再生骨料透水混凝土力学性能研究与应用

为了系统掌握再生骨料透水混凝土的力学特性及工程应用性能，通过试样试验系统研究了再生骨料透水混凝土力学性能，分析再生骨料掺量（比例）对劈裂强度、弯拉强度、单轴拉伸强度、混凝土抗压强度、渗透系数和保水性能的影响，探讨了再生骨料透水混凝土应用边坡防护工程中的适用性。结果表明：再生骨料掺量对透水混凝土力学性能影响显著，当再生骨料掺量（比例）不大于50%时，透水劈裂强度、弯拉强度、混凝土的抗压强度及单轴拉伸强度均会降低约30%、当再生骨料掺量超过50%时，透水混凝土力学参数会显著降低；采用掺量为50%的再生骨料的透水混凝土，其抗压强度、劈裂强度、弯拉强度、单轴拉伸强度均满足规范要求，且相较传统天然骨料人字形骨架具有良好的透水性和保水性，边坡安全稳定系数更高。

再生骨料透水混凝土; 边坡工程; 劈裂强度; 透水性能; 抗压强度

TU528.1 A

［定稿日期］2022-12-05

［作者简介］王岑（1975—），男，本科，高级工程师，研究方向为道桥、隧道工程施工技术与材料应用技术。

随着我国经济的不断发展，建设中产生的大量建筑垃圾对环境不可估量影响。将废弃的建筑废弃物破碎并通过专业设备制成再生骨料用以代替混凝土中的普通骨料，不僅可以实现建筑垃圾资源化利用的目的［1-2］。还可以减少水泥用量。同时充分发挥再生骨料透水混凝土经济性高、水泥用量少、透水性强等优点，在透水路面、水工结构及海绵城市建设中得到了应用［3-5］，对于推动城市发展的长效性、环境保护、节约资源都有着非常重要的意义。

近年来，国内外学者通过试验研究手段研究了再生骨料透水混凝土进行了研究，如薛如政等［6］以天然岩石骨料和再生粗骨料分别制备混凝土，通过对比2种混凝土的28天标准抗压强度后发现以天然岩石骨料制备的混凝土的强度比用再生粗骨料制备的混凝土高约20％。Wagih A 等［7］和Rahal K［8］研究表明，掺入再生骨料的混凝土的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（替换比例）成一定的正相关。Zaetang等［9］认为再生骨料掺入量（比例）对混凝土标准抗压强度有着显著的影响，但两者之间并非简单的线性关系，而是一种先增大后减小的关系。Sriravindrarajah等［10］研究发现混凝土的强度会随着再生骨料掺量增加而降低，但是保持孔隙率基本不变时，用再生粗骨料制备的混凝土透水性能基本不变。上述研究成果对于认识再生骨料透水混凝土性能具有重要意义，为后续深入研究奠定了良好的基础。

然而，目前研究主要集中在再生骨料透水混凝土的强度指标，鲜有对其劈裂性能、弯拉性能等力学性能和透水性能开展系统的研究。因此，本文依托成都天府新区公路项目，系统性研究再生骨料占比对混凝土抗压强度、劈裂强度、弯拉强度、单轴拉伸强度、渗透系数和保水性能的影响，希望可以为再生骨料透水混凝土在实际工程中的应用提供参考。

1 试验设计

1.1 试验方案

本文共设计了5组试验，每组试验都采用2个试样，做2组平行试验，通过试验数据对比分析，并用平均值的方式来消除试验误差，试验方案如表1所列。需要说明的是，由于再生混凝土骨料较天然骨料吸水率高、孔隙率大，在用再生骨料制备透水混凝土时，由于再生骨料自身会消耗一部分水，重而降低混凝土水灰比。为解决这一问题，本试验增加减水剂用量以消除相关影响，具体用量采用现行规范 ［11］要求计算方法行计算。

1.2 试验材料

试验选用的天然骨料来源于乐山市地区某砂石厂，粒径范围为0～15 mm，密度ρ=2.652 g/cm3，吸水率w=1.32%，压碎指标δa=4.0%；试验用的再生骨料粒径范围为0～15 mm，密度ρ=2.633g/cm3，吸水率w=3.25%，压碎指标δa=13.42%。试验用水泥经检验合格的为P·O425普通硅酸盐水泥，试验用的拌合用水为检验合格的可用于拌和的普通自来水。

1.3 试验方法

试验方法及混凝土强度和透水性能检测方法均采用CJJT 253-2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》［12］推荐的方法，严格按照规范要求逐步实施。放入标准间养护24 h后拆模，将石块做好标记后立即放入标准养护室，温度（20±2）℃，湿度为95%，养护至28天。其中，抗压强度和劈裂强度采用美国MTS（SANS） CMT5105微机控制电子万能试验机对试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的试样进行测试；弯拉强度在SNT4605微机控制电液伺服万能试验机上进行弯拉强度（三点弯拉强度及四点弯拉强度）试验；单轴拉伸强度在MTS试验机上进行直接对试样尺寸为100 mm×100 mm×200 mm的试样进行拉伸试验。再生骨料透水混凝土渗透试验采用直径D=70 mm、高度H=150 mm的圆柱体试样。

2 试验结果与分析

2.1 再生骨料透水混凝土抗压强度

图1为再生骨料掺量与混凝土抗压强度关系。

从图1可以看出，含再生骨料的混凝土，虽抗压强度降低，但仍属于正常抗压强度的范围，尤其当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。

2.2 再生骨料透水混凝土劈裂强度

再生骨料掺量对混凝土劈裂强度的影响规律如图2所示。可以看出，随着再生骨料掺量的增加，混凝土劈裂强度逐渐降低，如未掺加再生骨料的试样的劈裂强度为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。

2.3 再生骨料透水混凝土弯拉强度

图3给出了再生骨料掺量对混凝土的三点和四点弯拉强度的影响规律。可以看出，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%；當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%。

2.4 再生骨料透水混凝土单轴拉伸强度

再生骨料掺量对再生骨料透水混凝土应力—应变曲线的影响规律如图4所示。可以看出，随着再生骨料掺量的增加，混凝土的峰值应力逐渐减小，当再生骨料掺量不超过50%时，混凝土峰值应力相差不大，但再生骨料掺量超过50%时，峰值应力降低显著。如再生骨料掺量为25%和50%时峰值应力为2.22 MPa和2.15 MPa，相较天然骨料混凝土峰值应力2.31 MPa，仅分别减小了3.90%和6.93%；再生骨料掺量为75%的峰值应力1.40 MPa较天然骨料混凝土峰值应力降低了39.40%。

2.5 再生骨料透水混凝土保水性能

图5给出了再生骨料掺量对混凝土渗透系数的影响规律，可以看出，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，提高了4.3倍。可见，再生骨料的掺入有利于显著提升混凝土的渗透性能。

图6显示了不同再生骨料掺量下试件的保水量与时间的关系，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天的保水量变化情况，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。

3 再生骨料透水混凝土在边坡工程的应用

成都仁寿公路项目地层岩性以泥岩为主，边坡长期暴露容易风化，挖方边坡根据边坡高度采取不同的防护防护。通过正文第2节结果，项目人字形骨架护坡采用再生骨料掺量为50%的再生骨料透水混凝土，其抗压强度、单轴拉伸强度、劈裂强度及弯拉强度都满足规范要求，且相较传统天然骨料人字形骨架具有良好的透水性和保水性，边坡安全稳定系数更高。此外，项目应用再生骨料透水混凝土，不仅解决建筑废弃物对环境带来的负面影响，减少了对原生资源的消耗，还取得了较好的经济性，可为此类技术在类似工程中应用提供试验依据。

4 结束语

通过试验系统性研究掺入再生骨料的透水混凝土的力学性能，数据化分析再生骨料掺量（比例）对混凝土力学性能及透水性能的关系，探讨了再生骨料透水混凝土应用边坡防护工程中的适用性，可以形成结论：

（1）再生骨料掺量（比例）对透水混凝土的力学性能影响十分显著，当再生骨料掺量（比例）不超过50%时，透水混凝土的标准抗压强度、劈裂强度、弯拉强度、单轴拉伸强度均会降低约30%，当再生骨料掺量超过50%时，透水混凝土力学参数会显著降低。

（2）采用掺量为50%的再生骨料透水混凝土，其抗压强度、单轴拉伸强度、劈裂强度及弯拉强度均满足规范要求，且相较传统天然骨料人字形骨架具有良好的透水性和保水性，边坡安全稳定系数更高。

参考文献

［1］ 孔艳艳. 绿色混凝土的配制及质量控制技术研究［J］. 铁道建筑技术， 2017（9）： 4-6.

［2］ 高梦芫. 再生骨料透水性混凝土试验研究［D］. 青海： 青海大学， 2014.

［3］ 张晨晖. 再生粗骨料制备透水性混凝土试验研究［D］. 湖南： 湖南科技大学， 2012.

［4］ 徐朝辉， 步海滨， 程巍华， 等. 内河航道生态护岸的发展及应用分析［J］. 水运工程， 2009（9）： 107-110.

［5］ 张斌. 破损山体边坡的分类及不同生态修复技术应用研究［J］. 铁道建筑技术， 2019（3）： 23-27.

［6］ 薛如政， 刘京红， 苗建伟， 等. 再生骨料透水混凝土性能的研究［J］. 河北农业大学学报， 2017， 40（4）： 128-133.

［7］ Wagih A M， El-Karmoty H Z， Ebid M， et al. Recycled construction and demolition concrete waste as aggregate for structural concrete［J］. HBRC journal， 2013， 9（3）： 193-200.

［8］ Rahal K. Mechanical properties of concrete with recycled coarse aggregate［J］. Building and environment， 2007， 42（1）： 407-415.

［9］ Zaetang Y， Sata V， Wongsa A， et al. Properties of pervious concrete containing recycled concrete block aggregate and recycled concrete aggregate［J］. Construction and Building Materials， 2016， 111： 15-21.

［10］ Sriravindrarajah R， Wang N D H， Lai J W E. Mix design for pervious recycled aggregate Concrete［J］. International Journal of Concrete Structures and Materials， 2012， 6（4）： 239-246.

［11］ 中华人民共和国行业标准. 普通混凝土配合比设计规程： JGJ55-2011［S］.

［12］ 中华人民共和国行业标准. 再生骨料透水混凝土应用技术规程： CJJT253-2016［S］.