劉洋,翟家歡,李長(zhǎng)江,翟愛(ài)良
(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2.泰山基業(yè)開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司,山東 泰安 271018;3.成武縣水務(wù)局,山東 菏澤 274200)
海綿城市的建設(shè)重點(diǎn)是城市道路的建設(shè)[1],其中,人行道、景觀大道、景觀路面占有很大比例,這些路面雖然承擔(dān)的荷載比較小,但需要有良好的透水性能和抗凍性能,比較適合用透水磚進(jìn)行鋪裝。本文利用廢棄的黏土磚,經(jīng)過(guò)破碎、篩分、清洗、晾曬、包漿等處理工藝,得到再生磚骨料,然后將骨料經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓に囍苽涑赏杆u。透水磚的制備及應(yīng)用對(duì)于解決建筑垃圾造成的環(huán)境污染問(wèn)題,以及對(duì)于改變城市在下雨時(shí)的滲水、蓄水問(wèn)題,減少城市雨季內(nèi)澇以及有效緩解城市熱島效應(yīng)等方面具有重要意義,對(duì)未來(lái)城市發(fā)展以及人居環(huán)境改善具有長(zhǎng)遠(yuǎn)影響。
我國(guó)每年拆遷產(chǎn)生了大量的建筑垃圾,比如廢棄黏土磚,這些建筑垃圾往往會(huì)被拉到空曠地帶就地堆放,占用了大量土地資源且對(duì)環(huán)境造成了污染,廢棄黏土磚具有孔隙率大、吸水率高的特性;基于以上考慮,本試驗(yàn)骨料選用拆遷后的廢棄黏土磚經(jīng)過(guò)處理后的碎磚塊,這樣既保護(hù)了環(huán)境,又充分利用了黏土磚的吸水特性,實(shí)現(xiàn)了廢物利用。
本試驗(yàn)將廢棄黏土磚經(jīng)過(guò)破碎、篩分、清洗工藝,得到了再生磚骨料,粒徑為9.5~13.2 mm。在經(jīng)過(guò)人工及機(jī)械破碎、清理后,制得的磚骨料表面粗糙、棱角過(guò)多、且內(nèi)部含有大量的微裂縫,需對(duì)再生磚骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理,以提高其實(shí)用性。借鑒再生混凝土骨料的強(qiáng)化方法,本試驗(yàn)采用水泥基膠凝材料對(duì)再生磚骨料二次包漿強(qiáng)化的方法來(lái)提高骨料強(qiáng)度,包漿用的水泥漿體與拌合混凝土采用相同的水膠比,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(lái)的誤差。制備工藝過(guò)程如圖1所示。
圖1 再生磚骨料制備工藝過(guò)程
再生磚骨料基本物理性能如表1所示。
表1 再生磚骨料基本物理性能指標(biāo)
水泥:P·C42.5,密度3.03 g/cm3,28 d抗壓強(qiáng)度54.5 MPa;中砂:粒徑0.35~0.5 mm,細(xì)度模數(shù)2.3~3.0;減水劑:聚羧酸高效減水劑;硅粉:180目,硅含量99%;水:符合JGJ 63—2006《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》自來(lái)水。
采用控制變量法,研究水膠比、目標(biāo)孔隙率、砂率、磚骨料摻量4種因素對(duì)再生材料透水磚透水性能和抗凍性能的影響??紤]到構(gòu)成透水磚的透水混凝土中存在的均勻空隙結(jié)構(gòu),本試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)選用飽和骨料體積法。首先通過(guò)骨料緊密堆積密度和表觀密度計(jì)算再生磚骨料的空隙率,然后再規(guī)定一個(gè)合理的目標(biāo)孔隙率和水膠比,通過(guò)體積法公式計(jì)算出單位體積透水混凝土中其他材料的用量,即粗骨料體積+膠結(jié)漿體體積+目標(biāo)孔隙率=1[2]。試驗(yàn)配合比如表2所示。
表2 再生材料透水磚試驗(yàn)配合比
再生材料透水磚最終是應(yīng)用于路面鋪設(shè),必須具備一定的力學(xué)強(qiáng)度,若尺寸太大,其力學(xué)強(qiáng)度則無(wú)法保證,若尺寸太小,其制備過(guò)程較為不便,綜上2點(diǎn)原因,結(jié)合市場(chǎng)上多種磚體尺寸,本試驗(yàn)制作的再生材料透水磚試塊一、試塊二規(guī)格分別為:240 mm×115 mm×53 mm、150 mm×150 mm×50 mm。
由于再生磚骨料內(nèi)部吸水性較強(qiáng),為防止拌合物在攪拌過(guò)程中骨料吸收拌合用水,此拌合用水只用于水泥水化,所以在拌合之前需對(duì)再生磚骨料進(jìn)行浸泡處理,使骨料達(dá)到飽和面干狀態(tài)。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(qiáng)化處理后的飽和面干再生磚骨料,攪拌約120 s,視拌合物的表觀狀態(tài)適當(dāng)加入減水劑或延長(zhǎng)攪拌時(shí)間??紤]到再生材料透水磚的多孔結(jié)構(gòu),且骨料之間主要依靠表面水泥粘結(jié)成型,如果采用傳統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)方式進(jìn)行試塊的密實(shí),會(huì)引起沉漿現(xiàn)象。本試驗(yàn)采取拌合物分3次填料入模,且每層人工插搗25次密實(shí)的成型工藝。結(jié)果表明,此工藝得到了骨料表面被膠結(jié)漿體均勻包裹且表面有金屬光澤的透水磚。
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(dǎo)致透水磚的早期強(qiáng)度較低。所以本試驗(yàn)采用透水磚密實(shí)成型后連同模具一起送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室,養(yǎng)護(hù)48 h拆模的方法,并且拆模后繼續(xù)送至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。
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
透水性能試驗(yàn)中透水系數(shù)依據(jù)GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》進(jìn)行測(cè)試,基于再生材料透水磚的透水系數(shù)和規(guī)范規(guī)定尺寸的透水試塊透水系數(shù)一樣的情況下,考慮到透水套筒的尺寸,透水性能試驗(yàn)選用透水試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。
抗凍性能試驗(yàn)中質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試,抗凍性能試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊。
本試驗(yàn)選用表2中A1~A4組配合比進(jìn)行試驗(yàn)。水膠比對(duì)再生材料透水磚28 d透水系數(shù)的影響如表3所示。
表3 水膠比對(duì)再生材料透水磚透水系數(shù)影響
由表3可知,隨著水膠比的增大,透水系數(shù)先增大后減小。當(dāng)水膠比從0.30增大到0.32時(shí),透水系數(shù)增大,這是由于在水膠比較小時(shí),水泥水化不充分,水泥砂漿呈散聚狀態(tài)且粘聚性較差,再生材料透水混凝土在入模成型時(shí),未水化的水泥會(huì)沉積到模具底部,堵塞了原有的透水通道,導(dǎo)致透水系數(shù)較小,隨著水膠比的增大,水泥水化越來(lái)越充分,致使水泥砂漿的流動(dòng)性、粘聚性、包裹性越來(lái)越好,使透水磚內(nèi)部的連通孔隙或半連通孔隙發(fā)展越充分,其透水系數(shù)也不斷提高[3],當(dāng)水膠比達(dá)到0.32時(shí),透水系數(shù)達(dá)到最大值2.36 cm/s;但當(dāng)水膠比繼續(xù)增大時(shí),透水系數(shù)呈現(xiàn)減小狀態(tài)。因?yàn)橛盟吭酱?,水泥水化越充分,并且剩余水量不斷增加,此時(shí)水泥砂漿流動(dòng)性不斷增大,在入模成型時(shí),水泥砂漿在重力作用下會(huì)沿著骨料表面滑到試件底部,出現(xiàn)“沉漿”現(xiàn)象,堵塞了試件原有的底部連通孔隙,使有效孔隙率減小,導(dǎo)致透水系數(shù)變小。
CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》當(dāng)有效孔隙率達(dá)到10%時(shí),透水混凝土就能保證透水性能,但為了有更佳的透水效果,本試驗(yàn)特設(shè)定目標(biāo)孔隙率為20%~26%。本試驗(yàn)選用表2中的B1~B4組配合比進(jìn)行試驗(yàn)。目標(biāo)孔隙率對(duì)再生材料透水磚28 d透水系數(shù)影響的線性擬合曲線如圖3所示。
圖3 目標(biāo)孔隙率對(duì)透水系數(shù)影響的線性擬合曲線
由圖3可知,隨著目標(biāo)孔隙率的增大,透水系數(shù)也不斷增大,且目標(biāo)孔隙率和透水系數(shù)幾乎成正相關(guān)的線性關(guān)系,兩者線性擬合方程為:Y=18.335X-2.667。因?yàn)槟繕?biāo)孔隙率的增大,說(shuō)明其透水混凝土試塊內(nèi)部有效孔隙數(shù)量增多,致使其透水能力增強(qiáng),從而使透水系數(shù)增大[4]。當(dāng)目標(biāo)孔隙率較小時(shí),透水磚的力學(xué)強(qiáng)度較高,但透水能力較低;當(dāng)目標(biāo)孔隙率較大時(shí),透水磚的透水性能較高,但是其力學(xué)強(qiáng)度又無(wú)法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。
本試驗(yàn)在預(yù)實(shí)驗(yàn)和前人工作的基礎(chǔ)上,選取合理砂率為25%~40%。選用表2中的C1~C4組配合比進(jìn)行試驗(yàn)。砂率對(duì)透水磚28 d透水系數(shù)影響的擬合曲線如圖4所示。
由圖4可知,隨著砂率的不斷增大,透水磚的透水系數(shù)呈不斷下降狀態(tài)。當(dāng)砂率不斷增大時(shí),更多的砂子填充在粗骨料和水泥漿的空隙中,使再生材料透水混凝土的密實(shí)度不斷提升,使得透水磚中的有效孔隙被不斷增多的細(xì)骨料中砂逐漸占據(jù),即透水通道不斷減少,從而導(dǎo)致其透水系數(shù)幾乎沿直線下降。其線性擬合方程為:Y=-5.4668X+3.5067。透水系數(shù)越小,透水磚透水能力越差,力學(xué)強(qiáng)度越高,相反,其透水能力越強(qiáng),力學(xué)強(qiáng)度越差。但在工程實(shí)際應(yīng)用中,需要兼?zhèn)淞W(xué)性能和透水性能,所以透水系數(shù)不能無(wú)限制小或者無(wú)限制大。
圖4 砂率對(duì)透水系數(shù)影響的線性擬合曲線
本試驗(yàn)選用破碎后的黏土磚塊作為粗骨料,再生材料透水磚主要是通過(guò)粗骨料與水泥砂漿形成的有效孔隙實(shí)現(xiàn)透水的目的。經(jīng)過(guò)前期預(yù)試驗(yàn),確定本組試驗(yàn)再生磚骨料摻量為1074.93~1164.93 kg/m3。選用表2中的D1~D4組配合比進(jìn)行試驗(yàn)。再生磚骨料摻量對(duì)透水磚28 d透水系數(shù)的影響如表4所示。
表4 再生磚骨料摻量對(duì)透水磚透水系數(shù)的影響
由表4可知,再生材料透水磚的透水系數(shù)隨再生磚骨料摻量的增加,呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),但總體變化不大,幅度約為0.1 cm/s。當(dāng)再生磚骨料摻量從1074.93 kg/m3增長(zhǎng)至1104.93 kg/m3時(shí),透水系數(shù)呈下降狀態(tài),當(dāng)磚骨料摻量較小時(shí),骨料之間形成的有效孔隙數(shù)量較多且孔隙直徑較大,所以透水能力較強(qiáng);隨著磚骨料的繼續(xù)增加,骨料之間的有效透水孔隙數(shù)量較少,使得透水系數(shù)下降,當(dāng)磚骨料摻量增大至1104.93 kg/m3時(shí),透水系數(shù)下降至最低點(diǎn);當(dāng)再生磚骨料摻量繼續(xù)增加時(shí),其透水系數(shù)又有所上升,但上升幅度很小,這是由于本試驗(yàn)采用控制變量法,水膠比、目標(biāo)孔隙率、砂率是定值,即水泥砂漿的總量不變,使得包裹在骨料表面的水泥砂漿厚度隨磚骨料摻量的增加而逐漸變薄,使得骨料之間的有效孔隙數(shù)量和孔隙直徑略微有所增加,所以其透水系數(shù)又有小幅上升。相對(duì)于水膠比、目標(biāo)孔隙率、砂率對(duì)透水系數(shù)的影響,再生磚骨料摻量對(duì)其透水系數(shù)的影響較小。
水膠比、目標(biāo)孔隙率、砂率、再生磚骨料摻量不僅對(duì)再生材料透水磚透水性能有明顯的影響,對(duì)透水磚抗凍性能也有一定的影響。以上4種因素對(duì)再生材料透水磚抗凍性能質(zhì)量損失率的影響如圖5所示。
圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系曲線
隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,不同水膠比、目標(biāo)孔隙率、砂率、再生磚骨料摻量的再生材料透水磚的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)上升狀態(tài)。
由圖5(a)可得,當(dāng)水膠比為0.30時(shí),透水磚的質(zhì)量損失率的損失速率要高于其余水膠比的透水磚;凍融循環(huán)次數(shù)未超過(guò)20次時(shí),水膠比為0.32、0.34、0.36的透水磚其質(zhì)量損失率曲線幾乎重合;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到25次時(shí),水膠比為0.32的透水磚質(zhì)量損失率仍然呈現(xiàn)上升狀態(tài),而水膠比為0.34、0.36的透水磚質(zhì)量損失率幾乎不再變化;水膠比對(duì)再生材料透水磚抗凍性能的影響主要體現(xiàn)在水膠比的變化使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的孔隙結(jié)構(gòu)體系,隨著水膠比的增大,水泥水化越來(lái)越充分,但剩余的拌合用水也變多,這些水填充在毛細(xì)孔隙中,在凍結(jié)過(guò)程中體積膨脹,使得孔隙孔徑增大,導(dǎo)致再生材料透水磚強(qiáng)度降低,抗凍性能也隨之降低[5-7]。
由圖5(b)可得,凍融循環(huán)次數(shù)未超過(guò)15次時(shí),目標(biāo)孔隙率為20%的透水磚質(zhì)量幾乎無(wú)損失,目標(biāo)孔隙率為22%、26%的透水磚其質(zhì)量損失率先緩慢上升然后趨于水平,目標(biāo)孔隙率為24%的透水磚質(zhì)量損失率則一直處于上升狀態(tài)。
由圖5(c)可得,凍融循環(huán)次數(shù)未超過(guò)15次時(shí),4種砂率的透水磚均呈現(xiàn)穩(wěn)定上升狀態(tài),并在凍融循環(huán)次數(shù)為10~15次時(shí)出現(xiàn)平臺(tái);凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)15次后,4種砂率透水磚的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)急劇上升狀態(tài),隨后質(zhì)量損失率趨于穩(wěn)定。
由圖5(d)可得,4種再生磚骨料摻量的透水磚,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,其質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)穩(wěn)定平緩上升狀態(tài),其中,再生磚骨料摻量為1104.93 kg/m3的透水磚質(zhì)量損失率上升相對(duì)比較緩慢,而磚骨料摻量為1134.93 kg/m3的透水磚其質(zhì)量損失率上升速率相對(duì)較快。
在水凍水融的凍融條件下,再生磚骨料本身的高吸水性以及透水磚本身多孔性結(jié)構(gòu)的存在,使其能夠迅速吸水飽和,在凍結(jié)過(guò)程中,孔隙中的游離水凝固體積膨脹9%,進(jìn)而使得透水磚體積膨脹,從而導(dǎo)致包裹在再生磚骨料表面的水泥砂漿膠結(jié)層受損產(chǎn)生裂縫,并且裂縫隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展變大,且膠結(jié)力逐漸喪失,最終導(dǎo)致表面及邊角骨料的脫落,所以質(zhì)量損失率不斷增大。
混凝土動(dòng)彈性模量是運(yùn)用動(dòng)力學(xué)中的共振法,在周期性交變的微應(yīng)力作用下測(cè)試混凝土的彈性模量。動(dòng)彈性模量比靜彈性模量略高,它可反映材料的抗凍性及耐久性。本試驗(yàn)通過(guò)動(dòng)彈性模量測(cè)定儀,測(cè)試凍融循環(huán)后不同配合比試件的動(dòng)彈性模量,以此判斷試件的抗凍性能。不同影響因素對(duì)再生材料透水磚抗凍性能相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響如圖6所示。凍融循環(huán)后的再生材料透水混凝土試塊如圖7所示。
圖6 凍融循環(huán)次數(shù)與相對(duì)動(dòng)彈性模量的關(guān)系曲線
圖7 凍融循環(huán)后的再生材料透水混凝土試塊
隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,不同水膠比、目標(biāo)孔隙率、砂率、再生磚骨料摻量的再生材料透水磚的相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈下降狀態(tài)。
由圖6(a)可知,凍融循環(huán)次數(shù)為5次時(shí),水膠比為0.30、0.34、0.36的透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量呈緩慢下降狀態(tài),但水膠比為0.32的透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率較大;凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)5次后,水膠比為0.30、0.34的透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率趨于平緩,水膠比為0.32、0.36的透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率較大,高于其余2個(gè)水膠比的透水磚。
由圖6(b)可知,凍融循環(huán)次數(shù)未超過(guò)10次時(shí),目標(biāo)孔隙率為24%的透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量下降趨勢(shì)明顯且下降速率較大,凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)10次后,其相對(duì)動(dòng)彈性模量下降狀態(tài)趨于平緩且速率變小,此時(shí),目標(biāo)孔隙率為20%的透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率變化較大,從較小值突變?yōu)檩^大值。
由圖6(c)可知,砂率為25%、35%、40%的透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率較為穩(wěn)定,幾乎呈現(xiàn)直線下降狀態(tài),但砂率為30%的透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率變化較大,在凍融循環(huán)次數(shù)低于5次時(shí),下降速率較大,遠(yuǎn)大于其余3個(gè)砂率的透水磚;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為5~15次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率最小,幾乎呈一條水平直線;凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)15次時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率增大且變化較大。
組成再生材料透水磚的再生材料透水混凝土是一種多孔堆聚狀結(jié)構(gòu),由水泥砂漿、再生磚骨料、孔隙等組成。因?yàn)樵偕u骨料以及骨料之間的膠結(jié)材料本身具有較高的動(dòng)彈性模量,但是再生磚骨料與膠結(jié)漿體之間的過(guò)渡區(qū)域強(qiáng)度較低,動(dòng)彈性模量也相對(duì)較低[8],在反復(fù)凍融循環(huán)過(guò)程中,再生材料透水磚內(nèi)部孔隙中的游離水受凍凝固膨脹,使得磚體內(nèi)部各部分之間受到各種復(fù)雜形式的拉應(yīng)力,包裹在磚骨料表面的水泥砂漿的裂縫逐漸延伸擴(kuò)展,且骨料之間的過(guò)渡區(qū)域弱界面效應(yīng)增強(qiáng),隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,致使再生材料透水磚磚體的密實(shí)度和整體性下降,最終導(dǎo)致透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量降低。
(1)考慮到工程的實(shí)際應(yīng)用,透水系數(shù)太大,強(qiáng)度不夠,透水系數(shù)太小,不滿足透水要求;再生材料透水磚透水性能最優(yōu)配合比為:水膠比0.30~0.32,目標(biāo)孔隙率22%~24%,砂率30%~35%,再生磚骨料摻量1104.93 kg/m3,當(dāng)水膠比達(dá)到0.32時(shí),透水系數(shù)達(dá)到峰值點(diǎn)2.36 cm/s。
(2)隨著目標(biāo)孔隙率和砂率的不斷增大,再生材料透水磚的透水性能分別呈現(xiàn)明顯的上升和下降狀態(tài),二者線性擬合方程分別為:Y=18.335X-2.667,Y=-5.4668X+3.5067。
(3)再生磚骨料摻量對(duì)透水磚的透水性能影響不大,透水系數(shù)隨再生磚骨料摻量的增加,呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),但總體變化不大,變化幅度約為0.1 cm/s。
(4)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,不同配合比再生材料透水磚的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)上升狀態(tài),尤其水膠比為0.30時(shí)、目標(biāo)孔隙率24%、砂率25%、再生磚骨料摻量1134.93 kg/m3時(shí),質(zhì)量損失速率最大;不同配合比的透水磚相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加均呈現(xiàn)下降狀態(tài),尤其水膠比0.3~0.32、目標(biāo)孔隙率24%、砂率30%、再生磚骨料摻量1104.93 kg/m3和1164.93 kg/m3時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速率最大。
(5)再生材料透水磚抗凍性最優(yōu)配合比為:水膠比0.34,目標(biāo)孔隙率20%~22%,砂率35%,再生磚骨料摻量1074.93 kg/m3。