林書立 梁毅 覃振林 周源芳 楊卿松

摘 要：為探究廢玻璃摻入透水混凝土中對(duì)透水混凝土性能的影響，以目標(biāo)孔隙率、水膠比、玻璃砂率和粉煤灰摻量為因素設(shè)計(jì)不同因素水平的正交試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析和方差分析。結(jié)果表明，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、有效孔隙率、保水性和降溫性等性能影響因素主次順序?yàn)椋耗繕?biāo)孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。增加廢玻璃的摻入量對(duì)透水混凝土的性能有明顯的影響，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，透水系數(shù)降低。通過綜合評(píng)價(jià)分析選出最優(yōu)配合比：目標(biāo)孔隙率為15%，水膠比為0.32，玻璃砂率為10%，粉煤灰摻量為10%，且各性能指標(biāo)均滿足規(guī)范與實(shí)際使用要求。適量摻入玻璃砂有效地提升了透水混凝土力學(xué)性能和降溫性能，并保持良好的透水性能，為提高廢玻璃回收利用率和緩解城市熱島效應(yīng)的工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；廢玻璃；正交試驗(yàn)；保水性；降溫性；綜合分析

中圖分類號(hào)：TU528.581 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.03.005

0 引言

城市化發(fā)展過程中會(huì)產(chǎn)生大量的固態(tài)廢物，據(jù)聯(lián)合國的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，廢玻璃在固體廢棄物中的占比達(dá)到7%左右[1]。中國再生資源回收行業(yè)發(fā)展報(bào)告（2022）顯示[2]，2021年我國廢玻璃產(chǎn)生量約為2.275×107 t，而廢玻璃回收量約為1.005×107 t，回收利用率為44.2%左右，大量廢玻璃未被回收利用，既造成資源浪費(fèi)，又會(huì)給環(huán)境帶來極大的負(fù)面影響。同時(shí)，在城市化的大背景下，海綿城市的建設(shè)在緩解城市內(nèi)澇、區(qū)域水資源短缺、水污染加重等方面發(fā)揮了重要作用[3]。透水混凝土由于其孔隙眾多，透水性和保濕性良好，能有效地滲透、補(bǔ)充地下水，減少雨水徑流，降低熱島效應(yīng)，是一種符合“海綿城市”理念的綠色建材[4-6]。因此，探索用廢玻璃作為透水混凝土原材料不僅會(huì)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且會(huì)產(chǎn)生重要的社會(huì)效益。

目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者已對(duì)廢玻璃摻入混凝土或透水混凝土中對(duì)其性能影響進(jìn)行了相關(guān)研究。Mallum等[7-9]研究發(fā)現(xiàn)：玻璃的性質(zhì)與天然砂較為相似，將玻璃磨細(xì)取代混凝土的細(xì)骨料是可行的，在合理的取代范圍內(nèi)，能得到較好的抗壓強(qiáng)度。金珊珊等[10]將廢棄玻璃骨料摻入混凝土中可改善混凝土的工作性能。透水混凝土一般不含或含有少量的細(xì)骨料，具有多孔結(jié)構(gòu)，以滿足滲透性要求，較大的孔隙率將增加透水系數(shù)，但其強(qiáng)度會(huì)降低[11-12]。趙紹飛等[13]適當(dāng)摻入細(xì)骨料砂可以在不影響透水系數(shù)的情況下提高透水混凝土強(qiáng)度。陳守開等[14]提出了廢玻璃顆粒替代天然河砂后，可改善再生骨料透水混凝土的孔結(jié)構(gòu)，并提高其強(qiáng)度性能。Lu等[15]在透水混凝土中摻入適量的廢玻璃可獲得較好的抗壓強(qiáng)度和透水性能。

綜上所述，目前關(guān)于廢玻璃摻入透水混凝土中對(duì)其性能影響的研究多集中于抗壓強(qiáng)度和透水性能方面，對(duì)透水混凝土的保水性和降溫性方面卻鮮有研究。因此，對(duì)透水混凝土的保水性、降溫性的研究十分必要。本試驗(yàn)針對(duì)透水混凝土強(qiáng)度偏低的問題，將廢玻璃作為細(xì)骨料摻入透水混凝土中，探究廢玻璃對(duì)透水混凝土各項(xiàng)性能的影響。選取目標(biāo)孔隙率、水膠比、玻璃砂率、粉煤灰摻量為因素，并對(duì)各因素設(shè)置了4個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。通過極差和方差分析來研究各因素對(duì)透水混凝土力學(xué)性能、物理性能的影響規(guī)律，并篩選出兼顧抗壓強(qiáng)度和透水性能的最優(yōu)配合比。一方面可以提高廢玻璃回收利用率；另一方面可為透水混凝土性能改善提供新途徑，對(duì)相關(guān)的工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：采用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗骨料：采用粒徑為4.75 ～ 9.50 mm的天然碎石，測得其表觀密度2 621 kg/m3；細(xì)骨料：由廢棄玻璃瓶加工制成的玻璃中砂，細(xì)度模數(shù)2.66；粉煤灰：I級(jí)粉煤灰；水：自來水；減水劑：采用聚羧酸高效減水劑。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行配合比的設(shè)計(jì)，研究目標(biāo)孔隙率、水膠比、玻璃砂率和粉煤灰摻量4個(gè)因素分別對(duì)抗壓強(qiáng)度（fc）、透水系數(shù)（KT）、有效孔隙率、保水性和降溫性的影響程度，從而尋找出具有較高強(qiáng)度和良好透水性能的最優(yōu)配合比。試驗(yàn)選用L16（44）正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素與水平如表1所示，配合比如表2所示。

1.3 試件制備工藝

試驗(yàn)采用水泥裹石法，根據(jù)表2的配合比稱量材料。先將石子和玻璃砂加入混凝土單臥軸攪拌機(jī)中，加入50%的水預(yù)濕骨料并攪拌30 s；然后依次加入膠凝材料，再進(jìn)行攪拌30 s；最后將剩余的水和減水劑加入攪拌機(jī)中，攪拌120 s后出料裝模。采用振動(dòng)成型法，為保證透水混凝土試件的強(qiáng)度和防止發(fā)生沉底現(xiàn)象，振動(dòng)時(shí)間不宜過長，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)控制時(shí)間為15 s。成型后的試件立即用保鮮膜進(jìn)行包裹以防止水分蒸發(fā)。1 d后進(jìn)行脫模，并放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度95%）中養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d、28 d。

1.4 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度：選用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，按照我國《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）[16]進(jìn)行測試。

透水系數(shù)：按照我國《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 135—2009）[17]附錄A進(jìn)行測試。

有效孔隙率：按照我國《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 253—2016）[18]附錄A進(jìn)行測試。

保水性：按照我國《透水磚》（JC/T 945—2005）[19]進(jìn)行測試。

降溫性：9月初，將試件完全浸水24 h后，在室外自然狀態(tài)下，從上午10點(diǎn)到下午4點(diǎn)，每隔1 h用紅外線測溫儀測量試件的表面溫度，每次測量3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取平均值[20]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知：1）在不同齡期下，3 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別能達(dá)到其28 d抗壓強(qiáng)度的60%和75%左右。這是因?yàn)橥杆炷羶?nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)，使得水泥能更迅速地發(fā)生水化反應(yīng)，獲得較高的早期強(qiáng)度。2）透水系數(shù)的范圍是0.71～2.51 mm/s，均大于0.50 mm/s，符合規(guī)范要求。3）有效孔隙率與目標(biāo)孔隙率較為一致，且各組有效孔隙率均略低于目標(biāo)孔隙率。造成該現(xiàn)象的原因是透水混凝土在拌制成型時(shí)，漿料填充必然會(huì)形成部分封閉孔隙，導(dǎo)致有效孔隙減少。4）保水性的范圍是0.47～0.70 g/cm2，目標(biāo)孔隙率大于10%的試件保水性均大于0.60 g/cm2，符合規(guī)范要求。

降溫性正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，透水混凝土在各時(shí)間段的溫度均低于普通混凝土和水泥路面。一方面是因?yàn)橥杆炷辆哂幸欢〝?shù)量的孔隙，可保存一定的水分，使其溫度降低；另一方面是因?yàn)椴ＡР牧媳旧韺?dǎo)熱系數(shù)較低，從而提高了試件的保溫性能，導(dǎo)致溫度變化較小。

2.2 極差分析

2.2.1 抗壓強(qiáng)度極差分析

抗壓強(qiáng)度極差分析如表5所示。由表5可知，影響透水混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的因素主次順序均為：目標(biāo)孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。

各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響趨勢如圖1所示。由圖1可知：1）抗壓強(qiáng)度隨著目標(biāo)孔隙率的增大而減?。▓D1（a））。這與透水混凝土內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，增大目標(biāo)孔隙率必將導(dǎo)致內(nèi)部的孔隙增多，使其密實(shí)度降低，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。2）抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大而先增大后減?。▓D1（b））。這是因?yàn)樗z比的增大會(huì)提高水泥漿體的流動(dòng)性，使?jié){體能夠均勻地包裹骨料，增加骨料之間的連接度，從而提高了抗壓強(qiáng)度。當(dāng)水膠比過大時(shí)，易產(chǎn)生離析，骨料上的水泥漿脫落，黏附困難，造成不利于其強(qiáng)度提高的水泥漿沉底，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。3）抗壓強(qiáng)度隨著玻璃砂率的增大先增大后減小（圖1（c））。這是因?yàn)閺U玻璃具有硬度高的特點(diǎn)，充當(dāng)細(xì)骨料能夠增加骨料之間的接觸面，增大其密實(shí)度，加強(qiáng)骨料之間的咬合力，骨料之間的應(yīng)力得到有效傳遞，致使其抗壓強(qiáng)度提高。但當(dāng)玻璃砂率超過一定量時(shí)，透水混凝土中水泥漿含量不變，增大了骨料間的表面積，水泥漿無法完全包裹所有玻璃砂的外表面，不能形成工作性能良好的水泥砂漿，使其膠結(jié)性能降低，抗壓強(qiáng)度也因此降低。4）抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增大而先增大后減?。▓D1（d））。這是因?yàn)榉勖夯冶砻婀饣旅?，在透水混凝土拌和中起到潤滑的作用，使?jié){體黏稠，顆粒包裹均勻，故強(qiáng)度提高。但過量的粉煤灰會(huì)減少單位體積透水混凝土的水泥用量，造成水泥漿的稀釋，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

2.2.2 透水系數(shù)極差分析

透水系數(shù)極差分析如表6所示。由表6可知，影響透水混凝土28 d透水系數(shù)的因素主次順序?yàn)椋耗繕?biāo)孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。

各因素對(duì)透水系數(shù)的影響趨勢如圖2所示，由圖2可知：1）透水系數(shù)隨著目標(biāo)孔隙率的增大而增大（圖2（a））。這是因?yàn)槟繕?biāo)孔隙率增大后，透水混凝土內(nèi)部的連通孔隙會(huì)相應(yīng)增加，透水系數(shù)也隨之增大。2）透水系數(shù)隨著水膠比的增大而減小（圖2（b））。這是因?yàn)殡S著水膠比的增大，水泥漿體流動(dòng)性增強(qiáng)，在重力作用下試件底部漿體逐漸增多，部分孔隙被堵塞，從而使其透水系數(shù)降低。3）透水系數(shù)隨著玻璃砂率的增大而減小（圖2（c））。這是因?yàn)椴Ａ暗膿饺?，將填充于透水混凝土?nèi)部，使得部分有效透水孔變?yōu)榉忾]孔隙，導(dǎo)致其透水系數(shù)降低。4）透水系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增大而減小（圖2（d））。這是因?yàn)榉勖夯姨畛湓诠橇系拈g隙之間，增加了透水混凝土的密實(shí)度，減少了孔隙數(shù)量，從而使透水系數(shù)降低。

2.2.3 有效孔隙率極差分析

有效孔隙率極差分析如表6所示。由表6可知，各因素對(duì)有效孔隙率的影響主次順序?yàn)椋耗繕?biāo)孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。因透水混凝土的孔隙率與透水系數(shù)之間有較好的相關(guān)性，故各因素對(duì)有效孔隙率的影響規(guī)律與對(duì)透水系數(shù)的影響基本一致，影響原因也大致相同。

2.2.4 保水性極差分析

保水性極差分析如表6所示。由表6可知，各因素對(duì)保水性的影響主次順序?yàn)椋耗繕?biāo)孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。各因素對(duì)保水性的影響趨勢為：1）保水性隨著目標(biāo)孔隙率的增大而增大。這是因?yàn)殡S著目標(biāo)孔隙率的增大，透水混凝土中孔隙數(shù)量增多，同時(shí)連通的孔隙增多，使得透水混凝土大量吸水并保存水分，故保水性隨之增大。2）保水性隨著玻璃砂率的增大而減小。這是因?yàn)椴Ａ皳饺牒髮⑻畛溆谕杆炷羶?nèi)部，使部分有效透水孔變?yōu)榉忾]孔隙，使其保水性降低，但降低幅度較小，仍能保持良好的保水性。3）保水性隨著水膠比、粉煤灰摻量的增大略有降低，總體來說，對(duì)其影響較小。

2.2.5 降溫性極差分析

降溫性極差分析如表7所示。選取溫度變化較大的3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析，各因素的影響主次順序?yàn)椋耗繕?biāo)孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。各因素對(duì)降溫性的影響趨勢為：1）隨著目標(biāo)孔隙率的增大，溫度呈遞減的趨勢。這是因?yàn)殡S著孔隙率的增大，可保存更多的水分，使其溫度得以降低。2）隨著玻璃砂率的增大，溫度呈遞減的趨勢。這是因?yàn)椴ＡЪ蠐搅吭酱?，其?dǎo)熱系數(shù)越小，相應(yīng)的透水混凝土的溫度也相對(duì)較低[21]。因此可以使用玻璃砂材料對(duì)透水混凝土溫度進(jìn)行有效控制，可有效地改善城市熱島效應(yīng)。3）水膠比、粉煤灰摻量等因素的改變對(duì)其降溫性影響較小。

2.3 方差分析

采用方差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析各因素對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度、28 d透水系數(shù)的影響是否具有顯著性。抗壓強(qiáng)度方差分析如表8所示，透水系數(shù)方差分析如表9所示。

由表8可知，目標(biāo)孔隙率、玻璃砂率、水膠比3個(gè)因素的F比在置信度為95%時(shí)均大于F臨界值9.28，對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度具有顯著性影響。雖然粉煤灰摻量沒有達(dá)到顯著水平，但其偏差平方和大于誤差的偏差平方和，表明了其正交試驗(yàn)結(jié)果的合理性。

由表9可知，目標(biāo)孔隙率、玻璃砂率、水膠比、粉煤灰摻量4個(gè)因素的F比在置信度為95%時(shí)均大于F臨界值9.28，對(duì)28 d透水系數(shù)均有顯著性影響。

由表8、表9可知，顯著水平P值越小，因素對(duì)目標(biāo)量的影響越大[22]。各因素對(duì)透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和28 d透水系數(shù)的影響程度主次順序均為：目標(biāo)孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量，與極差分析的結(jié)果一致。

2.4 綜合評(píng)價(jià)分析

為綜合考察透水混凝土的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用功效系數(shù)法進(jìn)行分析。功效系數(shù)法是將每組試驗(yàn)試件的性能指標(biāo)抗壓強(qiáng)度（fc）和透水系數(shù)（KT）與所有試驗(yàn)組試件中的性能指標(biāo)（fc， KT）的最大值相比得到抗壓強(qiáng)度功效系數(shù)（d1）和透水系數(shù)功效系數(shù)（d2），最后再將每組各指標(biāo)的功效系數(shù)相乘并開2次方得到總功效系數(shù)，即為[d=d1×d2]，總功效系數(shù)值最大的組是此正交試驗(yàn)綜合性能的優(yōu)化配合比[23]。因?yàn)榭箟簭?qiáng)度和透水系數(shù)是衡量透水混凝土性能最重要的2個(gè)指標(biāo)，故選取28 d抗壓強(qiáng)度、28 d透水系數(shù)的測試結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，其分析結(jié)果如表10所示。

本研究的透水混凝土以應(yīng)用于公園、人行道等路面為目的，因此強(qiáng)度等級(jí)為C20。由表10可知，第13、14組總功效系數(shù)大于第8組，但因第13、14組的抗壓強(qiáng)度低于《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 135—2009）[17]規(guī)范要求，故第8組配合比A2B4C3D2滿足規(guī)范要求，其總功效系數(shù)最大值為0.670，該組試件的抗壓強(qiáng)度為20.59 MPa，透水系數(shù)為1.46 mm/s。綜合性能下最優(yōu)配合比為：目標(biāo)孔隙率為15%，水膠比為0.32，玻璃砂率為10%，粉煤灰摻量為10%。使用功效系數(shù)法得出了兼顧抗壓強(qiáng)度和透水性能的最優(yōu)配合比，滿足了普通透水混凝土路面的需求，對(duì)實(shí)際工程的應(yīng)用可提供一定的參考。

3 結(jié)論

1）通過正交試驗(yàn)分析得出，各因素對(duì)透水混凝土的力學(xué)性能及物理性能的影響程度大小均為：目標(biāo)孔隙率>玻璃砂率>水膠比>粉煤灰摻量。廢玻璃摻量的增加對(duì)透水混凝土的性能有明顯的影響，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，透水系數(shù)有下降的趨勢。

2）通過保水性與降溫性試驗(yàn)分析得出，摻入廢玻璃后仍有較好的保水性能，且能利用玻璃導(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)，對(duì)透水混凝土溫度進(jìn)行有效控制，可有效地改善城市熱島效應(yīng)。

3）通過綜合評(píng)價(jià)分析，得出了兼顧抗壓強(qiáng)度和透水性能的透水混凝土最優(yōu)配合比為：目標(biāo)孔隙率為15%，水膠比為0.32，玻璃砂率為10%，粉煤灰摻量為10%。其抗壓強(qiáng)度為20.59 MPa，透水系數(shù)為1.46 mm/s，各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

4）適量摻入玻璃砂可有效提升透水混凝土的力學(xué)性能，并保持良好的透水性能。不僅為透水混凝土提供了新的材料選擇，也為廢玻璃的回收利用提供新的方法，對(duì)今后海綿城市的建設(shè)和新型綠色建材的研究提供參考。

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Effects of different waste glass content on performance of

pervious concrete

LIN Shuli， LIANG Yi*， QIN Zhenlin， ZHOU Yuanfang， YANG Qingsong

（School of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： To explore the effect of waste glass mixed into pervious concrete on the performance of pervious concrete， orthogonal tests with different factor levels were designed with target porosity， water-binder ratio， glass sand rate and fly ash content as factors， and range analysis and variance analysis were carried out on the test results. The results show that the main and secondary factors affecting the performance of pervious concrete， such as compressive strength， permeability coefficient， effective porosity， water retention and cooling performance， are as follows： target porosity>glass sand ratio>water-binder ratio>fly ash content. Increasing the amount of waste glass has obvious effect on the performance of pervious concrete， the compressive strength increases first and then decreases， and the permeability coefficient decreases. Through comprehensive evaluation and analysis， the optimal mix ratio was selected as the target porosity of 15%， water-binder ratio of 0.32， glass sand rate of 10%， fly ash content of 10%， and all performance indexes meet the requirements of the specification and actual use. The appropriate amount of glass sand can effectively improve the mechanical properties and cooling performance of pervious concrete， and maintain a good water permeability， which provides a reference for improving the recycling efficiency of waste glass and alleviating the urban heat island effect.

Key words： pervious concrete; waste glass; orthogonal test; water retention; cooling performance; comprehensive analysis

（責(zé)編編輯：羅小芬）