布料成型裝置和方法對(duì)透水磚性能的影響

胡永權(quán) 羅天祥 陳延軍 任增茂

（1甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730020；2甘肅省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yōu)良的透水性能。其應(yīng)用與各類廣場(chǎng)、公園和住宅小區(qū)的人行步道或停車場(chǎng)鋪設(shè)，可以將大部分雨水滲入地下，減輕城市排水管網(wǎng)壓力，有效解決雨天路面積水、反光等難題。近年來(lái)，隨著海綿城市建設(shè)的推進(jìn)，透水磚作為最基礎(chǔ)的產(chǎn)品在各類項(xiàng)目工程中得到了廣泛應(yīng)用，高性能透水磚研制成為當(dāng)下水泥制品研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

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(jù)振源產(chǎn)生方式不同，分為臺(tái)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(jié)構(gòu)，更加適宜透水磚生產(chǎn)，而模振成型工藝生產(chǎn)線投資大，產(chǎn)品制造成本偏高。因此國(guó)內(nèi)透水磚生產(chǎn)設(shè)備主要以QFT系列磚機(jī)為主，即分層布料臺(tái)振式磚機(jī)。該類磚機(jī)在生產(chǎn)過(guò)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(dòng)臺(tái)機(jī)械振動(dòng)相結(jié)合的工藝。其中透水磚厚度主要由傳感器限位，輔助成型時(shí)間參數(shù)進(jìn)行控制。而實(shí)驗(yàn)室配方研制過(guò)程中，由于沒(méi)有與生產(chǎn)線工藝匹配的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，考慮實(shí)驗(yàn)成本和便利性等因素，普遍采用定質(zhì)量布料+非限位成型方法。本文針對(duì)透水磚生產(chǎn)線工藝設(shè)備特點(diǎn)，研發(fā)了適合實(shí)驗(yàn)室階段使用的定容布料、成型裝置和方法，并以此為基礎(chǔ)，在水灰比和顏料摻量對(duì)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(yàn)研究。

1 原材料

1.1 風(fēng)積沙

選用甘肅省景泰縣境內(nèi)的風(fēng)積沙，其粒徑范圍為18目～250目，試驗(yàn)前先對(duì)其進(jìn)行篩分，粒徑小于100目的風(fēng)積沙用于生產(chǎn)防滲透氣砂和砂制品，本項(xiàng)目試驗(yàn)采用篩分后100目以上風(fēng)積沙。經(jīng)測(cè)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(jì)篩余量如圖1所示。

圖1 篩分風(fēng)積沙分計(jì)篩余量

表1 水泥性能指標(biāo)

1.2 水泥

水泥作為無(wú)機(jī)膠凝材料，是決定混凝土制品強(qiáng)度的核心材料，尤其在透水磚和透水混凝土中，在同等強(qiáng)度條件下，采用高標(biāo)號(hào)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(yàn)過(guò)程中選用阿爾博波特蘭（安慶）有限公司生產(chǎn)的P.W.52.5級(jí)白水泥（阿爾博牌），其主要物理化學(xué)性能指標(biāo)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(chǎn)的氧化鐵紅顏料，型號(hào)為S110，其水溶物≤1%，篩余物（0.045mm）≤0.5%。

2 試驗(yàn)方案

2.1 布料成型方法及試驗(yàn)指標(biāo)

定質(zhì)量布料即稱取固定質(zhì)量的物料進(jìn)行布料，而定容布料則控制每次布料時(shí)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(shí)間，在成型結(jié)束時(shí)，對(duì)壓頭的位置不進(jìn)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(shí)間等為輔助控制參數(shù)。

由于布料和成型工藝不同，采用定質(zhì)量布料+非限位成型工藝研制的配方，在后期中試規(guī)模化生產(chǎn)階段，其結(jié)果和規(guī)律往往存在不同程度的偏差，需要進(jìn)一步調(diào)試改進(jìn)。為研究布料成型裝置和方法對(duì)制品性能的影響，并增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室配方在中試生產(chǎn)階段的適用性，項(xiàng)目研制和加工了相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，對(duì)不同的布料和成型工藝進(jìn)行對(duì)比。由于透水路面磚各項(xiàng)性能指標(biāo)中強(qiáng)度和透水性能是核心指標(biāo)，因此試驗(yàn)主要針對(duì)核心指標(biāo)展開。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)主要以基準(zhǔn)配合比為依據(jù)，在不同布料工藝下，調(diào)整水灰比、顏料摻量進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度和透水速率指標(biāo)測(cè)試，研究和分析布料工藝對(duì)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(shè)計(jì)參照CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[1]所述的透水混凝土配合比計(jì)算方法（體積法）。設(shè)計(jì)孔隙率Rvoid=20%，水泥：風(fēng)積沙=1:3.33（質(zhì)量比）。

3 試驗(yàn)裝置

3.1 布料裝置

圖2 定容布料裝置

定質(zhì)量布料采用稱量裝置計(jì)取相同的質(zhì)量進(jìn)行布料。定容布料則采用料箱在固定容積的模具上方進(jìn)行分層布料，布料過(guò)程中，原料種類、粒徑和混合料干濕程度差異均會(huì)對(duì)定容布料質(zhì)量產(chǎn)生影響。項(xiàng)目參照混凝土路面磚自動(dòng)生產(chǎn)線布料系統(tǒng)原理及構(gòu)造，設(shè)計(jì)了定容布料專用試驗(yàn)裝置，主要由料箱和模框兩部分構(gòu)成，料箱位于模框頂部，內(nèi)部均設(shè)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(dòng)料箱沿?？蛲鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分層布料，單次來(lái)回布料完成后，稱量?？騼?nèi)部布入的物料質(zhì)量m。單次試驗(yàn)共布料6次，舍棄極值后，結(jié)果取平均值。

3.2 成型裝置

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

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

b)透水速率試樣成型裝置：外模內(nèi)徑76mm，高度60mm；為便于對(duì)比分析，透水速率試樣與抗壓強(qiáng)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(zhì)量726g（成型壓力1.6kPa），2#壓頭質(zhì)量998g（成型壓力2.2kPa）。

圖3 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度和透水速率試樣成型裝置。其結(jié)構(gòu)相同，均由外模、壓頭和配重塊組成。壓頭裝配在外模內(nèi)，與外模間隙配合；壓頭設(shè)有限位臺(tái)，可以保證成型試樣的高度相同；配重塊與壓頭通過(guò)絲桿連接，可通過(guò)配重塊數(shù)量調(diào)節(jié)壓頭重量，如圖5和圖6所示。

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

b)透水速率試樣成型裝置：外模內(nèi)徑76mm，高度53mm；為便于對(duì)比分析，透水速率試樣與抗壓強(qiáng)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(zhì)量726g（成型壓力1.6kPa），配重塊質(zhì)量272g（成型壓力0.6kPa）。

圖5 抗壓強(qiáng)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(shè)備及裝置

1）混凝土試驗(yàn)用振動(dòng)臺(tái)：采用無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的ZH.DG-80型電磁固定式振動(dòng)臺(tái)。

2）配套裝置：主要包含不銹鋼成型底板和旋轉(zhuǎn)刮板，均為自制。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 布料成型裝置和方法對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)：水：水泥：風(fēng)積沙=0.29:1:3.33（質(zhì)量比），單次布料質(zhì)量均為175g。試樣成型養(yǎng)護(hù)28d后，參照《砂基透水磚》（JG/T 376-2012）[2]測(cè)定試樣的抗壓強(qiáng)度和透水速率指標(biāo)。

非限位成型：將外模置于成型底板上，布料完成后，采用旋轉(zhuǎn)刮板將表面刮平，放入壓頭；啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，計(jì)時(shí)振動(dòng)成型，成型結(jié)束后，先垂直脫去外筒，再輕輕將壓頭提起。試驗(yàn)過(guò)程中選用不同的成型壓力和成型時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，成型壓力分1.6kPa和2.2kPa兩級(jí)，成型時(shí)間分10s、15s和20s，共三級(jí)。試驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)刮板將表面刮平，放入壓頭；啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)成型，成型時(shí)間由限位臺(tái)控制，待壓頭限位臺(tái)與外模歸位接觸后成型結(jié)束。先垂直脫去外筒，再輕輕將壓頭提起。試驗(yàn)過(guò)程中選用不同的成型壓力進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，分1.6kPa、2.2kPa、和2.8kPa，共三級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用非限位成型的試樣，其抗壓強(qiáng)度、透水速率和試樣高度偏差均較大，最大極差分別達(dá)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(qiáng)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(shí)間不同。非限位成型對(duì)壓頭位置沒(méi)有限制，且采用固定的振壓時(shí)間，成型過(guò)程中必然存在過(guò)振和欠振現(xiàn)象。而限位成型則在壓頭接觸到裝置限位點(diǎn)時(shí)停止振動(dòng)，有效避免了過(guò)振和欠振現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了較小的成型偏差。

非限位成型方案（FW1～FW6）中，制品的強(qiáng)度和透水性能受成型壓力和成型時(shí)間影響變化較大，其中FW2抗壓強(qiáng)度最高,FW4透水系數(shù)最高。強(qiáng)度是透水磚耐壓折、防破損的核心指標(biāo)，在透水系數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，要盡可能提高制品的強(qiáng)度，后續(xù)非限位成型選用方案FW2成型參數(shù)（成型壓力1.6kPa，成型時(shí)間15s）。限位成型方案（XW1～XW3）中，成型壓力和成型時(shí)間對(duì)制品性能影響不明顯，但成型壓力越大，成型所用的時(shí)間越短?？紤]與非限位成型方案的對(duì)比性，后續(xù)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(biāo)表

4.2 不同布料成型條件下水灰比對(duì)透水磚性能的影響

試驗(yàn)配比：水泥：風(fēng)積沙=1:3.33（質(zhì)量比），水灰比分別采用0.26、0.27、0.28、0.29和0.30，共五個(gè)梯度進(jìn)行對(duì)比，每個(gè)配比均采用定質(zhì)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(jìn)行對(duì)比，并記錄布料質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同布料成型方法下水灰比對(duì)透水磚性能影響分析

圖7 水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

圖8 水灰比對(duì)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(duì)透水磚抗壓強(qiáng)度和透水速率的影響規(guī)律截然相反。在定質(zhì)量布料+非限位成型方法（DZ+FW）下，透水磚抗壓強(qiáng)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(dòng)性提高，在固定成型時(shí)間、壓力和振動(dòng)條件下，試樣密實(shí)度也相應(yīng)提高。在定容布料+限位成型方法(DR+XW)下，透水磚抗壓強(qiáng)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(jié)性提高，導(dǎo)致固定容積布料箱內(nèi)布料質(zhì)量減少（由184.2g降低到172.3g），降低了限位成型試樣的密實(shí)度。

限位成型過(guò)程中，隨著布料量增大，限位成型所需的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，當(dāng)布料量增大到184.2g（水灰比0.26）時(shí)，成型時(shí)間已超過(guò)1min，實(shí)際生產(chǎn)中效率較低。

4.3 不同布料工藝下顏料摻量對(duì)透水磚性能的影響

透水磚配合比：水：水泥：風(fēng)積沙=0.27:1:3.33（質(zhì)量比），顏料摻量按照風(fēng)積沙質(zhì)量百分比計(jì)算，分別采用0.0%、1.0%、2.0%和3.0%共四個(gè)梯度進(jìn)行對(duì)比，每個(gè)配比均采用定質(zhì)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(jìn)行成型對(duì)比，并記錄布料質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)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(biāo)表

圖9 顏料摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

圖10 顏料摻量對(duì)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(duì)透水磚抗壓強(qiáng)度和透水速率的影響規(guī)律截然相反。在定質(zhì)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(qiáng)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(dǎo)致混合料濕度減小、流動(dòng)性變差，在固定成型時(shí)間、壓力和振動(dòng)條件下，成型試樣密實(shí)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(qiáng)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(dǎo)致混合料濕度減小、粘度降低，定容布料質(zhì)量增加（由181.1g增加到183.6g），提高了限位成型試樣的密實(shí)度。

5 總結(jié)

1）與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室階段采用的定質(zhì)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(guī)?；a(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)工藝，且能夠有效控制成型偏差，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為產(chǎn)品快速研制提供了保證。

2）定質(zhì)量布料+非限位成型方法試驗(yàn)結(jié)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(shí)間不同。非限位成型對(duì)壓頭位置沒(méi)有限制，且采用固定的振壓時(shí)間，成型過(guò)程中必然存在過(guò)振和欠振現(xiàn)象。

3）定容布料+限位成型方法試驗(yàn)結(jié)果偏差較小，主要原因是試樣的成型高度主要由限位臺(tái)控制（生產(chǎn)線設(shè)備由限位傳感器控制），壓頭接觸到裝置限位點(diǎn)時(shí)停止振動(dòng)，有效避免了過(guò)振和欠振現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)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(duì)透水磚性能的影響規(guī)律截然相反。采用定質(zhì)量布料+非限位成型方法（DZ+FW）時(shí)，透水磚抗壓強(qiáng)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(huì)造成混合料濕度增加，試樣流動(dòng)性提高，在固定成型時(shí)間、壓力和振動(dòng)條件下，試樣密實(shí)度也相應(yīng)提高。采用定容布料+限位成型方法(DR+XW)時(shí)，試驗(yàn)規(guī)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(zhì)量減少（布料量減少），由于限位成型時(shí)試樣高度和體積不變，試樣密實(shí)度也相應(yīng)減小。