾资源化利用的目的[1-2]。再生骨料混凝土，具有透水性强、水泥用量少、经济性强、施工简便等优点，是一种低碳环保材料，在透水路面、水工结构及生态护坡等方面都有应用[3-6]。近年因全球气候变化，很多地区出现极端气候，降雨量极大、极端暴雨较多，这对路基的排水性能提出了更高要求。将透水性强的再生骨料混凝土用于路基填筑和路基边坡防护工程中可以满足这一要求。

目前，对再生骨料混凝土的力学性能已有一些研究。薛如政、朱建锋等[7-8]以天然岩石骨料和再生粗骨料分别制备混凝土，对比二者的28 d强度后发现前者的强度比后者低20%左右。Wagih等[9]和Rahal[10]的研究结果表明，掺入再生骨料的混凝土其力学指标都比普通混凝土低，并且强度降低的程度与再生骨料的替换量成一定比例关系。Zaetang等[11]的研究结果表明:再生骨料掺入量对混凝土抗压强度影响显著，但二者之间并不符合线性关系，而是先增大、后减小的关系。Sriravindrarajah等[12]研究表明，混凝土的强度会随着再生骨料掺量增加而降低，但在孔隙率基本不变的情况下，其透水性能也基本不变。目前针对再生骨料混凝土的劈裂性能、弯拉性能等力学性能的研究很少，系统研究其力学性能和透水性能的相关报道也很少。

本文系统研究再生骨料混凝土的力学性能和透水性能，探讨再生骨料混凝土在多雨水和极端气候频发地区路基填筑和路基边坡防护工程中应用的可能性。

2 试验概况

2.1 试验材料

(1)拌和水:自来水。

(2)水泥:四川威远西南水泥有限公司生产的32.5普通硅酸盐水泥。

(3)外加剂:聚羧酸减水剂。

(4)天然骨料:乐山市沙湾区兴远砂石厂提供的骨料。

(5)再生骨料:采用废弃混凝土试块经破碎、筛分得到。

试验用骨料的性能指标如表1所示。

表1 骨料基本性能

2.2 试验方法

2.2.1 力学性能试验

(1)抗压强度和劈裂强度:采用SANS试验机进行测试，试件尺寸为(150×150×150)mm，在试件和压力机之间放置1根铁棒，以测试劈裂强度。

(2)弯拉强度:使用SNT4605万能试验机进行试验，对压力试验机进行改装，来测试混凝土试件的三点弯拉强度和四点弯拉强度。

(3)单轴拉伸强度:在MTS试验机上进行直接拉伸试验，由于直接拉伸混凝土试件有困难，所以在(100×100×200)mm长方体试件的上下两端用特殊的胶液黏粘两块钢板。

以上试验均通过位移控制试验机进行，速率为0.1 mm/min。

2.2.2 渗透性能试验

使用D＝70 mm、H＝150 mm的圆柱体试件进行渗透试验。本研究采用“变水头法”来测定不同再生骨料掺量下试件的渗透系数，试验仪器为自制渗透系数测定仪。

渗透系数的计算公式:

式中:L为试件高度；A为横截面面积。在水位差的作用下(h1-h2)，水从带有刻度的变水头管中自上向下渗过试件。试验时，水位下降所用的时间记为t。

2.3 试验方案

本研究中共制备了不同再生骨料掺量的混凝土试件，每种试件所用材料及用量见表2。

表2 试验所用材料配合比

3 试验结果和分析

3.1 再生骨料混凝土的力学特性

3.1.1 抗压强度

图1为不同再生骨料掺量下混凝土抗压强度变化曲线。由图1可知，混凝土的抗压强度随再生骨料掺量的增加而降低。当掺量不超过50%时，抗压强度的降低速率较缓慢，而再生骨料掺量继续增加，抗压强度下降速度加快。这主要是因为再生骨料包含原混凝土中的水泥砂浆和粗骨料等成分，其成分多样且分布不均匀，新拌水泥砂浆与再生骨料之间的胶结作用也不均匀且存在薄弱区，这些胶结作用薄弱区即为混凝土破坏的主因。此外，由于再生骨料是通过破碎混凝土分离而来，其承受过强烈撞击，所以骨料表面和内部存在微裂纹，导致掺入再生骨料的混凝土强度不高。

图1 混凝土抗压强度变化规律

再生骨料的吸水性更强，随着再生骨料含量的增加，大量的水将被再生骨料吸收，导致水泥水化需要的水量不足，水泥水化程度减弱，水泥与骨料间的胶结作用减弱，也导致混凝土抗压强度的降低。总体上看，本研究的试验结果表明，掺入再生骨料的混凝土，虽然抗压强度降低，但仍属于正常抗压强度的范围，特别是在再生骨料掺量不超过50%时，混凝土的抗压强度仍能够达到30 MPa以上；完全采用再生骨料制备的混凝土抗压强度也在15 MPa以上，满足生态护坡工程中混凝土抗压强度高于10 MPa的要求。

3.1.2 劈裂强度

再生骨料混凝土的劈裂强度试验结果如图2所示。由图2可知，未掺加再生骨料的试件劈裂强度为2.7 MPa，当再生骨料掺量达到50%时，劈裂强度只比完全采用天然骨料的混凝土降低了23.6%；当再生骨料完全替代天然骨料时，混凝土的劈裂强度仍达到1.3 MPa以上。

图2 再生骨料掺量对混凝土劈裂强度的影响

3.1.3 弯拉强度

图3为再生骨料混凝土的三点和四点弯拉强度试验结果。图中试验结果显示，完全采用天然骨料制备的混凝土的三点和四点弯拉强度分别为2.5 MPa和3.25 MPa；当再生骨料掺量增长到50%时，混凝土三点弯拉强度、四点弯拉强度与完全采用天然骨料制备的混凝土相比，分别只降低30.1%和18.3%；当天然骨料完全被再生骨料所替代时，三点弯拉强度、四点弯拉强度仍然可达到1 MPa以上，与完全采用天然骨料制备的混凝土相比，分别降低了40.5%和42.4%。

图3 再生骨料掺量对混凝土弯拉强度的影响

3.1.4 单轴拉伸强度试验结果

对不同再生骨料掺量的混凝土试件进行单轴拉伸试验，结果如图4所示。试验结果显示，当再生骨料的掺量提高时，抗拉强度峰值应力降低；掺量不超过50%时，强度损失较小；随后，再生骨料掺量越大，抗拉强度下降越快，混凝土的弹性模量也表现出下降趋势。

图4 不同掺量下混凝土轴拉试验应力-应变曲线

综合上述试验结果可知，在混凝土中掺入再生骨料后，混凝土的力学性能有下降趋势，但当再生骨料掺量较小时，其力学性能下降幅度不大；完全采用再生骨料制备的混凝土其力学性能也能满足路基填筑和路基边坡防护工程中应用要求。

3.2 再生骨料混凝土的透水性能

3.2.1 渗透性能

使用D＝70 mm、H＝150 mm的圆柱体试件进行渗透试验过程中发现，部分试件的端部有堵塞现象，为试件浇筑成型时砂浆下沉所致，属于个别现象。本试验对发生该种情况的试件进行了切割处理，测得的渗透系数随再生骨料掺量的变化关系如图5所示。由图5可知，随着天然骨料逐渐被再生骨料替代，混凝土的渗透系数逐渐增大。完全采用天然骨料制备的混凝土试件的渗透系数只有0.21 cm/s，而完全采用再生骨料制备的混凝土的渗透系数可达1.12 cm/s，提高4.3倍。可见，再生骨料的掺入有利于提升混凝土的渗透性能。

图5 渗透系数与再生骨料掺量关系

3.2.2 保水性能

图6为不同再生骨料掺量下试件的保水量随蒸发时间的变化关系，通过在PVC管底部裹保鲜膜并加盖，在缝隙处涂抹凡士林对其进行封堵，以阻止水从侧面和底部的表面上流出。本试验记录了试件在标准养护室内9 d的保水量变化情况，从图6中可以发现，再生骨料混凝土的保水量随蒸发时间的变化趋势相似，前期下降幅度较大，随着时间增长，下降速率逐渐降低，蒸发速度变慢。通过对蒸发216 h后的保水量进行分析可以得到如图7所示的变化关系，当再生骨料掺量不超过50%时，保水量大幅度增加，当再生骨料掺量继续增加至100%，保水量平缓地提高。

图6 保水量随蒸发时间的变化关系

图7 216 h保水量随再生骨料掺量的变化关系

综上所述，随着再生骨料掺量的增加，混凝土的渗透性能和保水性能均逐渐变好，有利于再生骨料混凝土在多雨水地区和极端气候条件下路基填筑和路基边坡防护中应用。

4 应用

天府仁寿大道项目所在区域的地层岩性以泥岩为主，边坡长期暴露容易风化掉块，故挖方边坡原则上根据边坡高度采取不同形式的防护。边坡防护形式主要有喷播植草、“人”字型骨架护坡、挂铁丝网喷有机基材。其中对于缓于1∶0.75一级边坡且高度H＞4 m，采用人字型骨架护坡，骨架内湿法喷播防护。经过实际应用，减少了项目的水泥用量，节约了成本，尤其是在雨水较多时，体现了较好的透水性，确保了边坡的安全稳定。

5 结束语

(1)再生骨料混凝土的力学性能随再生骨料掺量提高有下降趋势，但当掺量不超过50%时，混凝土力学性能降低的幅度不大，其抗压强度达30 MPa以上，劈裂强度达2 MPa以上，三点和四点弯拉强度分别可以达到2.54 MPa、3.32 MPa；当完全采用再生骨料制备混凝土时，其抗压强度达15 MPa以上，劈裂强度达1.3 MPa以上，三点和四点弯拉强度可达1 MPa以上。

(2)随着再生骨料掺入量的提升，混凝土的渗透性能和保水性能都有显著增长，有利于再生骨料混凝土在多雨和极端气候下路基填筑和路基边坡防护工程中应用。

(3)再生骨料混凝土的抗压强度能够满足路基填筑和路基边坡防护工程中混凝土抗压强度高于10 MPa的要求，透水性能也能够满足其在生态护坡工程中应用的要求，可以在生态护坡工程中正常应用。