全重礦渣集料水泥基透水磚配合比優化研究

陳偉 吳超 劉安超

（貴州瑞泰實業有限公司，貴州 六盤水 553000）

目前國內對渣集料水泥基透水磚的研究還處于起步階段，雖然在理論上已經進行有效驗證，但是在實際應用、生產和向市場推進過程中還存在不成熟因素。透水磚作為一種新型的建筑材料，具有良好的透水、透氣性能，能迅速將雨水排到土壤中，補充地下水，改善城市土壤條件，提高城市道路的防洪排水能力，但市場上很多透水磚強度較低，實際應用容易發生破損，且透水能力也有待加強。目前市場上大部門透水磚都是以天然砂石作為制備原材料，重礦渣透水磚由于研究水平不足，在市場中占據的份額非常小。

1 重礦渣集料的性能研究

本文采用首鋼水鋼集團公司煉鐵后形成的兩種規格的集料進行性能研究，集料規格分別為1～5mm重礦渣砂和3～10mm重礦渣碎石，篩分結果和化學成分如表1、表2所示。

表1 集料篩分表（%）

篩孔 16.0 132. 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 1～5mm 100 100 98.3 74.2 38.3 21.8 12.2 7.8 0.6 0.6 3～10mm 100 100 99.7 30.8 6.6 3.0 2.4 0.1 0.1 0.1

表2 重礦渣化學成分表（%）

類別 SiO2 CaO Al2 O3 Mgo Fe2O3 K2 O Na2O SO3 MnO 燒失量重礦渣36.68 42.07 13.96 2.90 0.67 0.94 0.90 1.06 0.56 0.26

通過分析結果可知，本文選用重礦渣具有良好的體積穩定性、堅固性和壓碎指標，并且吸水能力優于天然砂石，將其作為原材料制備透水磚的可行性較高。

2 重礦渣透水磚配合比初步設計

2.1 實驗材料

集料：高爐煉鐵產生高爐渣自然冷卻并破碎后形成的規格為1～5mm重礦渣砂和3～10mm重礦渣碎石；水泥：P·II52.5水泥；硅灰：比表面積15000～20000m/kg，粒徑0.1～0.3μm；聚羧酸高效減水劑：減水率18%。

2.2 配合比實驗目標和實驗流程

實驗目標：制備全重礦渣集料水泥基透水磚，透水磚設定抗壓強度達到30MPa，劈裂強度達到4.0MPa，透水系數（15℃）≥2.0×10cm/s。

實驗方法：體積法。

實驗流程：①確定不同集料的實驗體積用量；②通過重礦渣集料表觀密度計算添加材料用量；③制備水泥砂漿，并結合水膠比得出水泥用量。

集料和添加材料種類及詳細設計參數如表3所示，制備透水磚最終配合比數據如表4所示。

表3 原材料種類和設計參數

種類 項目 設計參數原材料參數1～5mm重礦渣砂P·II52.5水泥聚羧酸高效減水劑3～10mm重礦渣碎石表觀密度ρso=2730kg/m3表觀密度ρb=3100kg/m3密度ρ=1210kg/m3表觀密度ρg=2557kg/m3設計參數水膠比設計參數集料用量集料吸水量凈漿體積水泥用量水用量總用水量減水劑用量w/c=0.26 V1=0.10，V=0.325.Vs=0.325 Gg=0.325×2557=831kg/m3 Gs=0.325×2730=887kg/m3 W=831×8.85%+887×6.24%=129kg Vj=1-V1-Vs-Vg=0.25 Gb=0.25/（1/3100-0.26/1000）=429kg/m3 Gw=429×0.26=112kg/m3 WZ=129+112=241kg/m3 G=429×0.08=3.4kg/m 3

表4 透水磚最終配合比數據

材料/（kg/m3） 水泥 水 碎石 砂 減水劑 水膠比數量429 241 831 887 3.4 0.26

3 性能檢測

將以上述配合比進行制備的透水磚試樣按標準進行養護，并對其綜合性能進行檢測，檢測項目包含力學性能、保水性、抗凍性和耐磨性。具體檢測方法如下。

1）力學性能檢測。采用DYE-2000型壓力試驗機對完成制備的透水磚試樣進行劈裂抗拉強度和抗壓強度的測試。在測試透水磚試樣的抗壓強度時，將試樣放置在壓力試驗機的中心位置，將荷載加載速度設為0.5～0.7MPa/s，直到透水磚試樣發生破損，得到透水磚的抗壓強度。劈裂抗拉強度和抗壓強度的測試方法非常相似，主要區別是在進行劈裂抗拉強度測試時會在透水磚試樣下方與壓力機壓板間和上表面與壓力機壓板之間相同位置分別方式一塊墊條，使透水磚試樣能沿條形切面劈裂，使壓力試驗機能準確記錄劈裂透水磚所需力值，進而得到柔水轉的劈裂抗拉強度。

2）保水性。取三塊經過標準養護后的透水磚試樣，記錄透水磚的長寬參數，計算試樣上表面積（A）。將透水磚試樣放入105±5℃烘箱內烘干到恒重（m1），后將烘干箱溫度降至常溫，將試樣取出豎直放置在溫度為20±10℃蒸餾水容器內浸泡24h，試樣需完全浸入水面下。到達試驗時間后，將透水磚試樣豎直取出并快速擦除表面殘留水分，隨即對其進行稱重，得到吸水后透水磚的重量（m2）。

則透水磚的保水性B計算公式為：

3）抗凍性。將五塊透水磚在20±10℃水中浸泡24h后，擦除試樣表面殘留水分，隨后在-15℃環境中凍結5h，再將其在20±10℃水中浸泡2h，重復此步驟共25次。透水磚的抗凍性計算公式為：

其中△R表示透水磚抗壓強度損失率，%；R表示透水磚抗壓強度，MPa；R表示透水磚在經過凍融試驗后的抗壓強度，MPa。

經過試驗后發現采用該配合比制備的重礦渣集料水泥基透水磚的強度、保水性、抗凍性能均達到設計標準，但力學性能和透水能力都有不足，這兩項指標會直接影響透水磚的應用效果，因此，應作為研究重點進行優化。

4 配合比優化研究

4.1 硅灰比例對透水磚性能的影響

在保持其他原材料配合比不變的情況下，將部分水泥用硅灰代替，此方式能在一定程度上改善透水磚強度不足的問題，且透水磚的強度會隨著硅灰用量的增加發生變化。實驗表明，當利用硅灰代替原材料中的水泥時，當替代用量在0～5%范圍內，透水磚強度會隨著硅灰用量的增加而不斷變大，最大增長值為29.3MPa，透水性能也有小幅度上漲。這主要是因為硅灰能使水泥早期水化時間縮短，使透水磚早期強度得到提升。但當硅灰替代用量超過5%后，透水磚強度和透水性能大幅下降，主要是因為加入原材料中的硅灰超量，未能與其他材料進行充分反應，并且水泥用量減少，使透水磚整體強度降低。因此，硅灰代替水泥的最佳用量為5%。

4.2 水膠比對透水磚性能的影響

通過調整原材料水膠比，發現透水磚強度會隨著水膠比的降低而逐漸變大，但在水膠比達到一個波谷后，透水磚強度會逐漸恢復原有數值。實驗表明，當水膠比從原始數據0.26逐漸降到0.23后，透水磚達到強度峰值，最大增長值為34.7MPa，劈裂強度為4.35MPa，透水性能沒有受到明顯影響。但是當繼續降低水膠比后，透水磚強度會逐漸恢復到原有水平，因此，全重礦渣集料水泥基透水磚最佳水膠比可確定為w/c=0.23。

4.3 孔隙率和礦石比對透水磚性能的影響

該項實驗中保持凝膠材料用量一致，水膠比選用w/c=0.23最佳配比數值，重礦渣砂石體積比例保持1∶1固定不變，發現透水磚綜合性能會隨著空隙率的變化而發生改變。實驗表明，設計空隙率越大，透水磚透水能力越強，當整體強度會不斷下降。當將設計空隙率增加到13%時，透水磚透水系數達到2.2×10cm/s，28d抗壓強度達到31.8MPa，劈裂強度達到4.11MPa，各項參數均達到實驗目標。因此，全重礦渣集料水泥基透水磚的最佳設計空隙率為13%。

通過綜合以上實驗數據，確定優化后的全重礦渣集料水泥基透水磚配合比為：硅灰21kg/m，水膠比0.23，設計空隙率13%，3～10mm重礦渣碎石831kg/m、15mm重礦渣砂887kg/m，水228kg/m，聚羧酸高效減水劑3.4kg/m。

同時，以優化后的配合比對不同砂石體積制備下的透水磚性能進行綜合測試，發現透水磚的保水性能會隨著集料中重礦渣碎石比例的增加而變大，但是透水磚的力學性能會隨之下降。實驗表明，若以保證重礦渣透水磚的力學性能和保水性能作為核心因素，當砂石體積比達到1∶1時，重礦渣透水磚的綜合性能最好。

4.4 經濟效益影響

目前市場中常見的碎石透水磚的生產成本約為每立方450元，在采用優化后的全重礦渣集料水泥基透水磚配合比后，透水磚生產成本降至每立方350元。由此可見，此方式能有效提高生產企業的經濟效益。

5 實驗結果分析

1）本文采用的重礦渣具有良好的體積穩定性、堅固性和壓碎指標，并且擁有比天然碎石更好的吸水能力和孔隙率，將其作為生產原料制備透水磚具有高度可行性。

2）通過分析數據發現，原有配合比下制備的透水磚雖然在強度、保水性、抗凍性和耐磨性能上符合設計要求，但對透水磚綜合性能產生直接影響的透水性能和強度均不合要求。因此，采用實驗對原材料中的硅灰、水膠比和空隙率進行調整和優化，得到全新全重礦渣集料水泥基透水磚配合比。優化后的配合比如表5所示。

表5 優化原材料設計參數

種類 項目 設計參數原材料參數聚羧酸高效減水劑（kg/m3）3～10mm重礦渣碎石（kg/m3）P·II52.5水泥（kg/m3）1～5mm重礦渣砂（kg/m3）3.4 739 408 846設計參數水膠比空隙率（%）硅灰（kg/m3）水（kg/m3）w/c=0.23 13 21 222

以優化后配合比進行制備的透水磚綜合性能表現為：28d抗壓強度為31.8MPa，劈裂強度為4.11MPa，透水系數（15℃）為2.4×10cm/s、保水性為0.7g/cm、磨坑深度為24mm以及抗凍性是14.6%，各項指標均符合設計要求。

3）利用全重礦渣集料制備的透水磚能比常規碎石透水磚節省更多施工成本，對施工企業來說，具有更顯著的經濟效益。