基于正交试验设计的再生骨料透水混凝土力学性能研究

尹志刚，范 巍，董思健，赵 越

(长春工程学院 吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室， 吉林 长春 130012)

透水混凝土是一种具有高孔隙率、良好透水性能的多孔材料，目前常被用于城市公园道路、停车场、住宅小区、人行道等轻型荷载路面[1]，但由于其强度较低、易堵塞、长期耐久性较差等特性，也限制了其在更广范围内的应用。据《中国建筑垃圾资源化产业发展报告(2014年度)》报道我国建筑垃圾总排放量约15.5 亿t/a～24.0 亿t/a，其中建筑垃圾废弃物中废弃混凝土的含量已达40%以上，然而这些废弃建筑垃圾资源利用率却不足5%，除极少数被再生用于非承重结构外，其余大量的建筑垃圾直接用于粗放性工程回填或直接露天堆放，不仅对生态环境带来影响，也极大地造成了资源浪费[2-3]。因此，如何合理解决废弃混凝土再利用问题逐渐成为工程界和学术界讨论的热点之一。

孙宏友等[4]通过正交试验研究了目标孔隙率、骨料种类、水胶比、粉煤灰、硅灰掺量、搅拌方式对透水混凝土强度的影响，结果表明目标孔隙率的影响程度最大。姜骞等[5]研究得出增强剂能够有效改善新拌透水混凝土浆体易剥落沉底的现象，并提高硬化透水混凝土的力学与抗冻融性能。杨小龙等[6]通过进行重量法的对比试验，得出采用CT扫描技术计算透水混凝土堵塞程度是可行的结论。王永海等[7]对再生骨料透水混凝土掺入无机增强料并发现实验试块的28 d抗压强度和弯拉强度提高了20%左右。薛冬杰等[8]通过实验发现再生透水混凝土的90 d抗压强度要高于采用普通骨料的透水混凝土。张浩博等[9]探讨了掺30%再生骨料、水灰比、骨料粒径、砂率等因素对透水混凝土物理及力学性能的影响。Wu等[10]开展了不同掺合料对普通波特兰透水混凝土的力学性能及冻融耐久性方面的试验研究。解伟等[11]研究了不同再生骨料和橡胶颗粒掺量对C20强度透水混凝土物理性能和力学性能的影响。余乃宗等[12]研究了再生细骨料混凝土的抗冻性，为再生细骨料在混凝土耐久性方面的应用提供了一定的试验借鉴。

目前关于再生骨料混凝土性能的研究主要集中在普通再生骨料混凝土方面，有关再生骨料透水混凝土力学及冻融耐久性方面的研究还鲜有报道。鉴于此，本文利用正交试验方法对掺加微硅粉、增加剂的再生骨料透水混凝土的力学性能和抗冻耐久性能进行了试验，考察了外掺料、设计孔隙率、水胶比等对再生骨料透水混凝土28 d立方体抗压强度、透水系数和连续孔隙率的影响，以期寻求最优配合比，并以最优配合比开展快速冻融循环试验，对冻融后的再生骨料透水混凝土质量损失、动弹性模量、剩余抗压强度、CT扫描断面平均孔隙率随冻融循环次数的变化规律开展研究，以期为再生骨料透水混凝土在寒区的工程应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验原材料性能

试验选用吉林亚泰鼎鹿牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥；天然粗骨料(Natural Coarse Aggregate, NCA)选用粒径4.75 mm～9.50 mm的瓜子石；再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregate, RCA)选用实验室自制C30钢筋混凝土梁经机械破碎后人工筛分获得，试验选用骨料基本物理指标见表1；细骨料选用细度模数为2.66的ISO标准砂，用量为粗骨料的8%；矿物掺合料选用SiO2含量为94.33%的微硅粉；选用南京某公司生产的增强剂，其主要成分见表2；减水剂选用FDN萘系高效减水剂，减水率为21%，含固量91.51%；试验用水为普通自来水。

表1 试验选用粗骨料基本物理指标

表2 透水混凝土增强剂主要物理性能

1.2 正交试验方案设计

为减少试验工作量，利用正交试验设计的原理来设计试验方案，每一因素各取3个水平，采用正交表L9(34)，开展再生骨料透水混凝土力学性能正交试验，基于极差分析和层次分析来处理试验结果，找出满足规程[8]要求的最优配合比。试验因素与水平见表3。

表3 再生骨料透水混凝土正交试验表

试件设计强度为C20，再生粗骨料掺量为天然粗骨料用量的30%，配合比设计采用《再生骨料透水混凝土应用技术规程》[13](CJJ/T 253—2016)的方法和步骤进行配比设计，按照正交试验表确定9组试验每立方米再生骨料透水混凝土各材料用量，其中粗骨料用量为1 460.6 kg/m3，细骨料为127.0 kg/m3，纤维0.6 kg/m3，其它材料用量具体见表4。

表4 1 m3再生骨料透水混凝土各材料用量单位：kg/m3

1.3 试件制作流程与试验方法

试件按照规范[13]要求制备9组100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，每组3块，采用插捣成型法，试件制备后，在室温下静置24 h后拆模，放入标准养护室，养护至28 d。分别测定再生骨料透水混凝土连续孔隙率、透水系数和28 d抗压强度。透水系数试验参考文献[14]中定水头测试方法；抗压强度测试依据普通混凝土力学性能试验标准。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验极差分析

表5为上述9组正交试验所得的各项测试结果， 对试验结果进一步进行极差分析后， 结果见表6。由表6可知：

(1) FB是影响试件连续孔隙率的最大因素，其次分别为因素FC、FA、FD，参数的最优组合是FA2FB3FC1FD1。

(2) FB是影响试件连续孔隙率的最大因素，其次是FA。说明设计孔隙率越大，试件的透水性越强。参数的最优组合是FA2FB3FC1FD1。

(3) 各因素对抗压强度影响程度的主次顺序为设计孔隙率、水胶比、增强剂掺量、微硅粉掺量。根据抗压强度的试验结果，参数的最优组合是FA2FB1FC2FD3。

表5 各组正交试验结果

经上述正交试验结果分析，在满足规程中各项规定的前提下，得到最优配合比，见表7。实测该配合比下28 d抗压抗压强度为28.6 MPa，连续孔隙率为13.4%，透水系数1.6 mm/s。

表6 连续孔隙率、透水系数和28 d抗压强度的极差分析表

表7 正交试验所得最优配合比

2.2 冻融耐久性分析

通过文献[15]可知，室内开展一次快速冻融循环试验，相当于外界自然环境下的12次～15次冻融循环，为进一步了解再生骨料透水混凝土在冻融环境下的长期耐久性能，且考虑到东北寒冷地区已有透水混凝土路面的耐久性较低的现状(通常3 a～5 a就出现表面开裂现象)，根据上节正交试验所得到的再生骨料透水混凝土最优配合比制备试块，开展快速冻融循环试验。共制备10组30个100 mm×100 mm×100 mm立方体试块，用于测量经历不同冻融次数后的抗压强度；另制备100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块3块，用于测量经历不同冻融次数后的相对动弹性模量与质量损失。具体抗冻试验结果见图1。

图1质量损失率与相对动弹性模量随冻融次数变化曲线

图1(a)为试件的质量损失率随冻融循环次数的变化曲线。由图1(a)可以看出，试件的质量损失在冻融过程中变化并不显著，失重率始终处于负值，从整个冻融循环过程中来看，在80次冻融后质量损失呈上升趋势。这是由于再生粗骨料自身含有的孔隙较多、吸水率较大；从结构组成来讲，透水混凝土本身的连通孔隙较大，内部有足够的孔隙空间可以适当延缓冻融结冰膨胀而引起的表面冻胀开裂现象。但随着冻融次数的增多，骨料之间的粘结力不足以抵抗冻融引起的周期性疲劳应力，导致再生骨料透水混凝土产生骨料剥落等现象。

图1(b)为试件的相对动弹性模量随冻融循环次数关系图。从图1(b)中可以看出，在冻融循环作用下，试件的相对动弹性模量变化规律与普通混凝土试件相似，即随着冻融次数的增加而呈下降趋势。90次冻融循环后试件的相对动弹性模量降到60%以下。利用二次多项式对上述变化关系进行拟合，从图1(b)中可以看出，拟合得到的相对动弹模随冻融次数的变化规律具有较高的拟合精度和相关性，相关系数在0.93以上。

2.3 CT扫描结果分析

近年来，CT扫描成为分析混凝土内部孔隙结构的一种新方法。每间隔20次冻融循环后利用医用螺旋CT机对经历不同次数冻融循环后的透水混凝土试件(100 mm×100 mm×100 mm)进行CT扫描，设定CT扫描断面间距为2.5 mm，这样就得到透水混凝土试件内部不同扫描间距下孔隙分布的真实图像，见图2，对CT扫描断面经MATLAB数字图像处理技术后可获得试件在冻融前后的孔隙劣化情况。

图2再生骨料透水混凝土断面CT扫描断面切片图

图3为再生骨料透水混凝土孔隙率分布与冻融循环次数的关系。其中，横轴表示不同CT扫描断面距离，纵轴为不同冻融次数下的CT扫描图像各断面的孔隙率。由图3可以看出，随着冻融循环次数的增多，透水混凝土试件的CT扫描断面平均孔隙率逐渐增大。20次冻融循环后CT扫描断面平均孔隙率为15.4%，随着冻融次数的不断增加，40次、60次、80次、100次冻融循环后，CT扫描断面平均孔隙率较20次分别增大了1.19倍、1.33倍、1.53倍、1.89倍。

图3再生骨料透水混凝土孔隙率分布与冻融循环次数的关系

2.4 冻融后抗压强度与孔隙率分析

抗压强度是检验混凝土力学性能的一项重要指标。图4为再生骨料透水混凝土试件抗压强度与冻融循环次数的关系。由图4可知，在冻融循环作用下，试件的抗压强度变化规律与普通混凝土试件相似，即随着冻融次数的增加而呈下降趋势。在70次冻融循环之前，试件的抗压强度下降速率较为缓慢；70次冻融循环之后，抗压强度的下降速率明显变大。

图4抗压强度与冻融次数关系

图5为再生骨料透水混凝土试件经历冻融后CT扫描断面平均孔隙率p与抗压强度的关系。由图5可见，试件的抗压强度随着孔隙率的增大而逐渐降低，表明在冻融循环作用下试件的孔隙率p与抗压强度呈负相关。在冻融循环的不断作用下，试件内部孔隙率劣化程度逐步增大，内部密实程度和骨料胶结能力变弱，进而导致其力学性能逐步下降。利用二次多项式对再生骨料透水混凝土抗压强度与CT扫描断面平均孔隙率p的关系进行拟合，从图中可以看出，拟合得到的冻融后抗压强度与孔隙率p的变化规律具有较高的拟合精度和相关性，相关系数在0.98以上。

图5冻融后孔隙率与抗压强度的关系

3 结 论

本文主要基于正交试验设计研究了再生骨料透水混凝土力学性能与冻融耐久性，试验研究了微硅粉、增强剂等外掺料和水胶比对再生骨料透水混凝土28 d立方体抗压强度、透水系数和连续孔隙率的影响，并以正交试验得到的最优结果开展了快速冻融循环试验，基于以上试验数据，得出如下结论：

(1) 影响再生骨料透水混凝土连续孔隙率和透水系数的最大的因素是设计孔隙率，水胶比、微硅粉和增加剂掺量影响程度较为接近。根据抗压强度的试验结果，参数的最优组合是FA2FB1FC2FD3。

(2) 基于正交试验得到的最优配合比开展的快速冻融循环试验结果可知，随冻融循环次数增加，再生骨料透水混凝土的质量损失率、相对动弹性模量、平均抗压强度与CT扫描断面平均孔隙率的劣化程度均逐渐增大。

(3) 随着冻融次数的增多，试件内部孔隙率劣化程度逐步增大，内部密实程度和骨料胶结能力变弱，进而导致其力学性能逐步下降。再生骨料透水混凝土抗压强度与CT扫描断面平均孔隙率p之间具有良好的相关性，相关系数在0.98以上，表明再生骨料透水混凝土的孔隙率与抗压强度呈负相关。