再生骨料透水混凝土配合比設計方法探究

韋祝 黃劍鋒

摘要：由于《再生骨料透水混凝土應用技術規程》（CJJT 253—2016）中的再生骨料透水混凝土配合比設計仍存在不完善之處，文章針對再生骨料和膠凝材料用量，以及附加吸水量的計算方法，補充了計算公式，采用等量替代法、合成密度法計算再生骨料和膠凝材料用量，開展4組配合比設計，測定了7 d抗壓強度、有效孔隙率、透水系數和表觀密度，試驗結果表明：骨料和膠凝材料均采用合成密度法設計出的再生骨料透水混凝土有效孔隙率最接近目標孔隙率要求，膠凝材料密度取合成密度法、再生骨料等量替代法設計出的再生骨料透水混凝土透水系數最大，可為再生骨料透水混凝土配合比設計提供一定參考。

關鍵詞：透水混凝土；再生骨料；配合比設計

中圖分類號：TU5；U416.217? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）03-0044-05

0 引言

當前，我國大力提倡循環經濟發展模式，基于此，持續提高資源利用率和再生資源利用水平迫在眉睫。廣西目前的資源利用率不高，大宗固體廢棄物綜合利用水平偏低。為此，《廣西循環經濟發展“十四五規劃”》提倡建筑垃圾再生利用［1］。再生骨料應用于透水混凝土具有廣闊的市場前景，一方面可以實現建筑垃圾資源化利用，另一方面也是推動海綿城市建設的重要途徑［2］。目前，我國再生骨料透水混凝土配合比設計規范還未完善［3］，限制了再生骨料透水混凝土的實際應用。

《再生骨料透水混凝土應用技術規程》（以下簡稱《規程》）（CJJT253—2016）基本按照體積法進行再生骨料透水混凝土配合比設計［4］。但《規程》對再生骨料和礦物摻合料的計算缺乏明確規定；同時，再生骨料存在高吸水率問題，《規程》也未交代計算附加吸水量的方法。為了能夠找到更好的設計方法，本文在現行規范的基礎上，采用等量替代法和合成密度法計算再生骨料和膠凝材料用量，采用附加水量法計算用水量，開展再生骨料透水混凝土配合比設計，探究不同的設計方案對再生骨料透水混凝土的物理、力學及透水性能的影響，以期拓寬再生骨料透水混凝土的工程應用范圍。

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥：“潤豐” P·O 42.5，密度為3.10 g/cm3；粗骨料：天然粗骨料（粒徑為4.75～9.50 mm）、石灰石；再生粗骨料由檢測公司混凝土破碎試塊再加工獲得，粒徑為4.75～9.50 mm（粗骨料物理指標見表1、粗骨料顆粒級配見表2）；外摻料：Ⅱ級粉煤灰（密度為2.52 g/cm3）、礦渣微粉（密度為2.90 g/cm3）、加密硅灰（密度為2.13 g/cm3）； 增強劑：“蘇博特”透水混凝土增強劑（減水率為13%）。

1.2 配合比設計

基于本項目前期研究成果，本配合比設計參數如下：目標孔隙率為15%，水膠比為0.3，再生粗骨料摻量為30%，粉煤灰摻量為15%，礦渣微粉摻量為5%，硅灰摻量為8%，增強劑摻量為1.8%，以文獻［4］的配合比設計方法為基礎開展設計。

1.3 設計步驟

1.3.1 計算粗骨料用量

因為透水混凝土屬于骨架空隙結構，絕大多數由骨料組成，漿體非常薄，骨料經過振實后以緊密堆積狀態聚集，因此用骨料緊密堆積密度乘以撥開系數0.98，即可計算骨料單方用量?！兑幊獭方o出的公式如下：

[mg=ρgb×α]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，[mg]為粗骨料質量（kg/m?）；[α]為粗骨料撥開系數，取 0.98；[ρgb]為粗骨料緊密堆積密度（kg/m?）。

《規程》沒有給出具體的再生骨料質量計算方法，本試驗建議采用以下兩種計算方法。

（1）再生骨料等量替代法。先采用天然骨料緊密堆積密度計算骨料用量，再生骨料根據一定比例等質量替代天然骨料用量。根據表1和上述配合比設計參數，骨料用量[mg0=1 550×0.98=1 519 kg/m3]；再生骨料用量[mrg=1 519×0.3≈456 kg/m3]；天然骨料用量[mg=1 519×（1-0.3）≈1 063 kg/m3]。

（2）合成骨料密度法。由于添加了再生骨料，骨料密度發生改變，所以以合成密度計算骨料用量，可以借鑒文獻［5］計算合成粗骨料緊密堆積密度。

①合成粗骨料緊密堆積密度計算公式如下：

[ρcgb=1β/ρrgb+（1-β）/ρgb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中，[ρcgb]為合成粗骨料緊密堆積密度（kg/m?）；[ρrgb]為再生粗骨料緊密堆積密度（kg/m?）；[ρgb]為天然粗骨料緊密堆積密度（kg/m?）；[β]為再生粗骨料取代率（%）。

代入前述數據，則合成粗骨料緊密堆積密度[ρcgb=130%/1 340+（1-30%）/1 550≈1 480 kg/m3]。

②合成粗骨料質量計算公式如下：

[mcg=ρcgb×α]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，[mcg]為合成粗骨料質量（kg/m?）。代入數據可得合成粗骨料質量[mcg=1 480×0.98≈1 450 kg/m3]。

③再生粗骨料質量計算公式如下：

[mrg=mcg×β]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

其中，[mrg]為再生粗骨料質量（kg/m?）。

代入數據可得再生粗骨料質量[mrg=][1 450×30%=435 kg/m3]。

④天然粗骨料質量計算公式如下：

[mg=mcg-mrg]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

其中，[mg]為天然粗骨料質量（kg/m?），則天然粗骨料質量[mg=1 450-435=1 015 kg/m3]。

1.3.2 計算膠凝材料漿體體積

體積法的基本原理是假設再生骨料透水混凝土體積為1 m3，根據骨料體積+漿體體積+孔隙體積=1 m3，得到漿體體積=1-骨料體積-目標孔隙率。

（1）再生骨料等量替代法如下：

[vej=1-mgρga-rvoid]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

其中，[vej為等量替代法漿體體積（m3）]；[ρga]為天然粗骨料表觀密度（kg/m3）；[rvoid為目標孔隙率（%）]。

（2）合成骨料密度法如下：

[vcj=1-mcgρcga-rvoid]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

其中，[vcj為合成密度法漿體體積（m3）]；[ρcga]為合成粗骨料表觀密度（kg/m3）。合成粗骨料表觀密度按照下式計算：

[ρcga=1β/ρrga+（1-β）/ρga]? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

其中，[ρrga為再生粗骨料表觀密度（kg/m3）]；[ρga]為天然粗骨料表觀密度（kg/m3）。將設計目標孔隙率15%代入公式（7），分別采用等量替代法和合成密度法求得：等量替代法漿體體積[vej=1-（1 550×0.98）/2 730-0.15≈0.29 m3]；合成密度法漿體體積[vcj=1-（1 480×0.98）/2 693-0.15≈0.31 m3]。其中，合成骨料表觀密度[ρcga=]1/［（30%/2 610）+（1[-]30%）/2 730］≈[2 693 kg/m3]。

1.3.3 計算膠凝材料質量

（1）漿體質量。根據漿體質量=漿體體積×漿體密度，《規程》給出以下公式：

[mj=（1-mgρg-rvoid）×ρj]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

其中，[mj]為膠凝材料漿體質量（kg/m?）；[ρj] 為膠凝材料漿體密度（kg/m?）。

《規程》提出漿體密度按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ/T70）進行，而漿體密度與水膠比有關，需要實際測量，因此該步驟不夠簡便?；诖?，考慮以下方法。

①膠凝材料漿體理論密度計算公式如下。

[ρj=1+w/b（w/b）/ρw+1/ρb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

其中，[wb]為水膠比；[ρw]為水的密度（kg/m3），取1 000 kg/m3；[ρb]為膠凝材料的密度（kg/m3）。

已知水泥密度=3 100 kg/m3，水膠比為0.3，代入公式（10），得到漿體理論密度[ρj=]（1+0.3）/［（0.3/1 000）+（1/3 100）］[≈2 088 kg/m3]。本試驗依據JGJ/T70對水膠比為0.3的水泥凈漿進行密度測定，得到凈漿表觀密度為2 084 kg/m?，而根據公式（10）所得水泥凈漿理論密度為2 088 kg/m?，表明實測表觀密度和理論密度較為接近，故建議漿體密度可按公式（10）計算理論密度。

②取水泥密度計算漿體質量。骨料等量替代法的漿體質量[mj1] = [ρj×vje] = 2 088×0.29 [≈ ]606 kg/m3；骨料合成密度法的漿體質量[mj2=ρj×vjc=2 088×0.31≈647 kg/m3]。

③取膠凝材料合成密度法計算漿體質量計算如下。

若摻入礦物摻合料，膠凝材料理論密度：

[ρcb=1γ/ρf+（1-γ）/ρc]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

其中，[ρcb]為膠凝材料理論密度（kg/m3）；[ρf]為礦物摻合料密度（kg/m3）；[ρc]為水泥密度（kg/m3）；[γ]為礦物摻合料占膠凝材料的質量分數。以設計摻量代入公式（11），則膠凝材料的合成密度[ρcb=]1/［[γ]/[ρf]+（1-[γ]）/[ρc]］=1/［0.15/2 520+0.05/2 900+0.08/2 130+0.72/3 100］[≈][2 885 kg/m3]。

采用膠凝材料合成密度法漿體密度[ρjc=]（1+0.3）/［0.3/1 000+1/2 885］[≈2 010 kg/m3]。

采用膠凝材料合成密度法計算漿體質量。骨料等量替代法和膠凝材料合成密度法所得漿體質量[mj3=ρjc×vje=2 010×0.29≈583 kg/m3]；采用骨料合成密度法和膠凝材料合成密度法所得漿體質量[mj4=ρjc×vjc=2 010×0.31≈623 kg/m3]。

（2）膠凝材料質量計算公式如下：

[mb=mj1+w/b]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（12）

其中，[mb]為膠凝材料質量（kg/m?），[wb]為水膠比。

①以水泥密度計算。采用骨料等量替代法和水泥密度計算膠凝材料質量[mb1=606/（1+0.3）≈466 kg/m3]；采用骨料合成密度法和水泥密度計算膠凝材料質量[mb2=647/（1+0.3）≈498 kg/m3]。

②以膠凝材料合成密度計算。采用骨料等量替代法和膠材合成密度計算膠凝材料質量[mb3=] 583/（1+0.3）≈448 kg/m3；采用骨料合成密度法和膠材合成密度計算膠凝材料質量[mb4=623/（1+0.3）≈479 kg/m3]。

（3）礦物摻合料質量計算如下。

可以采用等量替代法：

[mf=mb×βf]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

其中，[mf]為礦物摻合料用量（kg/m?）；[βf]為礦物摻合料摻量。

[mc=mb-mf]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （14）

其中，[mc]為水泥用量（kg/m?）。

以膠凝材料448 kg/m3為例：[粉煤灰用量mf1=448×15%≈67 kg/m3]；[礦渣微粉用量=448×5%≈22 kg/m3]；[硅灰用量=448×8%≈36 kg/m3]；水泥用量[=][? 448-67-22-36=323 kg/m3]。

（4）增強劑用量計算公式如下：

[mr=mb×βr]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （15）

則增強劑用量[mr]=[448×1.8%≈8 kg/m3]

（5）用水量計算公式如下：

[mw=mj-mb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （16）

《規程》提出“根據骨料的吸水率進行調整”，并未詳細說明如何計算，由于再生骨料吸水率較高，依據文獻［6］采用附加水量法進行調整，再生骨料10 min的吸水率接近24 h的吸水率，以10 min的吸水率計算加水量比較方便。若添加減水劑或增強劑，用水量應調整如下：

[mw，=（mj-mb）×（1-rw）]? ? ? ? ? ? ? ? （17）

其中，[rw為減水率（%）]。

附加水按下式計算：

[maw=mrg（wra-wrc）+mg（wa-wc）]? ? ? ? ? ? ?（18）

其中，[maw]為附加水量（kg/m?） ；[wra]為再生骨料吸水率（%）；[wrc]為再生骨料含水率（%）；[wa]為天然骨料吸水率（%）；[wc]為天然骨料含水率（%）。調整后的總用水量計算公式如下：

[mw=（mj-mb）×（1-rw）+mrg（wra-wrc）+mg（wa-wc）]（19）

采用膠凝材料合成密度和骨料等量替代法數據代入公式（19）：[mw，=（583-448）×（1-13%）≈117 kg/m3]；[maw=456×（7.2%-2.6%）+1 063×（0.8%-0）≈29 kg/m3]；[mw=117+29=146 kg/m3]。

根據再生骨料等量替代、合成骨料密度法，水泥密度法、膠凝材料合成密度法，產生4種配合比（見表3）。

1.4 制備工藝、成型方式和養護方法

（1）制備工藝：采用凈漿裹石法攪拌，注意加水要緩慢均勻，以不產生泌水為度。

（2）成型方式：根據文獻［7］采用人工插搗與平板振動結合的方式成型。

（3）養護方法：成型后在試件表面覆蓋塑料薄膜以保持表面水分，48 h后拆模，置于標準養護室中養護至7 d齡期。

1.5 試驗方法

（1）抗壓強度：按文獻［8］規定進行，采用邊長為100 mm的立方體試件，每組3塊。

（2）有效孔隙率：依據《規程》有效孔隙率的方法進行測定。

（3）透水系數：依據文獻［9］透水系數試驗原理，使用NELD-PC370型混凝土透水系數測定儀測定透水系數。

（4）干表觀密度：首先將樣品烘干至恒定質量，然后測量樣品的質量和體積，計算出干表觀密度。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

按照上述方法，分別測試再生骨料透水混凝土的抗壓強度、有效孔隙率、透水系數、表觀密度，結果見表4。

由表4可知，4號樣有效孔隙率為15.3%，最接近目標孔隙率15%，這是因為4號樣的膠凝材料密度和再生骨料密度均按合成密度法計算，密度值較為準確，通過體積法計算的配比相對精準。2號樣7 d抗壓強度最高，但透水系數最小，僅為0.8 mm/s，臨近規范規定值≥0.5 mm/s的要求。

2.2 7 d抗壓強度與膠凝材料用量關系

圖1為膠凝材料與7 d抗壓強度關系。由圖1所示，隨著膠凝材料用量的增加，7d抗壓強度基本上呈現上升趨勢，由于這4組試樣的水膠比相同，所以起到關鍵作用的就是膠凝材料用量。一般情況下，水膠比確定后，膠凝材料用量越多，漿體體積越大，漿體膜的厚度越厚，水化產物越多，對再生骨料透水混凝土的骨架空隙結構起到較好的黏結作用。3號樣與1號樣再生骨料均為等量替代法，骨料用量一樣，但3號樣膠凝材料數量最小，比1號樣單方用量少了18 kg/m3，卻比1號樣強度稍高一些（2.6%）。 這是因為3號樣的膠凝材料密度取合成密度，膠凝材料密度更準確，使得膠凝材料用量更準確，相對孔隙率更小，從表4的數據來看，3號樣孔隙率為16.7%，比1號樣小1.1%，更接近設計孔隙率，結構更密實，所以強度稍微高一些。因此，再生透水混凝土7 d抗壓強度不單與膠凝材料用量有關，還與結構特征、水化程度有關。

2.3 7 d抗壓強度與表觀密度、有效孔隙率的關系

如圖2所示，7 d抗壓強度與表觀密度基本成線性關系，7 d抗壓強度隨著表觀密度的增加而增大；而有效孔隙率與7 d抗壓強度基本成反比關系。由于表觀密度越大意味著結構越密實，孔隙率越小，因此7 d抗壓強度越高。

2.4 透水系數與有效孔隙率、膠凝材料用量的關系

圖3為有效孔隙率、膠凝材料用量與透水系數關系。由圖3可知，隨著有效孔隙率的增大，透水系數基本呈現遞增的趨勢；膠凝材料用量越多，透水系數越小。2號樣膠凝材料數量最多，有效孔隙率最小，透水系數最小，此時2號樣膠凝材料用量接近500 kg/m3，漿體用量過多，會造成孔隙率急劇縮小，透水系數顯著下降。因此，在進行再生骨料透水混凝土設計時，膠凝材料用量盡量控制在500 kg/m3以內。3號樣有效孔隙率（16.7%）小于1號樣有效孔隙率（17.8%），而透水系數卻是最大的，這是因為3號樣以膠凝材料合成密度設計，添加了礦物摻合料的合成密度較水泥密度小，所計算的膠凝材料數量比1號樣的膠凝材料數量少，膠凝材料體積數量較小，因此透水性較好。

3 結論

通過試驗結果分析，可以得出以下結論。

（1）漿體密度可按理論表觀密度進行計算，與實測表觀密度相差不大。

（2）骨料和膠凝材料均采用合成密度法設計出的再生骨料透水混凝土有效孔隙率為15.3%，最接近目標孔隙率要求；骨料和膠凝材料均采用等量替代法設計出的再生骨料透水混凝土有效孔隙率為17.8%，離目標值最遠；膠凝材料密度取合成密度法，采用再生骨料等量替代法設計出的再生骨料透水混凝土透水系數為4.43 mm/s，透水系數最大；膠凝材料密度取水泥密度與再生骨料取合成密度設計出的再生骨料透水混凝土7 d抗壓強度最高，達28.5 MPa，但透水系數最小。

（3）膠凝材料用量對透水系數影響顯著，與透水系數呈負相關關系。當膠凝材料用量接近500 kg/m3，透水系數為0.8 mm/s，可將該值作為膠凝材料設計上限。

（4）7 d抗壓強度與膠凝材料用量基本成正相關關系，與表觀密度基本成線性上升的關系，與有效孔隙率成反比的趨勢；有效孔隙率與透水系數基本成正相關關系。

4 參考文獻

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