以再生建筑混凝土為骨料制備透水磚

薛 俊，劉 軍，季明旭，鄒志鵬，石和彬，曹 宏,*

(1.武漢工程大學(xué)材料學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.重慶暄潔環(huán)保產(chǎn)業(yè)(集團(tuán))股份有限公司，重慶 400039)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程加快，現(xiàn)代城鎮(zhèn)到處都為混凝土所覆蓋，人行道、停車場(chǎng)也都鋪設(shè)了普通混凝土或天然石材板塊.這些板塊的共同特點(diǎn)是不透水、吸熱，不透水阻斷了自然降水與土層的聯(lián)系，影響植被生長(zhǎng)，在雨天又可能造成地表積水影響行走與安全.而吸熱則加劇了城市的“熱島效應(yīng)”.因此，越來越多的地方開始采用透水混凝土制備的板塊——透水磚，鋪設(shè)人行道[1-5].國(guó)家也制訂了透水磚的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6].道路和建筑物拆除會(huì)產(chǎn)生大量廢舊混凝土，目前的處置方式基本上都是運(yùn)到垃圾填埋場(chǎng)堆埋.我國(guó)正處于高速發(fā)展的大建設(shè)期，每年產(chǎn)生的廢舊混凝土數(shù)以億計(jì)，侵占了大量的土地資源，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響.國(guó)外在上世紀(jì)八十年代就已開始將廢舊混凝土破碎、分級(jí)后作為再生骨料使用[7]，更是從結(jié)構(gòu)、性能、添加比例等方面進(jìn)行了較廣泛研究[8-11]，其中也有用于制備混凝土磚塊的報(bào)道[12]，國(guó)內(nèi)近年也有了不少研究論文[13-15].利用再生混凝土作為骨料制備透水磚方面，已有一些文獻(xiàn)報(bào)道.比如，嚴(yán)捍東用粒徑5.0～31.5 mm連續(xù)級(jí)配的再生骨料制備了透水磚，其指標(biāo)達(dá)到了人行道鋪設(shè)要求[16]；歐小燕等對(duì)比了天然頁巖骨料和再生骨料制備的彩色透水磚的性能，認(rèn)為后者的強(qiáng)度基本沒有下降，也既是再生骨料可以替代天然頁巖[17].筆者用1.18～9.5 mm粒徑的再生集料制備了透水磚，研究了級(jí)配、骨灰比、水灰比、砂率和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)其性能的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

筆者所用主要原料列于表1，其中的骨料來自某拆遷工地，為建筑物廢舊混凝土剔除鋼筋、破碎、篩分后所得.實(shí)驗(yàn)中僅使用了粒徑介于1.18～9.5 mm之間的部分，并將其篩分成為3部分：細(xì)粒(1.18～2.36 mm)、中粒(2.36～4.75 mm)和粗粒(4.75～9.5 mm)，將三者按一定質(zhì)量比摻和就構(gòu)成了不同級(jí)配.所用再生混凝土骨料的物理性能列于表2.表中還列出了同粒級(jí)天然石灰?guī)r骨料的物理性質(zhì)，可以看到再生混凝土的力學(xué)性能明顯劣于新骨料.

表1 試驗(yàn)用原料與試劑

表2 再生骨料與天然骨料的物理性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

透水磚的主要性能指標(biāo)包括：強(qiáng)度、透水性和保水性.當(dāng)原料確定后，影響這些性質(zhì)的主要因素包括：骨料級(jí)配、骨灰比、砂率、水灰比和養(yǎng)護(hù)制度等，而且影響因素之間又存在交互作用.為探討它們對(duì)透水磚性能指標(biāo)的影響，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案如表3所示.整個(gè)試驗(yàn)分為四組：第Ⅰ組旨在探討骨灰比-骨料級(jí)配的影響；第Ⅱ組旨在探討水灰比-骨料級(jí)配的影響，且第Ⅰ組以中粒骨料為主，第Ⅱ組以粗粒骨料為主；第Ⅲ組探討砂率的影響；第Ⅳ組探討蒸養(yǎng)時(shí)間的影響.在表3所有的配方中均加入了水泥用量0.8%的減水劑.

表3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

透水磚制備和檢測(cè)步驟如下：①稱量.按表3設(shè)計(jì)的配比稱量原料；②拌和.將稱量好的再生骨料、河沙和水泥在攪拌機(jī)中拌和均勻，加入水和減水劑繼續(xù)拌和2 min；③成型.將拌好的混合料放入鋼模中振壓成型(成型壓力4MP)；④養(yǎng)護(hù).脫模后，先將磚放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中在20 ℃，90%相對(duì)濕度預(yù)養(yǎng)24 h；再轉(zhuǎn)移到蒸養(yǎng)箱中90 ℃蒸養(yǎng)設(shè)計(jì)的時(shí)間，自然冷卻就得到了所需透水磚.⑤性能測(cè)試.按照J(rèn)C/T 945-2005《透水磚》所載方法測(cè)試所制備透水磚的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、保水性和透水系數(shù)，所有指標(biāo)均取6塊樣品測(cè)試結(jié)果的平均值，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差.透水系數(shù)的測(cè)試溫度為室溫.

2 結(jié)果與討論

2.1 骨灰比與集料級(jí)配的影響

圖1a是第Ⅰ組試驗(yàn)的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，圖中數(shù)據(jù)為6個(gè)樣品測(cè)試數(shù)據(jù)的均值，并標(biāo)出了標(biāo)準(zhǔn)偏差.從圖1可以看出，強(qiáng)度隨著骨灰比的增大而降低，但不具有線性關(guān)系，骨灰比為3.5時(shí)，平均抗壓強(qiáng)度σ=24.3 MPa，抗折強(qiáng)度τ=6.5 MPa；骨灰比為4.0時(shí)，σ=16.5 MPa，τ=5.8 MPa；骨灰比4.5時(shí)，σ=16.0 MPa，τ=5.7 MPa.這是因?yàn)楣腔冶仍龃?，水泥相?duì)含量降低，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度跟著降低.在相同骨灰比的條件下，骨料粒徑配比對(duì)透水磚的強(qiáng)度也有影響，隨著粗粒骨料含量增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度增大，但是抗折強(qiáng)度變化不大，這與混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系，在骨料粒徑增大的時(shí)候，粗粒骨料相互嵌布在一起構(gòu)成鑲嵌結(jié)構(gòu)，混凝土的壓應(yīng)力主要集中在這些大粒徑骨料上，這樣就相應(yīng)的提高了混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓能力，但在遇到剪應(yīng)力的時(shí)候，混凝土的受力方向很均勻，難以更好的保護(hù)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以抗折強(qiáng)度變化不大.此外，從圖1a的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以看出，數(shù)據(jù)的離散性較低，說明樣品均勻，數(shù)據(jù)可信度高.

根據(jù)JC/T 945-2005要求，透水磚的透水系數(shù)≥1.0×10-2cm/s，保水性≥0.6 g/cm2.從第Ⅰ組試驗(yàn)的保水性和透水率測(cè)試結(jié)果(圖1b)可以看到，除A1保水性沒有達(dá)標(biāo)之外，所有樣品的透水系數(shù)指標(biāo)和保水性指標(biāo)均達(dá)到了要求.隨著骨灰比增大，所制備透水磚的保水性與透水系數(shù)顯著增大，以保水性為例，骨灰比為3.5、4.0和4.5時(shí)，其值依次為：0.5 g/cm2，0.9 g/cm2和1.0 g/cm2；在骨灰比相同時(shí)，隨著粗粒骨料增多二者也呈增大趨勢(shì).這是因?yàn)樵谏奥屎退冶裙潭〞r(shí)，隨著骨灰比增大，水泥量相對(duì)減少，在裹覆骨料后填充到骨料空隙中的水泥漿減少，透水磚內(nèi)部空隙增多，保水性和透水性提高.當(dāng)骨灰比也一定時(shí)，隨著粗粒骨料增加細(xì)粒骨料減少，構(gòu)成透水磚骨架的粗粒增多，填充其間的細(xì)粒減少，空隙增多因而保水性和透水系數(shù)也增大.

圖1 骨灰比、骨料級(jí)配對(duì)透水磚物理性能的影響Fig.1 Influence of aggregate cement ratio and aggregate grading on physical properties

2.2 水灰比與集料級(jí)配的影響

圖2 水灰比、骨料級(jí)配對(duì)透水磚物理性能的影響Fig.2 Influence of water cement ratio and aggregate grading on physical properties

2.3 砂率的影響

所使用的中砂粒徑比細(xì)粒骨料小得多，具有較大比表面積，在拌合物中填充在骨料孔隙中.因而砂率的改變會(huì)使骨料的總比表面積和有效空隙率有顯著變化，繼而對(duì)拌合物的和易性有影響.砂率大，骨料表面的水泥漿厚度變小，水泥漿的潤(rùn)滑作用減弱，使拌合物的流動(dòng)性變差.砂率小，不能保證骨料表面覆蓋足夠砂漿層，從而容易發(fā)生離析致使磚塊的后期強(qiáng)度變?nèi)?，因此必須保持合適的砂率.從圖3可以看到，隨著砂率降低(從F1的15%→F2的13%→F3的10%)，透水磚的強(qiáng)度隨之減小，抗壓強(qiáng)度的減小尤為明顯；同時(shí)透水磚的保水性和透水系數(shù)也相應(yīng)減小.因此，所設(shè)計(jì)配比中最佳砂率為15%.

圖3 砂率對(duì)透水磚物理性能的影響Fig.3 Influence of sand ratio on physical properties

2.4 養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響

影響透水磚性能的養(yǎng)護(hù)參數(shù)包括：濕度、溫度、時(shí)間、壓力等.水化作用的產(chǎn)生必須有水的參與，水是水化作用發(fā)生的基本條件，沒有水的參與，水化就無法進(jìn)行.因此，一定的濕度環(huán)境是滿足透水磚水化條件的基礎(chǔ)，本文所有試件均在濕度≥90%的條件下養(yǎng)護(hù).溫度是影響水化作用強(qiáng)度的最主要因素.在一定范圍內(nèi)，溫度越高，水化越快，水化進(jìn)行得越充分，水化產(chǎn)物也越多.溫度與濕度相輔相成，較高溫度可加強(qiáng)水分對(duì)活性固體顆粒的滲透，常溫與高溫相比，其水化作用要弱得多，而且也慢得多.為了比較，我們也在自然條件下進(jìn)行了28天養(yǎng)護(hù)，其強(qiáng)度與3天(72 h)90 ℃養(yǎng)護(hù)結(jié)果相當(dāng)，因此本文所有試件在標(biāo)養(yǎng)之后均采取90 ℃蒸養(yǎng).圖4顯示了90 ℃蒸養(yǎng)時(shí)間對(duì)透水磚強(qiáng)度的影響，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，強(qiáng)度明顯增大.

圖4 蒸養(yǎng)時(shí)間對(duì)透水磚強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of curing time on strength

本文所獲得的最高抗壓強(qiáng)度配比為D6，其抗壓強(qiáng)度28.1 MPa、抗折強(qiáng)度7.2 MPa.通常情況下，抗壓強(qiáng)度在20.0 MPa以上僅能滿足人行道的鋪設(shè)要求，抗壓強(qiáng)度在30.0 MPa以上才能滿足輕型車輛行走的要求.與之相比較，本文所制備透水磚抗壓抗壓強(qiáng)度不足，但抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于要求.從前述分析可知，骨料嵌布結(jié)構(gòu)是透水磚抗壓強(qiáng)度的主要來源.因此，骨料的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)該是其抗壓強(qiáng)度的重要影響因素.為了驗(yàn)證抗壓強(qiáng)度不高源自再生骨料的壓碎值較低，我們按照D6配比用表2中的天然骨料做了平行試驗(yàn).用天然石灰石骨料制備的透水磚，其性能指標(biāo)如下：σ=38.2 MPa，τ=7.6 MPa，B=0.7 g/cm，k=12.8×10-2cm/s，除了抗壓強(qiáng)度顯著提高，其它指標(biāo)都與用再生骨料制備的透水磚相當(dāng).由此說明，用再生骨料制備透水磚必須挑選那些壓碎值高、力學(xué)性能好的廢舊混凝土作為骨料，這樣才能獲得滿意的抗壓強(qiáng)度.

3 結(jié) 語

綜上所述，得到結(jié)論如下：

a. 再生骨料的級(jí)配是影響透水磚強(qiáng)度的重要因素，粗粒骨料相對(duì)含量增大強(qiáng)度增大.

b. 在本文的試驗(yàn)范圍內(nèi)，配比的最佳值分別為：骨灰比5.0，水灰比0.3，砂率15%，最佳終養(yǎng)時(shí)間72 h.此時(shí)，所制備透水磚可滿足人行道的鋪設(shè)要求.

c. 要進(jìn)一步提高所制備透水磚的強(qiáng)度需強(qiáng)化再生骨料的力學(xué)性質(zhì).

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫金生．路要美觀也要呼吸[N]．中國(guó)建材報(bào)，2000-12-21(1)．

[2] 楊煜蓮．奧賽斯透水保濕路面磚廣為應(yīng)用[J]．磚瓦世界，2006(1)：52．

[3] 靳洋．透水透氣環(huán)保型彩色混凝土路面磚[J]．磚瓦世界，2005(8)：16-18．

[4] 盧菁．“綠色奧運(yùn)，綠色行動(dòng)”系列報(bào)道之九透水磚：讓路面環(huán)保起來[J]．科技潮，2007(11)：30-31

[5] 毛洪強(qiáng)，葛斌，陳修和．合肥市透水磚路面研究與應(yīng)用[J]．工程與建設(shè)，2008(3)：329-331．

[6] 劉幼紅，尹堅(jiān)，張江峰，等．JC/T945-2005 透水磚[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．

[7] Top?u I B. Physical and mechanical properties of concretes produced with waste concrete [J]. Cement and Concrete Research, 1997, 27(12):1817-1823.

[8] Sagoe-Crentsil K K, Brown T, Taylor A H. Performance of concrete made with commercially produced coarse recycled concrete aggregate [J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(5):707-712.

[9] Amnon Katz. Properties of concrete made with recycled aggregate from partially hydrated old concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2003, 33(5):703-711.

[10] Tam Vivian W Y, Gao X F, Tam C M. Microstructural analysis of recycled aggregate concrete produced from two-stage mixing approach [J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(6):1195-1203.

[11] Nik D Oikonomou. Recycled concrete aggregates [J]. Cement and Concrete Composites, 2005, 27(2):315-318.

[12] Poon C S, Kou S C, Lam L. Use of recycled aggregates in molded concrete bricks and blocks [J]. Construction and Building Materials, 2002, 16(5):281-289.

[13] 李惠強(qiáng), 杜婷, 吳賢國(guó). 建筑垃圾資源化循環(huán)再生骨料混凝土研究 [J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2001 (6):83-84.

[14] 肖建莊, 李佳彬, 孫振平, 等. 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度研究 [J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2004 (12):1558-1561.

[15] 王玲玲, 陳彥文, 潘文浩, 等. 制備工藝對(duì)再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度影響研究 [J]. 混凝土, 2011 (6):162-164.

[16] 嚴(yán)捍東. 再生骨料混凝土配制透水路面磚 [J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2006 (1):54-57.

[17] 歐小燕, 嚴(yán)捍東. 彩色再生骨料透水路面磚的研究 [J]. 福建建材, 2008 (1):12-13.