布料成型裝置和方法對透水磚性能的影響

胡永權 羅天祥 陳延軍 任增茂

（1甘肅省建材科研設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730020；2甘肅省綠色建筑技術重點實驗室，甘肅 蘭州 730020）

0 前言

透水磚由于孔隙率較高，且絕大部分為連通孔，因此具有優良的透水性能。其應用與各類廣場、公園和住宅小區的人行步道或停車場鋪設，可以將大部分雨水滲入地下，減輕城市排水管網壓力，有效解決雨天路面積水、反光等難題。近年來，隨著海綿城市建設的推進，透水磚作為最基礎的產品在各類項目工程中得到了廣泛應用，高性能透水磚研制成為當下水泥制品研究的一個熱點。

混凝土透水磚成型工藝分為靜壓成型和振壓成型兩種工藝，其中振壓成型又根據振源產生方式不同，分為臺振和模振兩種成型工藝。振壓成型較靜壓成型能夠形成均勻的多孔結構，更加適宜透水磚生產，而模振成型工藝生產線投資大，產品制造成本偏高。因此國內透水磚生產設備主要以QFT系列磚機為主，即分層布料臺振式磚機。該類磚機在生產過程中，基層和面層布料均采用按體積分層布料，成型采用壓頭加壓與振動臺機械振動相結合的工藝。其中透水磚厚度主要由傳感器限位，輔助成型時間參數進行控制。而實驗室配方研制過程中，由于沒有與生產線工藝匹配的實驗設備，考慮實驗成本和便利性等因素，普遍采用定質量布料+非限位成型方法。本文針對透水磚生產線工藝設備特點，研發了適合實驗室階段使用的定容布料、成型裝置和方法，并以此為基礎，在水灰比和顏料摻量對透水磚性能影響方面，采用不同的布料成型工藝開展了試驗研究。

1 原材料

1.1 風積沙

選用甘肅省景泰縣境內的風積沙，其粒徑范圍為18目～250目，試驗前先對其進行篩分，粒徑小于100目的風積沙用于生產防滲透氣砂和砂制品，本項目試驗采用篩分后100目以上風積沙。經測試其表觀密度2590kg/m3，堆積密度1450kg/m3，孔隙率44.0%，含泥量0.8%，分計篩余量如圖1所示。

圖1 篩分風積沙分計篩余量

表1 水泥性能指標

1.2 水泥

水泥作為無機膠凝材料，是決定混凝土制品強度的核心材料，尤其在透水磚和透水混凝土中，在同等強度條件下，采用高標號水泥可以減少水泥用量，從而有利于提高制品的透水性能，因此試驗過程中選用阿爾博波特蘭（安慶）有限公司生產的P.W.52.5級白水泥（阿爾博牌），其主要物理化學性能指標如表1所示。

1.3 顏料

顏料選用上海一品顏料有限公司生產的氧化鐵紅顏料，型號為S110，其水溶物≤1%，篩余物（0.045mm）≤0.5%。

2 試驗方案

2.1 布料成型方法及試驗指標

定質量布料即稱取固定質量的物料進行布料，而定容布料則控制每次布料時物料的體積相同。非限位成型主要控制壓頭的重量和成型時間，在成型結束時，對壓頭的位置不進行控制；而限位成型則主要控制壓頭位置，壓頭重量和成型時間等為輔助控制參數。

由于布料和成型工藝不同，采用定質量布料+非限位成型工藝研制的配方，在后期中試規模化生產階段，其結果和規律往往存在不同程度的偏差，需要進一步調試改進。為研究布料成型裝置和方法對制品性能的影響，并增強實驗室配方在中試生產階段的適用性，項目研制和加工了相應的試驗裝置，對不同的布料和成型工藝進行對比。由于透水路面磚各項性能指標中強度和透水性能是核心指標，因此試驗主要針對核心指標展開。

2.2 配合比設計

試驗主要以基準配合比為依據，在不同布料工藝下，調整水灰比、顏料摻量進行試驗，通過對試樣抗壓強度和透水速率指標測試，研究和分析布料工藝對混凝土透水磚性能的影響，并確定最佳水灰比和顏料摻量。透水磚配合比設計參照CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術規程》[1]所述的透水混凝土配合比計算方法（體積法）。設計孔隙率Rvoid=20%，水泥：風積沙=1:3.33（質量比）。

3 試驗裝置

3.1 布料裝置

圖2 定容布料裝置

定質量布料采用稱量裝置計取相同的質量進行布料。定容布料則采用料箱在固定容積的模具上方進行分層布料，布料過程中，原料種類、粒徑和混合料干濕程度差異均會對定容布料質量產生影響。項目參照混凝土路面磚自動生產線布料系統原理及構造，設計了定容布料專用試驗裝置，主要由料箱和?？騼刹糠謽嫵?，料箱位于?？蝽敳?，內部均設有隔板。

定容布料方法：先將攪拌好的混合料投入料箱，再推動料箱沿?？蛲鶑椭本€運動進行分層布料，單次來回布料完成后，稱量模框內部布入的物料質量m。單次試驗共布料6次，舍棄極值后，結果取平均值。

3.2 成型裝置

1）非限位成型裝置：包括抗壓強度和透水速率試樣成型裝置。其結構相同，均由外模和壓頭組成，壓頭裝配在外模內，與外模間隙配合。如圖3和圖4所示。

a)抗壓強度試樣成型裝置：外模內徑50mm，高度100mm；壓頭質量按成型試樣所受壓力不同，分2種：1#壓頭質量314g（成型壓力1.6kPa），2#壓頭質量432g（成型壓力2.2kPa）。

b)透水速率試樣成型裝置：外模內徑76mm，高度60mm；為便于對比分析，透水速率試樣與抗壓強度試樣需要在同條件下成型，因此成型壓力保持不變。1#壓頭質量726g（成型壓力1.6kPa），2#壓頭質量998g（成型壓力2.2kPa）。

圖3 抗壓強度非限位成型裝置

圖4 透水速率非限位成型裝置

2）限位成型裝置：包括抗壓強度和透水速率試樣成型裝置。其結構相同，均由外模、壓頭和配重塊組成。壓頭裝配在外模內，與外模間隙配合；壓頭設有限位臺，可以保證成型試樣的高度相同；配重塊與壓頭通過絲桿連接，可通過配重塊數量調節壓頭重量，如圖5和圖6所示。

a)抗壓強度試樣成型裝置：外模內徑50mm，高度100mm，壓頭質量314g（成型壓力1.6kPa），配重塊質量118g（成型壓力0.6kPa）。

b)透水速率試樣成型裝置：外模內徑76mm，高度53mm；為便于對比分析，透水速率試樣與抗壓強度試樣需要在同條件下成型，因此成型壓力保持不變。壓頭質量726g（成型壓力1.6kPa），配重塊質量272g（成型壓力0.6kPa）。

圖5 抗壓強度限位成型裝置

圖6 透水速率限位成型裝置

3.3 其他配套設備及裝置

1）混凝土試驗用振動臺：采用無錫建儀儀器機械有限公司生產的ZH.DG-80型電磁固定式振動臺。

2）配套裝置：主要包含不銹鋼成型底板和旋轉刮板，均為自制。

4 試驗結果及分析

4.1 布料成型裝置和方法對透水磚性能的影響

為便于比較，采用相同的透水磚配合比進行試驗：水：水泥：風積沙=0.29:1:3.33（質量比），單次布料質量均為175g。試樣成型養護28d后，參照《砂基透水磚》（JG/T 376-2012）[2]測定試樣的抗壓強度和透水速率指標。

非限位成型：將外模置于成型底板上，布料完成后，采用旋轉刮板將表面刮平，放入壓頭；啟動振動臺，計時振動成型，成型結束后，先垂直脫去外筒，再輕輕將壓頭提起。試驗過程中選用不同的成型壓力和成型時間進行試驗對比，成型壓力分1.6kPa和2.2kPa兩級，成型時間分10s、15s和20s，共三級。試驗結果如表2所示。

限位成型：將外模置于成型底板上，布料完成后，采用旋轉刮板將表面刮平，放入壓頭；啟動振動臺成型，成型時間由限位臺控制，待壓頭限位臺與外模歸位接觸后成型結束。先垂直脫去外筒，再輕輕將壓頭提起。試驗過程中選用不同的成型壓力進行試驗對比，分1.6kPa、2.2kPa、和2.8kPa，共三級，試驗結果如表2所示。

由試驗結果可以看出，采用非限位成型的試樣，其抗壓強度、透水速率和試樣高度偏差均較大，最大極差分別達到11.7MPa、0.23 mL/(min·cm2)和0.55mm；而采用限位成型的試樣，其抗壓強度、透水速率和試樣高度偏差均較小，最大極差僅為3.1MPa和0.06mL/(min·cm2)和0.08mm。主要原因是受壓頭摩擦力、布料均勻性等綜合因素影響，成型壓頭下壓到固定深度所需的時間不同。非限位成型對壓頭位置沒有限制，且采用固定的振壓時間，成型過程中必然存在過振和欠振現象。而限位成型則在壓頭接觸到裝置限位點時停止振動，有效避免了過振和欠振現象，從而實現了較小的成型偏差。

非限位成型方案（FW1～FW6）中，制品的強度和透水性能受成型壓力和成型時間影響變化較大，其中FW2抗壓強度最高,FW4透水系數最高。強度是透水磚耐壓折、防破損的核心指標，在透水系數滿足標準要求的情況下，要盡可能提高制品的強度，后續非限位成型選用方案FW2成型參數（成型壓力1.6kPa，成型時間15s）。限位成型方案（XW1～XW3）中，成型壓力和成型時間對制品性能影響不明顯，但成型壓力越大，成型所用的時間越短?？紤]與非限位成型方案的對比性，后續限位成型方案選用與FW2相同的成型壓力（1.6kPa），即方案XW1。

表2 不同成型工藝透水磚性能指標表

4.2 不同布料成型條件下水灰比對透水磚性能的影響

試驗配比：水泥：風積沙=1:3.33（質量比），水灰比分別采用0.26、0.27、0.28、0.29和0.30，共五個梯度進行對比，每個配比均采用定質量布料+非限位成型方法（DZ+FW）,與定容布料+限位成型方法(DR+XW)進行對比，并記錄布料質量，試驗結果如表3所示。

表3 不同布料成型方法下水灰比對透水磚性能影響分析

圖7 水灰比對抗壓強度影響

圖8 水灰比對透水速率影響

由圖7和圖8可以看出，布料成型方法不同，水灰比對透水磚抗壓強度和透水速率的影響規律截然相反。在定質量布料+非限位成型方法（DZ+FW）下，透水磚抗壓強度隨著水灰比增大逐漸提高，透水速率隨著水灰比增大逐漸減小。主要原因是水灰比增大，試樣流動性提高，在固定成型時間、壓力和振動條件下，試樣密實度也相應提高。在定容布料+限位成型方法(DR+XW)下，透水磚抗壓強度隨著水灰比增大逐漸減小，透水速率隨著水灰比增大逐漸提高。主要原因是水灰比增大，混合料濕度增大、粘結性提高，導致固定容積布料箱內布料質量減少（由184.2g降低到172.3g），降低了限位成型試樣的密實度。

限位成型過程中，隨著布料量增大，限位成型所需的時間逐漸延長，當布料量增大到184.2g（水灰比0.26）時，成型時間已超過1min，實際生產中效率較低。

4.3 不同布料工藝下顏料摻量對透水磚性能的影響

透水磚配合比：水：水泥：風積沙=0.27:1:3.33（質量比），顏料摻量按照風積沙質量百分比計算，分別采用0.0%、1.0%、2.0%和3.0%共四個梯度進行對比，每個配比均采用定質量布料+非限位成型方法（DZ+FW）,與定容布料+限位成型方法(DR+XW)進行成型對比，并記錄布料質量，試驗結果如表4所示。

表4 不同布料工藝及顏料摻量透水磚性能指標表

圖9 顏料摻量對抗壓強度影響

圖10 顏料摻量對透水速率影響

由圖9和圖10可以看出，布料成型方法不同，顏料摻量對透水磚抗壓強度和透水速率的影響規律截然相反。在定質量布料+非限位成型方法（DZ+FW）下，隨著顏料摻量增大，透水磚抗壓強度逐漸減小，透水速率逐漸增大。主要原因是顏料摻量提高導致混合料濕度減小、流動性變差，在固定成型時間、壓力和振動條件下，成型試樣密實度降低。在定容布料+限位成型方法(DR+XW)下，隨著顏料摻量增大，透水磚抗壓強度逐漸增大，透水速率逐漸減小。主要原因是顏料摻量提高導致混合料濕度減小、粘度降低，定容布料質量增加（由181.1g增加到183.6g），提高了限位成型試樣的密實度。

5 總結

1）與傳統實驗室階段采用的定質量布料+非限位成型方法相比，定容布料+限位成型方法更加接近規?；a線實際生產工藝，且能夠有效控制成型偏差，提高試驗結果的準確性，為產品快速研制提供了保證。

2）定質量布料+非限位成型方法試驗結果偏差較大，主要原因是受壓頭摩擦力、布料均勻性等綜合因素影響，成型壓頭下壓到固定深度所需的時間不同。非限位成型對壓頭位置沒有限制，且采用固定的振壓時間，成型過程中必然存在過振和欠振現象。

3）定容布料+限位成型方法試驗結果偏差較小，主要原因是試樣的成型高度主要由限位臺控制（生產線設備由限位傳感器控制），壓頭接觸到裝置限位點時停止振動，有效避免了過振和欠振現象，從而實現了較小的成型偏差。

4）布料成型裝置和方法不同，水灰比和顏料摻量對透水磚性能的影響規律截然相反。采用定質量布料+非限位成型方法（DZ+FW）時，透水磚抗壓強度隨著水灰比增大、顏料摻量降低逐漸提高，主要原因是水灰比增大、顏料摻量降低均會造成混合料濕度增加，試樣流動性提高，在固定成型時間、壓力和振動條件下，試樣密實度也相應提高。采用定容布料+限位成型方法(DR+XW)時，試驗規律正好相反。主要原因是混合料濕度增加后，粘度提高，定容質量減少（布料量減少），由于限位成型時試樣高度和體積不變，試樣密實度也相應減小。