透水再生骨料的制備及其性能研究

孫 號

（廣州大學風工程與工程振動研究中心，廣東 廣州 510006）

作為一種新型的道路材料，透水再生骨料是使用再生材料按特殊的顆粒級配和成型工藝生產的[1]，能滿足廢棄物的循環利用，使用再生骨料可以節省建材，還能緩解建筑垃圾存放造成的污染問題，同時透水磚在緩解“熱島效應”、減少暴雨災害以及補充地下水位等方面有較大優勢[2-3]。

為進一步提升透水材料的性能，通過調整骨膠比、摻和物、集料粒徑和級配等方式[4]，可以制備符合要求的透水材料[5]。該文的試驗在保證透水材料抗壓強度達標的前提下，努力提升其透水性能，對建設海綿城市具有重要意義[6]。該文基于透水材料的最佳配比設計，進一步分析了不同骨膠比、粉煤灰以及粗細骨料體積摻和比對透水材料性能的影響[7]，為工業固廢的資源化利用提供理論和技術支撐。

1 試驗概述

1.1 配合比

正交試驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表

1.2 正交試驗設計

正交表是一種特殊的表格，其構造遵循搭配均勻、散布均衡的規律。該文的研究采用了三因素、三水平的正交表進行試驗設計，以探究水泥基透水材料的性能。再生骨料透水磚研究部分將探究顆粒級配比、骨膠比和粉煤灰摻量3種因素對再生骨料透水材料性能的影響，各因素又分別受3個水平因子影響。通過查閱相關文獻并對該文材料進行經驗總結[8]，再生骨料采用粒徑為4.75mm～9.5mm、2.35mm～4.75mm、1.16mm～2.35mm，比值為4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0，骨膠比的取值為2.8、3.2、3.6，粉煤灰摻量取值為30%、40%、50%。

用體積法計算再生骨料透水材料的配合比設計，按正交表進行9次試驗配比，見表2。

表2 透水再生骨料正交試驗配合比

2 結果與分析

該文試驗選用P·O52.5水泥配制的透水磚，具體試驗結果及性能分析如下。

2.1 抗壓強度性能分析

進行9次試驗配比，骨膠比的取值為2.8、3.2、3.6；粉煤灰摻量取值為30%、40%、50%；骨料采用再生骨料粒徑比值為4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0，測試相應的抗壓強度，見表3、表4。

表3 透水再生骨料抗壓強度結果

表4 透水再生骨料抗壓強度極差分析（MPa）

從極差的結果可以得出，透水材料的強度受各種因素的影響，對其影響程度由大到小依次為骨膠比、骨料級配和粉煤灰摻量[9]。對于抗壓強度，最佳配合比為骨料級配4∶4∶2，骨膠比2.8，粉煤灰摻量30%。為了更直觀地分析各因素對再生骨料透水混凝土抗壓強度的影響趨勢，該文制作了因素趨勢圖，具體如圖1所示。

圖1 各因素對再生透水磚抗壓強度影響趨勢圖

由圖1（a）可知，當粗骨料增加時，透水磚隨著孔隙的增加，粗骨料顆粒間的接觸點減少，傳遞和分散外力的能力減弱，骨料之間的粘結點承受壓力增加，結構被損壞，強度降低。當粗骨料含量增加到80%時，細骨料含量不多，顆粒之間缺乏細骨料的橋梁作用，不能有效傳遞外力。因此，隨著粗骨料含量的增加，抗壓強度大幅下降。

由圖1（b）可看出，增加骨料與粘結劑的比例可以減少膠凝劑的用量、減少骨料包漿的厚度、降低骨料之間結合點的強度并降低外力抵抗的能力，導致機械性能變差。膠凝材料可以減少骨料之間的摩擦。相對較小的骨膠比可以減少骨料之間的摩擦，壓實骨料，增加結合點，提高抗壓強度。隨著骨膠比的增加，骨料顆粒之間的摩擦力增加，間隙空間增加，抗壓強度隨之下降。

由圖1（c）可看出，透水磚抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加而降低。微觀方面，粉煤灰水化作用主要是與水泥水化產物Ca（OH）2出現火山灰反應，在28d在標準養護條件下，初始階段的大部分粉煤灰實際上沒有參與水化反應，只是表面損壞，內部活性物質幾乎沒有溶解，粉煤灰中的SiO2和Al2O3幾乎不參與水化反應。隨著粉煤灰摻量的增加，水泥用量減少，水泥水化產物減少，進一步降低了試件的強度。

2.2 透水性能分析

探究不同因素對再生骨料透水系數的影響，共分為9組，骨膠比的取值為2.8、3.2、3.6；粉煤灰摻量取值為30%、40%、50%；骨料采用再生骨料粒徑比值為4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0，測試相應的透水系數，見表5、表6。

表5 再生骨料透水系數結果

表6 再生骨料透水系數極差分析（10-2cm/s）

根據極值差結果可知，各種因素對再生骨料制成的透水磚的影響從大到小依次為級配最重要，骨膠比次之，最后是粉煤灰摻量，其中骨料級配的最佳透水率為8∶2∶0，骨膠比是3∶6，粉煤灰為30%，摻入30%的粉煤灰是最佳的。

各因素對再生透水磚透水系數影響趨勢如圖2所示。

圖2 各因素對再生透水磚透水系數影響趨勢圖

由圖2（a）可得，增加粗骨料的含量，細骨料比例減少，透水磚中的孔隙率增加。當粗集料含量達到80%時，需要較多粒徑為1.16mm～2.35mm的細骨料填充，骨料之間的孔隙率變大，孔隙不易被填充，透水磚內部孔隙呈現大而多的特點，連通孔隙更容易形成，因此表現出更好的透水性能。

由圖2（b）可得，隨著骨膠比增大，透水系數升高。骨膠比對透水系數影響較顯著，隨著骨膠比的增加，減少膠凝材料的比例，骨料包漿的厚度不大，孔隙中的膠凝材料數量減少，顆粒之間的摩擦力增加，顆粒不易發生移動，可以形成更大的孔隙，孔隙由大量細槽連接，形成許多相互連接的孔隙，滲透性增加。

由圖2（c）可得，增加粉煤灰的摻量，透水系數逐漸降低，但影響不大。粉煤灰的密度比水泥低。等量替換后，膠凝材料的含量增加，骨料包漿的厚度增加，影響了連通細槽的形成。粉煤灰具有“滾珠效應”，有助于減少混合料摩擦，提高懸浮液的流動性。懸浮液和細骨料容易填充孔隙，因此透水磚的密度變大，降低了透水磚的透水系數。

2.3 最佳試驗組合

強度和透水系數綜合分析圖如圖3所示，對最佳組合方案進行研究，見表7。

圖3 各因素對透水磚性能影響趨勢圖

表7 最優配合比

3 結論

首先，粉煤灰摻量對透水磚也有很大影響。粉煤灰作為細小的骨料，填補了微孔，改善了透水磚的壓實度。同時，粉煤灰具有滾珠效應，可以增加混合物的流動性，減少骨料之間的摩擦，增加透水磚密實度并增加其強度。

其次，在微觀結構上，增加粉煤灰的用量對強度有負面影響，而在宏觀上，增加粉煤灰的用量有利于提高透水磚的強度。在微觀層面上，粉煤灰的用量對透水磚的性能有較大影響，因此上述透水磚會因粉煤灰的添加量而有所不同。

最后，通過試驗得出最優的組合方案，即級配比為6∶3∶1、骨膠比為3.2、粉煤灰摻量為0.3。按照最佳方案進行多次試驗，調整配合比后制備的再生透水材料抗壓強度為43.27MPa，透水系數為2.7×10-2cm/s。