全重礦渣集料水泥基透水磚配合比優(yōu)化研究

陳偉 吳超 劉安超

（貴州瑞泰實(shí)業(yè)有限公司，貴州 六盤(pán)水 553000）

目前國(guó)內(nèi)對(duì)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(jīng)進(jìn)行有效驗(yàn)證，但是在實(shí)際應(yīng)用、生產(chǎn)和向市場(chǎng)推進(jìn)過(guò)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(bǔ)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(chǎng)上很多透水磚強(qiáng)度較低，實(shí)際應(yīng)用容易發(fā)生破損，且透水能力也有待加強(qiáng)。目前市場(chǎng)上大部門(mén)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(chǎng)中占據(jù)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(tuán)公司煉鐵后形成的兩種規(guī)格的集料進(jìn)行性能研究，集料規(guī)格分別為1～5mm重礦渣砂和3～10mm重礦渣碎石，篩分結(jié)果和化學(xué)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(xué)成分表（%）

類(lèi)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(guò)分析結(jié)果可知，本文選用重礦渣具有良好的體積穩(wěn)定性、堅(jiān)固性和壓碎指標(biāo)，并且吸水能力優(yōu)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(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

集料：高爐煉鐵產(chǎn)生高爐渣自然冷卻并破碎后形成的規(guī)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(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：制備全重礦渣集料水泥基透水磚，透水磚設(shè)定抗壓強(qiáng)度達(dá)到30MPa，劈裂強(qiáng)度達(dá)到4.0MPa，透水系數(shù)（15℃）≥2.0×10cm/s。

實(shí)驗(yàn)方法：體積法。

實(shí)驗(yàn)流程：①確定不同集料的實(shí)驗(yàn)體積用量；②通過(guò)重礦渣集料表觀(guān)密度計(jì)算添加材料用量；③制備水泥砂漿，并結(jié)合水膠比得出水泥用量。

集料和添加材料種類(lèi)及詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示，制備透水磚最終配合比數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 原材料種類(lèi)和設(shè)計(jì)參數(shù)

種類(lèi) 項(xiàng)目 設(shè)計(jì)參數(shù)原材料參數(shù)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(guān)密度ρso=2730kg/m3表觀(guān)密度ρb=3100kg/m3密度ρ=1210kg/m3表觀(guān)密度ρg=2557kg/m3設(shè)計(jì)參數(shù)水膠比設(shè)計(jì)參數(shù)集料用量集料吸水量?jī)魸{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(shù)據(jù)

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

3 性能檢測(cè)

將以上述配合比進(jìn)行制備的透水磚試樣按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并對(duì)其綜合性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包含力學(xué)性能、保水性、抗凍性和耐磨性。具體檢測(cè)方法如下。

1）力學(xué)性能檢測(cè)。采用DYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)完成制備的透水磚試樣進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。在測(cè)試透水磚試樣的抗壓強(qiáng)度時(shí)，將試樣放置在壓力試驗(yàn)機(jī)的中心位置，將荷載加載速度設(shè)為0.5～0.7MPa/s，直到透水磚試樣發(fā)生破損，得到透水磚的抗壓強(qiáng)度。劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的測(cè)試方法非常相似，主要區(qū)別是在進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試時(shí)會(huì)在透水磚試樣下方與壓力機(jī)壓板間和上表面與壓力機(jī)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(yàn)機(jī)能準(zhǔn)確記錄劈裂透水磚所需力值，進(jìn)而得到柔水轉(zhuǎn)的劈裂抗拉強(qiáng)度。

2）保水性。取三塊經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的透水磚試樣，記錄透水磚的長(zhǎng)寬參數(shù)，計(jì)算試樣上表面積（A）。將透水磚試樣放入105±5℃烘箱內(nèi)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(nèi)浸泡24h，試樣需完全浸入水面下。到達(dá)試驗(yàn)時(shí)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(duì)其進(jìn)行稱(chēng)重，得到吸水后透水磚的重量（m2）。

則透水磚的保水性B計(jì)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(huán)境中凍結(jié)5h，再將其在20±10℃水中浸泡2h，重復(fù)此步驟共25次。透水磚的抗凍性計(jì)算公式為：

其中△R表示透水磚抗壓強(qiáng)度損失率，%；R表示透水磚抗壓強(qiáng)度，MPa；R表示透水磚在經(jīng)過(guò)凍融試驗(yàn)后的抗壓強(qiáng)度，MPa。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)采用該配合比制備的重礦渣集料水泥基透水磚的強(qiáng)度、保水性、抗凍性能均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但力學(xué)性能和透水能力都有不足，這兩項(xiàng)指標(biāo)會(huì)直接影響透水磚的應(yīng)用效果，因此，應(yīng)作為研究重點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

4 配合比優(yōu)化研究

4.1 硅灰比例對(duì)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(qiáng)度不足的問(wèn)題，且透水磚的強(qiáng)度會(huì)隨著硅灰用量的增加發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)利用硅灰代替原材料中的水泥時(shí)，當(dāng)替代用量在0～5%范圍內(nèi)，透水磚強(qiáng)度會(huì)隨著硅灰用量的增加而不斷變大，最大增長(zhǎng)值為29.3MPa，透水性能也有小幅度上漲。這主要是因?yàn)楣杌夷苁顾嘣缙谒瘯r(shí)間縮短，使透水磚早期強(qiáng)度得到提升。但當(dāng)硅灰替代用量超過(guò)5%后，透水磚強(qiáng)度和透水性能大幅下降，主要是因?yàn)榧尤朐牧现械墓杌页?，未能與其他材料進(jìn)行充分反應(yīng)，并且水泥用量減少，使透水磚整體強(qiáng)度降低。因此，硅灰代替水泥的最佳用量為5%。

4.2 水膠比對(duì)透水磚性能的影響

通過(guò)調(diào)整原材料水膠比，發(fā)現(xiàn)透水磚強(qiáng)度會(huì)隨著水膠比的降低而逐漸變大，但在水膠比達(dá)到一個(gè)波谷后，透水磚強(qiáng)度會(huì)逐漸恢復(fù)原有數(shù)值。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)水膠比從原始數(shù)據(jù)0.26逐漸降到0.23后，透水磚達(dá)到強(qiáng)度峰值，最大增長(zhǎng)值為34.7MPa，劈裂強(qiáng)度為4.35MPa，透水性能沒(méi)有受到明顯影響。但是當(dāng)繼續(xù)降低水膠比后，透水磚強(qiáng)度會(huì)逐漸恢復(fù)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(duì)透水磚性能的影響

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(shù)值，重礦渣砂石體積比例保持1∶1固定不變，發(fā)現(xiàn)透水磚綜合性能會(huì)隨著空隙率的變化而發(fā)生改變。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)空隙率越大，透水磚透水能力越強(qiáng)，當(dāng)整體強(qiáng)度會(huì)不斷下降。當(dāng)將設(shè)計(jì)空隙率增加到13%時(shí)，透水磚透水系數(shù)達(dá)到2.2×10cm/s，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到31.8MPa，劈裂強(qiáng)度達(dá)到4.11MPa，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。因此，全重礦渣集料水泥基透水磚的最佳設(shè)計(jì)空隙率為13%。

通過(guò)綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定優(yōu)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(shè)計(jì)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(shí)，以?xún)?yōu)化后的配合比對(duì)不同砂石體積制備下的透水磚性能進(jìn)行綜合測(cè)試，發(fā)現(xiàn)透水磚的保水性能會(huì)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(xué)性能會(huì)隨之下降。實(shí)驗(yàn)表明，若以保證重礦渣透水磚的力學(xué)性能和保水性能作為核心因素，當(dāng)砂石體積比達(dá)到1∶1時(shí)，重礦渣透水磚的綜合性能最好。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益影響

目前市場(chǎng)中常見(jiàn)的碎石透水磚的生產(chǎn)成本約為每立方450元，在采用優(yōu)化后的全重礦渣集料水泥基透水磚配合比后，透水磚生產(chǎn)成本降至每立方350元。由此可見(jiàn)，此方式能有效提高生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）本文采用的重礦渣具有良好的體積穩(wěn)定性、堅(jiān)固性和壓碎指標(biāo)，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(chǎn)原料制備透水磚具有高度可行性。

2）通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，原有配合比下制備的透水磚雖然在強(qiáng)度、保水性、抗凍性和耐磨性能上符合設(shè)計(jì)要求，但對(duì)透水磚綜合性能產(chǎn)生直接影響的透水性能和強(qiáng)度均不合要求。因此，采用實(shí)驗(yàn)對(duì)原材料中的硅灰、水膠比和空隙率進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，得到全新全重礦渣集料水泥基透水磚配合比。優(yōu)化后的配合比如表5所示。

表5 優(yōu)化原材料設(shè)計(jì)參數(shù)

種類(lèi) 項(xiàng)目 設(shè)計(jì)參數(shù)原材料參數(shù)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(shè)計(jì)參數(shù)水膠比空隙率（%）硅灰（kg/m3）水（kg/m3）w/c=0.23 13 21 222

以?xún)?yōu)化后配合比進(jìn)行制備的透水磚綜合性能表現(xiàn)為：28d抗壓強(qiáng)度為31.8MPa，劈裂強(qiáng)度為4.11MPa，透水系數(shù)（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(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

3）利用全重礦渣集料制備的透水磚能比常規(guī)碎石透水磚節(jié)省更多施工成本，對(duì)施工企業(yè)來(lái)說(shuō)，具有更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。