綠色環保型鐵板砂透水磚的研制

陳連發，陳 悅，李 龍，王 辰

(1．吉林化工學院材料科學與工程學院，吉林吉林132022;2．中國電器科學研究院有限公司 威凱檢測家電事業部壓縮機工程部，廣東廣州510663:3．亞泰集團長春建材有限公司吉林市分公司，吉林吉林132022)

鐵板砂(俗稱)是蘊藏在吉林省東部和整個長白山地區的一種風化巖石礦物，鐵板砂產區不同，使得該礦的外表顏色略有差異，但巖石的組成大致是相同的．存儲在地表土(20～30 cm)厚度下面，儲量巨大．隨著城市化進程的推進，建高樓大廈、大工程挖掘出來的鐵板砂被當做建筑垃圾廢棄掉．人們意識不到此種廢棄資源的價值，而利用鐵板砂作為水泥混合材只發掘了它的一項用途，根據它的化學成分、礦物組成、易磨性及粉磨后理想的粒度級配使得它更適合配制高強度混凝土及制作透水磚．而利用鐵板砂所制備的透水磚是一種新型的綠色環保建材，它具備了良好的滲水、保濕功能，使用此類透水磚來裝鋪地面，會很好的緩解城市因鋪裝不透水地面所帶來的“城市荒漠化”及“熱島效應”［1］等現象的發生，有助于城市保持地下水的平衡．本試驗利用建筑垃圾鐵板砂為主要原料，確定制備透水磚合理的配合比，探討各工藝參數對環保型透水磚的影響關系，闡述透水系數與強度之間的最佳契合點以及制備技術．

1 實驗方案

1.1 實驗原料

(1)水泥:吉林市冀東水泥分公司廠生產的P．O52．5 硅酸鹽水泥;

(2)天然骨料:吉林市的天然碎石、建筑垃圾鐵板砂和細砂;其強度為C30-C40;

(3)粉煤灰:吉林市吉化熱電廠生產的I級粉煤灰，細度(45 μm 篩余)為 8．2%;

(4)硅粉:吉林鐵合金廠用除塵器收集的硅粉;

(5)外加劑:本試驗所用的激發劑屬于聚羧酸系減水劑(粉狀)，減水率18% ～28%;

(6)顏料:氧化鐵紅顏料;

(7)水:吉林市日常飲用的自來水．

原材料的主要性能指標見表1和表2．

表1 水泥主要性能指標

表2 原材料物理性質與化學組成

1.2 試驗方法

按照國家建筑材料行業標準《混凝土路面磚》JC446-2000中的規定執行，測試抗壓強度、抗折強度試件分別采用200×100×60 mm、100×100×100 mm尺寸標準，測試抗壓強度和抗折強度所用儀器分別為YES-2000型壓力試驗機和H74212型抗折試驗機．計算方法按國家標準執行．孔隙率和透水系數的測定依照《透水磚行業標準》JC/T945-2005的《固定水位透水性測定法》進行測定［2］．

2 透水磚制備工藝研究

2.1 鐵板砂透水磚配合比設計

依照《透水磚行業標準》JC/T945-2005的方法進行透水磚配合比設計［3-4］;設計思路為:粗集料在緊密堆積的情況下，被膠凝材料均勻、緊密地粘結在一起，凝固后形成多孔堆積的密實結構，剩余的空隙恰好為透水磚內部連通的孔隙，即有效孔隙．

設計一組試驗配合比，透水磚配合比設計采用體積法，設計標準為:以1 m3鐵板砂的質量為標準，目標孔隙率(基層采用15%、面層采用10%)，粒徑選用5～10 mm為標準、水灰比取為0．22，減水劑按膠凝材料質量的0．8%加入，硅粉和粉煤灰各占水泥用量的5%，堆積密度為1 400 kg/m3，折減系數為0．98，空隙率為38%的鐵板砂來計算配合比［5］．具體配合比參數見表3所示．

表3 鐵板砂透水磚基層材料配合比

面層配合比采用2～5 mm的建筑垃圾鐵板砂顆粒、水、粉煤灰、硅粉、減水劑和顏料構成．其中顏料為氧化鐵紅(黃、綠顏色)，水灰比0．28，設計孔隙率10%，減水劑摻量為膠凝材料質量的0．8%，粉煤灰和硅粉同樣為水泥質量的5%，表4為面層各原材料的單位體積用量．

表4 鐵板砂透水磚面層材料配合比(kg·m－3)

2.2 透水磚制作工藝、成型及養護

利用建筑垃圾鐵板砂制備透水磚主要的影響因素包括:鐵板砂破碎及粒度分級工藝、攪拌工藝、成型工藝、養護工藝．

破碎及粒度分級工藝:大塊鐵板砂用機械破碎，再進行分級篩分，篩分出2～5 mm和5～10 mm的顆粒選擇留用，其它粒級級別的顆粒和粉體選擇拌合混凝土或其他用途使用．

攪拌工藝:建筑垃圾鐵板砂制備透水磚的攪拌關鍵在投料順序和攪拌時間．對其基層，首先將膠結材料(水泥、硅粉、粉煤灰)拌和均勻，再與集料混拌，然后加水及減水劑拌和均勻;對于面層，先將顏料與膠結材料混合拌勻，再與集料混拌，然后加入水及減水劑拌和均勻．最后將拌和好的兩種混合料裝模，按先基層，再面層的順序裝填．

成型工藝:通過對不同方法制得的透水磚抗壓、抗折強度，透水系數的比較，選擇合適的成型方法非常重要，為了提高透水磚的透水性能采用靜壓成型方法較合適，成型壓力取4 MPa，保壓時間90 s．養護方法采取同實際生產最接近的方式進行，透水磚堆放在寬敞、透風的有蓬場地中養護，磚面覆蓋干草或塑料薄膜等控制溫、濕度，按時澆水養護，28 d后即可投入應用．

利用建筑垃圾鐵板砂制備透水磚的工藝過程如圖1所示

圖1 鐵板砂透水磚制作工藝流程

3 透水磚的主要影響因素

3.1 粗集料粒徑的影響

粗集料粒徑大小決定了單位體積中粗集料顆粒數量的多少．粒徑越小則集料之間的接觸點就會越多，硬化成型形成的粘結結點也就越多，傳遞力的接觸點也越多［5］．因此，顆粒粒徑小的集料，對透水磚強度的起增強作用．表5為設計孔隙率為15%的不同粒徑的集料試塊28d抗壓強度、抗折強度和透水系數值．

表5 集料粒徑對鐵板砂透水磚強度的影響

從表5可以看出，集料粒徑大小對鐵板砂透水磚的抗壓強度、抗折強度以及透水系數都造成了相當大的影響，隨著集料粒徑的增大，鐵板砂透水磚的抗壓強度和抗折強度都減小，但是減小的幅度不大，原因是粗集料的粒徑越小，集料間的粘結節點數量增多，透水磚的孔隙縮小，導致強度增強．同樣原因，粗集料粒徑減小時，透水系數加倍降低．

3.2 礦物外加劑的影響

3．2．1 粉煤灰摻入量的影響

為了尋求粉煤灰摻入量多少對鐵板砂透水磚制備過程中造成的影響規律，設定考查基準為:集料粒徑取為2～5 mm，水灰比0．26，采用靜壓成型，成型壓力為4 MPa．粉煤灰摻量取值范圍分別為:0%，5%，10%，15%，20%，25%和30%．試驗數據見表6．

由表6可見，增加粉煤灰的摻量，鐵板砂透水磚的孔隙率和透水系數都減小．原因是:粉煤灰的摻入導致漿體厚度增大、密實度提高、孔隙減少，水流的部分通路被堵塞，致使孔隙率減低、透水系數減小，透水性能下降．與此同時，鐵板砂透水磚的28 d抗壓強度呈緩慢升高趨勢，而28 d抗折強度變化微小．粉煤灰摻入量存在一個最佳值，該值為摻入量20%．

表6 粉煤灰摻入量對鐵板砂透水磚性能的影響

3．2．2 硅粉摻入量的影響

考查硅粉摻入量對鐵板砂透水磚所造成的影響，采用的配比為:等量取代水泥質量的2%，3%，4%，5%，6%和7%．集料粒徑為2～5 mm，水灰比0．26，采用靜壓成型，成型壓力為4 MPa保壓時間90 s．配合比及結果見表7．

表7 硅粉摻入量對鐵板砂透水磚性能的影響

由表7可見，硅粉的摻量為等量取代水泥質量的5%時，無論是28 d抗壓強度、28d抗折強度還是透水系數都處于最佳值狀態，因此，硅粉的最佳摻量取值為5%．

4 原材料自身性質對透水磚的透水性能影響

采用相同的成型條件，制備相同大小的試件，原材料本身的性質包括骨料的粒徑;骨料的物理、化學性質，直接影響著透水性能．原材料自身信息見表8．

表8 原材料自身信息

試塊成型24 h脫模，自然養護28 d，設計目標是:抗壓強度25 MPa，孔隙率20%，透水系數1．0 mm/s以上，測得數據見表9．

表9 透水磚透水性能試驗數據表

根據表8提供的原材料自身信息，表9所測數據，分別就骨料的粒徑、集灰比、成型壓力、水灰比、硅粉的摻入量對透水磚的孔隙率和透水系數的影響進行正交分析，分析結果見表10所示．

由正交數據表可以看出，影響鐵板砂透水磚孔隙率的因素中，重要性從主到次依次是集灰比、骨料粒徑大小、水灰比、硅粉摻量;影響透水磚透水系數因素的重要性從主到次依次是:骨料粒徑大小、集灰比、水灰比、硅粉摻量．

表10 正交試驗數據分析表

從正交表的結果還可以看出，影響透水磚最重要的因素是骨料粒徑大小，而影響孔隙率的主要因素是集灰比，這說明總孔隙率不能完全反映透水磚的透水性能而是由很多因素共同決定的．影響透水性能的主要因素是骨料粒徑的大小，粒徑的大小不僅影響著孔隙率，而且影響著孔隙的大小、結果和分布，進而影響透水磚的透水性能．

粒徑對透水磚透水系數影響最大，隨著骨料粒徑的增大，透水磚的透水系數也隨著增大．產生這種現象的原因是:集料粒徑越大，單位體積內顆粒的比表面積減小，顆粒間的接觸點減少，孔徑相應增大，因而透水磚的透水性能增強．影響透水性能的次要因素是集灰比，集灰比越小透水性能越差．集灰比的大小反映水泥等膠凝材料的用量，集灰比越小則水泥等膠凝材料的用量就越大，水泥漿體相對越多［6-7］，當水泥漿用量增大時，由于其填充了集料間的孔隙，使得能有助于透水磚透水性能的連通孔隙數量減少，從而導致透水磚的透水性能降低．水灰比也對透水性能產生一定影響，當水灰比越大時，透水磚的孔隙率和透水系數也就越大．根據普通混凝土理論，當水灰比越大時，混凝土的孔結構增多，就這點而言透水磚和普通混凝土有相似之處．外摻料硅粉對透水磚的透水性能也能產生影響．但從正交數據表可以看出，外摻料對透水性能的影響是有限的．這是因為硅粉對透水磚的影響主要是改變其微觀結構，而在衡量透水磚透水性能時，微觀結構的改變對其影響不大．

另外從表10可以看出，相同或相近孔隙率的試件，透水系數卻有較大的差異，這點說明對于孔隙率相同的試件，由于其內部孔隙的分布和孔徑大小的不同，其透水性也就有所不同，而且，當透水磚中平均孔徑越大時，其對流體的粘附性就不明顯，導致所測透水磚的透水系數偏大，反之就偏小．另外，孔隙率相同的試件，連通孔隙的走向分布不同，其透水性能也會有所不同，如果連通孔隙縱向走向越多，則透水性能就越好;如果其中的孔隙大部分是橫向走向，則透水性能就越差．

5 孔隙率與透水系數的關系

透水系數和孔隙率并不是線性關系，但是兩者之間又存在著相互的關聯性，孔隙率大透水系數也越大．這是因為隨著孔隙率的增大，透水磚內部的孔隙增多，能有助于透水的連通孔隙的數量也越多，導致實際過水面積增大，水受到的阻力減小，使得水通過透水磚的量增加，速率增大，所以透水系數也就增大．

6 透水磚強度與透水系數的關系

在水泥使用量相同時，普通混凝土的強度高于透水磚強度，原因在于大量的孔隙存在于透水磚內部當中，另外，靜壓成型方法制備的透水磚密實度遠不如振動、碾壓成型法生產的磚或者是混凝土，并且，為了使透水磚必備透水功能而設計的大宏觀孔充斥在透水磚的內部，必然導致透水磚強度的下降．然而，這些大孔的存在是透水磚必須具備的功能，是為保障透水磚的透水性能而特別設計的．因此，要制備出合格、實用的透水磚，必須探尋出透水磚的透水系數和強度之間的最佳契合點，設計出既能保障強度又能滿足透水性能的最佳配合比方案，才是該試驗設計的宗旨．

試驗結果顯示:隨著制作透水磚試件強度的逐漸增大，透水系數也在隨之逐漸減小．其原因是隨著膠凝材料使用量的增加，硬化漿體的密實度增加，強度必然增大．

7 結 論

(1)采用正交設計法確定了透水磚制備過程中影響因素重要性的主、次順序．影響透水磚孔隙率的重要性因素，依次順序為集灰比、鐵板砂粒徑大小、水灰比、硅粉摻量．而影響透水磚透水系數的重要性因素，依次順序排列為鐵板砂粒徑大小、集灰比、水灰比、硅粉摻量．因此，影響透水系數最重要的因素就是鐵板砂集料顆粒粒徑的大小．透水磚的強度隨著孔隙率的增大而減小，而透水系數則是隨著孔隙率的增大而增大，綜合考慮這對矛盾的影響因素，結合強度和透水性能要求，確定鐵板砂制備透水磚的孔隙率取值范圍為10% ～15%．

(2)當面層粒徑取2～5 mm、基層粒徑取5～10 mm、水灰比分別取 0．22 和 0．28，粉煤灰和硅粉等量取代水泥的量分別取為10%和5%、減水劑摻入量為膠凝材料的0．8%、采用靜壓成型的壓力取4 MPa、保壓時間為90 s，則即可制備出28d的抗壓強度值達到25 MPa以上，28d抗折強度達到6 MPa以上，孔隙率為基層15%、面層10%以上，透水系數達到1．5 mm/s以上的透水磚．

［1］ 陳平，王瑞生．綠色環保型滲水磚的研制［J］．中國陶瓷工業，2003(4):13-18．

［2］ 閻振甲，何艷君．工業廢渣生產建筑材料實用技術［M］．北京:化學工業出版社，2002(5):136．

［3］ 饒玲麗，曹建新．粉煤灰透水磚的制備研究［J］．新型建筑材料，2006(7):48-50．

［4］ 宋志斌，黃明君．混凝土透水磚的研制［J］．河北工程大學學報，2008(6):13-16．

［5］ 程娟，李偉．透水磚的研制及應用［J］．混凝土，2009(4):120-128．

［6］ 林蔚，桑瑞華．環保透水磚的制備與性能研究［J］．齊齊哈爾大學學報，2011(9):47-49．

［7］ 楊博，陳傳飛．透水磚及其生態型透水系統［J］．新型建筑材料，2011(10):37-39．