再生材料透水磚強度影響因素研究

劉洋,徐學東,翟愛良

再生材料透水磚強度影響因素研究

劉洋,徐學東,翟愛良*

山東農業大學水利土木工程學院, 山東 泰安 271018

為深入分析不同因素對再生材料透水磚強度的影響，本文運用控制變量法，研究了水膠比、目標孔隙率、砂磚骨率、再生磚骨料摻量四種因素對透水磚強度的影響。結果表明：水膠比為0.32，目標孔隙率為20%，砂磚骨率為35%，骨料摻量為1104.9 kg/m3時，再生材料透水磚的抗壓強度及抗折強度最高。

再生料;透水磚; 影響因素

海綿城市是新一代城市雨洪管理概念，是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害方面具有良好的“彈性”[1]。滲、滯、蓄、凈、用、排[2]是海綿城市建設的內涵，其中“滲”尤為重要。隨著城鎮化建設的推進，城市路面硬化范圍擴大，到處都是不透水材料鋪裝，改變了原有自然生態本底和水文特征。良好的滲透性，可以避免地表徑流形成，減少從硬化不透水路面匯集到市政管網；同時，涵養地下水，補充地下水不足。使雨水滲透良好的方法主要是使用路面、地面透水鋪裝材料，使城市路面自然滲透，從源頭將雨水留下來，然后“滲”下去。海綿城市建設的重點是城市路面和道路的建設，路面材料的實質性應用應表現出優秀的滲水、抗壓、耐磨、防滑以及環保美觀等特點，當然最重要的還是要有良好的透水性和抗壓強度。

在我國各個城市的道路建設中，人行道、景觀大道、景觀路面也占有很大一部分比例，這些路面一般承擔的荷載比較小，但需要有良好的透水性能，所以這些路面比較適合用透水磚進行鋪裝。本文利用廢棄的黏土磚，經過破碎、篩分、清洗、晾曬、包漿等處理工藝，得到透水混凝土的骨料，然后將骨料經過適當的制備工藝做成透水磚。透水磚的制備及應用對于解決建筑垃圾造成的環境污染問題，以及對于改變城市在下雨時的滲水、蓄水問題，減少城市由于雨季內澇以及有效緩解城市熱島效應等方面具有重要意義，對我國未來城市發展以及人居環境改善具有長遠影響。

1 試驗材料

再生材料透水磚是由再生骨料作為粗骨料，與水泥砂漿相互粘結成均勻空隙的多孔透水性結構。透水磚的骨架是再生材料透水混凝土，由再生磚骨料、水泥砂漿膠結料、外加劑和水構成。

1.1 再生磚骨料

本試驗所用的骨料選自山東省泰安市泰山區迎勝路某居民小區拆遷產生的廢棄黏土磚。經過測定，此廢棄黏土磚的抗壓強度達到《燒結普通磚》（GB/T5101-2017）[3]MU10等級。廢棄黏土磚經過人工及顎式破碎機破碎、篩分，篩得粒徑為9.5～13.2 mm的碎磚塊。對破碎后的碎磚塊用自來水沖洗，洗去破碎過程中沾覆碎磚塊表面的灰塵和雜質，以保證在拌合成型時漿體與骨料緊密粘結。廢棄黏土磚強度低、壓碎指標高、吸水率大，在經過人工及機械破碎、清理后，制得的磚骨料表面粗糙棱角過多且內部含有大量的微裂縫，所以需對碎磚塊進行強化處理，以提高其實用性。借鑒再生混凝土骨料的強化方法，本試驗采用水泥基膠凝材料對再生磚骨料二次包漿強化的方法來提高骨料強度，包漿用的水泥漿體與拌合混凝土有相同的水膠比，以減少包漿用的水泥漿體與拌合用混凝土水膠比的不同帶來的誤差。在試驗前48 h，用與拌和混凝土水膠比相同的水泥漿對處理好的再生磚骨料進行包漿強化處理，試驗前24 h，相同的方法對再生磚骨料進行二次包漿強化處理，以提高再生磚骨料強度[4]。廢棄黏土磚內部吸水性極強，為了不讓再生磚骨料在混凝土拌合過程中吸取水泥水化所需要的水分，在二次包漿強化時使骨料達到飽和面干狀態，確保水泥水化充分。為使骨料包漿漿膜厚度均勻，達到強化目的，應先將水泥和水攪拌均勻，在投入飽和面干的骨料進行包漿強化處理。制備工藝過程如圖1所示，強化處理后的再生磚骨料基本物理性能如表1所示。

圖1 再生磚骨料制備工藝過程

表1 再生磚骨料基本物理性能指標

1.2 其他試驗材料

中砂：粒徑為0.35～0.5 mm、細度模數2.3～3.0的中砂，作為再生材料透水磚的細骨料，主要起到提升透水磚力學性能的作用。中砂的基本物理性能指標主要體現在細度模數、堆積密度、表觀密度、堅固性指標、壓碎指標等方面。根據相關的標準試驗方法，對中砂的各項基本物理性能進行測定，性能指標如表2所示。

表2 中砂基本物理性能指標

水泥：本試驗選用泰山中聯水泥有限公司生產的P·C 42.5普通硅酸鹽水泥，經相關標準試驗方法測定，其密度3.03 g/cm3，28 d抗壓強度54.5 MPa。

水：本試驗混凝土拌合用水選用符合JGJ63-2006《混凝土拌合用水標準》的自來水。

2 試驗方法

2.1 配合比設計

本試驗采用9.5～13.2 mm單一粒徑的再生磚骨料，采用控制變量法，研究水膠比、目標孔隙率、砂磚骨率、磚骨料摻量四種因素對再生材料透水磚的力學強度影響，試驗配合比如表3所示。

表3 再生材料透水磚試驗配合比

與傳統的普通混凝土配合比設計方法不同，組成本透水磚的透水混凝土要考慮到成型后的透水性能和強度問題，傳統的普通混凝土配合比設計主要考慮強度方面的影響，所以綜合以上方面的考慮，本再生材料透水磚配合比設計選用體積法。體積法是先通過骨料緊密堆積密度和表觀密度計算出再生磚骨料的空隙率，然后再人為規定一個合理的目標孔隙率和水膠比，通過確定的公式計算出單位體積混凝土中其他材料的用量，即粗骨料體積+膠結漿體體積+目標孔隙率=1[5]。

2.2 再生材料透水磚的制備

考慮到再生材料透水磚實用性和試驗室試驗條件，本文將制備兩種尺寸規格的透水磚：試塊一240×115×53 mm；試塊二150×150×50 mm。

由于再生磚骨料內部吸水性較強，為防止拌合物在攪拌過程中骨料吸收拌合用水，此拌合用水只用于水泥水化，所以在攪拌之前對再生磚骨料進行浸泡處理，使骨料達到內部水飽和而外部無水的飽和面干狀態，浸泡后的骨料用干布擦干或者自然風干表面。

將水泥、硅粉、減水劑、砂拌合均勻，然后加入水，人工攪拌約60 s，得到水泥砂漿，再加入強化處理后的飽和面干再生磚骨料，攪拌約120 s，可視拌合物的表觀狀態適當加入減水劑和延長攪拌時間。實驗中拌合物量少可采用人工攪拌，在量大則采用低速攪拌機攪拌。普通混凝土試塊一般采用機械振動密實成型的方法，但由于考慮到再生材料透水磚具有多孔結構的特殊性，且骨料之間主要依靠表面水泥粘結成型，如果采用傳統的機械振動的方式進行試塊的密實，會引起水泥砂漿沿骨料表面的流失，甚至會引起沉漿現象，會嚴重影響成型后透水磚的力學性能及透水性能。所以本試驗拌合物入模采用分批次填料，即分3層填料、每層人工插搗密實的成型工藝，結果表明此工藝試驗效果最好，得到了骨料表面被膠結漿體均勻包裹且表面有金屬光澤的透水磚。所以本試驗將上述拌合好的再生磚骨料拌合物分3次填入模具中，并每層用鐵棍由外及內插搗25次密實成型。

2.3 再生材料透水磚的養護

再生材料透水磚骨料之間的孔隙比普通混凝土試塊要大，且水泥砂漿較少，這就導致透水磚的早期強度較低，再采用普通混凝土試塊的養護及拆模方法，會導致透水磚邊角的骨料脫落或整體性松散破壞。本試驗采用透水磚密實成型后，連同模具一起送入相對溫度20±2 ℃、相對濕度95%的標準養護室，養護48 h拆模的方法，并且拆模后繼續送至標準養護室養護至28 d齡期。經標準養護后成型的再生材料透水磚如圖2所示。

圖2 成型的再生材料透水磚

2.4 試驗方法

抗壓強度試驗方法根據GB/T 50129-2011《砌體基本力學性能試驗方法標準》[6]進行測試，抗折強度試驗方法根據GB/T 25993-2010《透水路面磚和透水路面板》[7]進行測試。

3 試驗結果與分析

3.1 水膠比對再生材料透水磚強度的影響

水膠比是配制混凝土時用水量和膠凝材料用量的質量比。水膠比影響透水混凝土的漿膜厚度和水泥砂漿的凝聚結構，在組成材料給定的情況下，水膠比是決定透水混凝土強度的主要因素[8]。本試驗所制備的再生材料透水磚的組成材料即為透水混凝土，所以水膠比決定透水磚強度的主要因素，將直接影響透水磚的性能，是配合比設計中一個重要的環節。本試驗選用表3中A1～A4四組配合比進行試驗。

水膠比對兩種規格透水磚的28 d抗壓強度和抗折強度的影響如圖3所示。

圖3 水膠比對抗壓強度和抗折強度的影響曲線

由圖3可知，隨著水膠比的增大，兩種規格再生材料透水磚的28 d抗壓強度、抗折強度都呈現下降的狀態。當水膠比從0.3增大到0.36時，兩種規格透水磚的抗壓、抗折強度均呈現下降狀態，這是由于隨著水膠比的增大，混凝土拌合用水量逐漸增多，用水量已超過水泥水化所需要的水分，水泥水化充分以后，多余的游離水在水泥砂漿中移動形成毛細孔，增大了對強度不利的弱界面效應，與此同時，過大的水膠比使得水泥砂漿的流動性增大，在入模成型時，部分漿體流到透水磚底部，出現“沉漿”現象，導致透水磚上部包裹在骨料表面的漿膜厚度變薄，從而使透水磚強度變小。由于抗壓強度主要由水泥石承擔，抗折強度主要由再生磚骨料承擔，而水泥石的強度遠大于再生磚骨料的強度，所以抗壓強度大于抗折強度。從圖3可以看出，規格一透水磚的抗壓強度要略小于規格二透水磚，這是因為規格二透水磚表面積及體積偏小，所以其抗壓強度略微偏高。

綜上所述，當水膠比為0.30時，兩種規格的透水磚的抗壓、抗折強度均達到最大值。規格一透水磚抗壓、抗折強度分別為：14.30 MPa、5.01 MPa，規格二透水磚抗壓、抗折強度分別為：15.20 MPa、4.89 MPa。

3.2 目標孔隙率對再生材料透水磚強度的影響

目標孔隙率是制備再生材料透水磚的透水混凝土區別于普通混凝土的重要指標，也是透水磚進行體積法配合比設計的重要參數。透水磚內部的孔隙包括封閉孔隙和有效孔隙（連通孔隙及半連通孔隙），有效孔隙是影響透水磚強度的重要因素，由于目標孔隙率要大于有效孔隙率，當有效孔隙率高于10%時，透水混凝土就能保證透水性能[9]，特設定目標孔隙率在20%～26%之間，在保證其透水性能的前提下研究目標孔隙率對兩種規格透水磚強度的影響，本試驗選用表3中的B1～B4四組配合比進行試驗。目標孔隙率對兩種規格透水磚的28 d抗壓強度和抗折強度的影響如圖4所示。

由圖4可知，隨著目標孔隙率的增大，兩種規格透水磚的抗壓強度和抗折強度均呈現下降趨勢，且基本成線性下降狀態，呈負線性相關性。這是由于透水磚的強度主要來源于骨料之間的水泥砂漿的粘結力和凝固后水泥石的強度，而目標孔隙率的增大是由水泥砂漿膠凝材料的減少實現的，膠凝材料的減少使得包裹在骨料表面的漿膜厚度變薄，骨料之間的粘結面積變小，從而導致粘結力變小，透水磚成型后包裹骨料的水泥石強度較低，最終導致透水磚的強度降低。為滿足實際工程的需要，透水磚的強度不應低于12 MPa，則目標孔隙率不宜高于24%，取20%最為合適。

圖4 目標孔隙率對抗壓強度和抗折強度的影響曲線

綜上所述，目標孔隙率為20%時，240×115×53 mm規格的透水磚抗壓、抗折強度分別為：13.77 MPa、3.92 MPa，150×150×50 mm規格的透水磚抗壓、抗折強度分別為：14.69 MPa、3.49 MPa。

3.3 砂磚骨率對再生材料透水磚強度的影響

砂磚骨率是混凝土中砂的質量占砂和粗骨料總質量的比值。砂磚骨率的變動，會使顯著改變骨料總表面積，從而影響混凝土拌合物的和易性。當采用合理砂磚骨率時，在用水量和水泥用量一定的情況下，能使混凝土拌和物獲得最大的流動性且能保持良好的粘聚性和保水性。細骨料中砂的使用可以填充在再生磚骨料的孔隙間，起到加強透水磚強度的作用。本試驗在預實驗和前人工作的基礎上，選取合理砂磚骨率范圍為25%～40%。本試驗選用表3中的C1～C4四組配合比進行試驗。

砂磚骨率對兩種規格透水磚的28 d抗壓強度和抗折強度的影響如圖5所示。

由圖5可知，兩種規格再生材料透水磚的抗壓、抗折強度隨著砂磚骨率的增大，呈現先上升后下降的趨勢，均存在最值點。當砂磚骨率從25%增大到35%時，透水磚的強度均隨砂磚骨率的增大而變大，這是因為不斷增大砂磚骨率填充了透水磚粗骨料和水泥漿的空隙，使透水混凝土的和易性、粘聚性和密實度不斷提升，從而使得成型后的透水磚抗壓、抗折強度不斷提高。當砂磚骨率增大到35%最值點時，兩種規格的透水磚的強度均達到最大值，砂磚骨率再繼續增大，透水磚強度呈下降狀態，因為砂磚骨率超過一定值，骨料的比表面積增大，骨料表面就需要更多的水泥漿來包裹，砂磚骨率的增大使包裹粗骨料表面的水泥漿減少，在一定程度上降低了透水混凝土的和易性以及粘聚性[10]，導致成型后的透水磚抗壓、抗折強度降低。

a.試塊一抗壓、抗折強度 b.試塊二抗壓、抗折強度

綜上所述，為保證透水磚的強度，砂磚骨率取35%最為合適，此時兩種規格透水磚的抗壓、抗折強度最高，240×115×53 mm規格的透水磚抗壓、抗折強度分別為：16.25 MPa、5.97 MPa，150×150×50 mm規格的透水磚抗壓、抗折強度分別為：16.15 MPa、5.21 MPa。

3.4 再生磚骨料摻量對再生材料透水磚強度的影響

本試驗選用破碎后的黏土磚塊作為粗骨料，成型后的再生材料透水磚的強度一方面來自粘結骨料的水泥石的強度，另一方面來自再生磚骨料，所以再生磚骨料的摻量對透水磚的強度有很重要的影響。經過前期預實驗，確定本組試驗再生磚骨料摻量范圍為1074.9 kg/m3～1164.9 kg/m3。本試驗選用表3中的D1～D4四組配合比進行試驗。

再生磚骨料摻量對兩種規格透水磚的28 d抗壓強度和抗折強度的影響如圖6所示。

圖6 再生磚骨料摻量對抗壓強度和抗折強度的影響曲線

由圖6可知，隨著再生磚骨料摻量的增多，兩種規格透水磚的抗壓、抗折強度均呈現先增大后減小的趨勢。當骨料摻量從1074.9 kg/m3增加到1104.9 kg/m3時，透水磚強度也隨之上升，因為在骨料摻量較小時，水泥砂漿的量相對骨料的摻量來說較多，流動性較大，在骨料表面形成的包裹層較薄且不均勻，在透水混凝土入模成型時一部分水泥砂漿流到透水磚底部，形成“沉漿”現象，導致透水磚后期強度較低，但隨著骨料摻量的增加，當達到1104.93 kg/m3時，由于本試驗采用的控制變量法，水泥砂漿總量不變，相對此時的骨料摻量來說達到一種最優配比，在骨料表面形成厚度均勻的包裹層，透水磚的強度也達到最佳狀態。當骨料摻量繼續增加，透水磚強度出現下降狀態，是因為水泥砂漿的總量不足以包裹如此多的骨料，使包裹層變薄，進而導致透水混凝土拌合物均勻性、流動性變差，造成透水磚強度降低。

綜上所述，當再生磚骨料摻量為1104.9 kg/m3時，兩種規格透水磚的抗壓、抗折強度最高，240×115×53 mm規格的透水磚抗壓、抗折強度分別為：16.94 MPa、6.10 MPa，150×150×50 mm規格的透水磚抗壓、抗折強度分別為：16.25 MPa、6.06 MPa。

4 結 論

（1）控制變量的運用，對影響再生材料透水磚強度的因素得出了最佳數值。當水膠比為0.3、目標孔隙率為20%、砂磚骨率為35%、再生磚骨料摻量為1104.9 kg/m3時，透水磚的強度最高。

（2）水膠比是影響再生材料透水磚的重要因素。存在一個峰值0.3，此時透水磚的強度最高，即為最優水膠比；

（3）目標孔隙率是影響再生材料透水磚強度的另一個重要因素。隨著目標孔隙率的增大，透水磚的強度不斷下降，但考慮到工程的實際應用問題，目標孔隙率不宜高于24%，取20%最為合適，此時強度最高；

（4）隨著砂磚骨率的不斷增大，再生材料透水磚的強度呈先增大后減小的趨勢。當砂磚骨率達到35%的最優砂磚骨率時，透水磚的強度最高，此時的透水混凝土的和易性、粘聚性、密實度最佳。

[1] 國家住房和城鄉建設部.海綿城市建設評價標準GB/T51345-2018[S].北京:中國建筑工業出版社,2018

[2] 中華人民共和國水利部.關于印發推進海綿城市建設水利工作的指導意見的通知（水規劃[2015]321號）[Z].北京: 中華人民共和國水利部,2015

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[7] 國家質量監督檢驗檢疫總局.透水路面磚和透水路面板GB/25993-2010[S].北京:中國建筑工業出版社,2011

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[11] 盧琦淮,陳益.再生骨料混凝土強度影響試驗[J].福建建筑,2013(2):59-61,88

Study on the Influencing Factors on the Strength of Permeable Bricks with Recycled Material

LIU Yang, XU Xue-dong, ZHAI Ai-liang*

271018,

To analyze fully the effects of different factors on the strength of recycled material permeable brick, this paper used the control variate method to explore the influences of water-cement ratio, target porosity, sand ratio, and recycled brick aggregate content on the strength of permeable bricks. The results showed that when the water-cement ratio was 0.32, the target porosity was 20%, the sand ratio was 35%, and the aggregate content was 1104.9 kg/m3, the compressive strength and flexural strength of the recycled material permeable brick were highest.

Recycled materials; permeable brick; influencing factors

TU522.1+9

A

1000-2324(2021)03-0509-06

2020-11-05

2021-03-25

山東省重點研發計劃項目(2017GNC14101)

劉洋(1990-),男,碩士研究生,專業方向:工程結構與新材料. E-mail:1943629152@qq.com

Author for correspondence. E-mail:zhaial@sdau.edu.cn