新型高強(qiáng)混凝土砂基透水氣面磚的研制

新型高強(qiáng)混凝土砂基透水氣面磚的研制

0砂基透水磚的研發(fā)砂基透水磚是以沙漠為主要骨料的透水磚。另一方面，隨著礦石資源的匱乏，沙漠可以用作廉價(jià)的建筑材料。另一方面，對于中國的沙漠管理和沙漠浪費(fèi)利用，目前關(guān)于砂基透水磚的研究較少。對維隆等人來說，干燥的砂作為骨料，德國degussa公司的polimas110作為粘合劑，用來制作透水性砂巖作為透水性路面的輔助和補(bǔ)充。以偉榮等人開發(fā)的多孔透水材料為原料，以北方沙漠風(fēng)積沙作為骨料，但其抗壓強(qiáng)度有待提高。王平等人以沙漠為骨料，用粘土、水玻璃、玻璃粉作為原料，采用高溫燃燒法生產(chǎn)透水磚。然而，由于在高溫下巖石的燃燒會發(fā)生變化，因此需要提高它的抗壓強(qiáng)度。采用陳平生產(chǎn)的干沙生態(tài)磚是以水玻璃為原料，以氯化鋁為原料。盡管這種磚的抗壓強(qiáng)度不能滿足道路上使用透水磚的要求，但它是一種價(jià)格合理的沙漠處理。李婷采用水玻璃作為粘合劑和鋁鹽溶液作為硬化。在吸收、抗?jié)B、抗凍、肥料等方面，將透水磚與透水磚和走穴結(jié)合起來，王平平等人通過溶解親水、防水、防水等多種功能，實(shí)現(xiàn)了我國建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的透水磚，但成本高的成本已無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。北京仁創(chuàng)科技有限公司采用自行研制的抗疲勞動力砂和高硅樹脂粘土。王平平等人采用gcc135環(huán)氧樹脂和經(jīng)過粒度分類的沙漠作為材料，王平平等人通過鉆孔和不同的物理性能實(shí)現(xiàn)了中國建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的透水磚，但成本高是難以實(shí)施的?；炷镣杆u是一種承受力的平均顆粒（文獻(xiàn)）。完全簡單地說，細(xì)沙和水泥的透水磚不能同時(shí)滿足抗壓強(qiáng)度和透水性的要求。如何保證透水磚在使用過程中不堵塞是透水路面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題.一般來說,過濾孔越小越容易堵塞.在透水路面中,雨水可以通過相鄰磚體之間的孔隙或者磚體本身的縫隙下滲,而前者可能透水性更好,有效使用時(shí)間更長.本文旨在研制一種可廣泛用于城市人行步道和廣場的多孔混凝土砂基透水路面磚,其抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、保水性等指標(biāo)要符合我國建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T945-2005的要求,且無毒、低價(jià)、耐用,磚體中沙漠沙的含量(細(xì)砂率)要達(dá)70%以上.1粒徑及組分特性沙漠中天然風(fēng)積沙含泥量高,不利于提高磚體的強(qiáng)度和透水性.本研究中的多孔混凝土透水路面磚以經(jīng)過水洗、烘干的沙漠沙(即烘干砂)為主要骨料,配少量玄武巖碎石(俗稱小米石),采用大連小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P.O52.5號水泥為粘結(jié)劑,另加合適的添加劑靜壓成型制得.透水磚的標(biāo)稱尺寸為200mm×100mm×60mm.磚體上分布有2個透水孔,孔洞為上窄下寬圓臺形,上方直徑10mm,下方直徑20mm,如圖1所示.烘干砂粒度均勻、色澤光潔亮麗,采用烘干砂制作的透水磚較采用原型沙漠沙制作的透水磚更加美觀.本試驗(yàn)所用的烘干砂中值粒徑d50為0.42mm,堆積密度為2637kg/m3.小米石、彰武沙漠天然風(fēng)積沙和處理后烘干砂的粒徑篩分特性如表1所示.設(shè)計(jì)的透水磚中烘干砂質(zhì)量占骨料總質(zhì)量的比例即砂率為70%~100%,水灰比0.27~0.30,孔隙率1%~5%.選用的添加劑有木質(zhì)素減水劑(CL)、聚羧酸高效減水劑(PS)、混凝土表面增強(qiáng)劑(CS)和水性氯丁膠(AN),使用劑量根據(jù)原料說明書以及透水磚不同的材料配比確定.混凝土表面增強(qiáng)劑是在磚體養(yǎng)護(hù)72h后,每隔24h噴灑1次,共噴灑2次;其他增強(qiáng)劑是在磚樣成型制作時(shí),直接拌入骨料中.根據(jù)體積法計(jì)算材料配合比.采用感量0.1g的電子天平,稱量粗、細(xì)骨料以及清水,放入JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌2.5min.攪拌后形成的混凝土用SC-145型砂漿稠度儀測試坍落度,然后放入不銹鋼模具中,分層搗實(shí),并用TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī),在50kN壓力下靜壓90s.脫模后,送入YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱在20℃、濕度95%條件下養(yǎng)護(hù).同一種材料配合比和添加劑含量的透水磚一式4塊,其中1塊留樣;2塊在養(yǎng)護(hù)7~8d后進(jìn)行透水性、保水性、抗壓強(qiáng)度等物理性能測量;另1塊在養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行上述物理性能測量,以供檢驗(yàn)、對照.根據(jù)國家建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T945—2005(透水磚)進(jìn)行透水性、保水性和抗壓強(qiáng)度測試,所用的透水儀是根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)自行設(shè)計(jì)的,所用的壓力機(jī)為TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī).透水磚28d抗壓強(qiáng)度換算方法為f28=fd×(lg28/lgd),式中f28為計(jì)算28d抗壓強(qiáng)度(MPa),d為透水磚實(shí)際養(yǎng)護(hù)時(shí)間(d),fd為第d天實(shí)測抗壓強(qiáng)度(MPa).試驗(yàn)分兩批進(jìn)行.第一批試驗(yàn)方案是探索粗骨料和添加劑對透水磚物理性能的影響,如表2中第1~12組.第二批試驗(yàn)在分析第一批試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,選擇抗壓強(qiáng)度、透水性、保水性綜合性能最優(yōu)的組次,調(diào)整孔隙率,從而減少水泥用量,增加烘干砂用量,增大磚體透水性,以期最大程度地提高生態(tài)效益,如表2中第13~22組.2結(jié)果與討論2.1對復(fù)合劑用量的影響各組樣品抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表2所示.雖然加了木質(zhì)素減水劑,但未加粗骨料的第5組試驗(yàn)和未加任何添加劑且水灰比、孔隙率都為最大的第17組方案抗壓強(qiáng)度較小,分別為34.92、35.28MPa,但也超過了我國建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中Cc30透水磚的抗壓強(qiáng)度30.0MPa的要求.總計(jì)有12組,即占試驗(yàn)總組數(shù)55%的試驗(yàn)組次抗壓強(qiáng)度超過60MPa———我國建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)透水磚最高抗壓強(qiáng)度等級Cc60的強(qiáng)度要求,這說明采用高標(biāo)號水泥和科學(xué)合理的配合比,是能夠制造出抗壓強(qiáng)度符合建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的砂基透水磚的.增加粗骨料可以顯著提高透水磚的抗壓強(qiáng)度.表3中,第5、7、8組沒有粗骨料;第9、11、12組為對照組,粗骨料質(zhì)量占骨料總質(zhì)量的比例(粗砂率C)為30%,其他配比和添加劑條件與前者對應(yīng)相近.第9、11、12組的抗壓強(qiáng)度較前者分別增加了154.50%、95.56%、84.57%;第21組沒有粗骨料,第22組為對照組,粗骨料占15%,其他條件與前者對應(yīng)相同,第22組的抗壓強(qiáng)度較前者增加了82.26%.不過,第2組也是第21組的對照組,第10組也是第6組的對照組,增加粗骨料比例后抗壓強(qiáng)度并沒有明顯增大甚至有所減小,不排除試驗(yàn)操作誤差的可能.材料配比中增加粗骨料的比例,能夠顯著增加透水磚抗壓強(qiáng)度,但粗骨料比例太大,則不能充分利用沙漠沙,違背了發(fā)揮砂基透水磚生態(tài)作用的初衷.從試驗(yàn)結(jié)果來看,將砂率控制在70%~85%,即將粗骨料的比例(粗砂率)設(shè)計(jì)在30%~15%是比較合理的.添加劑的種類和摻量對透水磚性能均具有顯著影響.表4中,當(dāng)砂率70%、水灰比約為0.3、孔隙率1%時(shí)(表中H70-1-A對照組),添加CL、CS、AN的第9、11、12組較沒有添加劑的第2組抗壓強(qiáng)度分別提高了49.21%、69.16%和62.44%.對于不同的材料配比,發(fā)揮其活性所需的劑量不同.比如單磚中添加相近質(zhì)量的PS,在H70-1-A對照組中只增加8.90%,而在H100-1-A對照組中卻增加了60.32%.總之,合適類型和合理劑量的添加劑能夠提高透水磚的抗壓強(qiáng)度,但不同材料配比下,究竟用多大的劑量才能發(fā)揮添加劑的最大活性,尚待進(jìn)一步研究.另外,由表2第1~3組試驗(yàn)可知,隨著水灰比的增大,磚體抗壓強(qiáng)度呈減小的趨勢,與文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致.采用體積法對材料配合比進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)砂率和孔隙率不變時(shí),隨著水灰比增大,骨膠比將增大,于是單磚水泥用量減少,因此磚體強(qiáng)度可能隨著水灰比增大而減小.考慮到0.32和0.34兩種水灰比所制作出的磚樣的抗壓強(qiáng)度均能夠滿足規(guī)范要求,故第二批試驗(yàn)的試驗(yàn)方案可選用0.34的水灰比作為基準(zhǔn),適當(dāng)減少水泥用量,增加烘干砂用量,以期增加磚體透水性,降低造價(jià).表2第13~17組測試結(jié)果表明:當(dāng)砂率為70%、水灰比為0.34、不加添加劑時(shí),總體來說,隨著孔隙率的減小,水泥用量增加,骨膠比減小,因而透水磚的抗壓強(qiáng)度增大;約在孔隙率為2%時(shí)達(dá)到最大值,為79.80MPa.但是第13組例外,這組的孔隙率最小,抗壓強(qiáng)度卻比第14、15組小,不排除試驗(yàn)操作不當(dāng)造成的誤差,如原料攪拌不夠均勻等.2.2透水磚的透水性問題表5是部分磚樣的透水性測試結(jié)果.由表可知,當(dāng)堵塞透水孔,僅靠磚體自身的縫隙透水,混凝土透水磚的透水性將達(dá)不到建筑材料行業(yè)透水磚標(biāo)準(zhǔn),即10-2cm/s的要求.但如果考慮透水孔的作用,則該種混凝土透水磚的透水性將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如表中H100-26-1-PS-0427-03磚樣整體透水性的測試結(jié)果.磚體透水性取決于骨料間的縫隙,而材料中粘結(jié)劑的含量決定了骨料間縫隙的大小.從作者已有的試驗(yàn)結(jié)果和接觸的文獻(xiàn)來看,即使采用了加強(qiáng)劑,由于水泥粘結(jié)劑自身屬性,混凝土透水磚中的水泥含量也不可能減小到使透水磚依靠磚體自身縫隙就能滿足透水性要求.解決的方法有兩個:一是采用其他高強(qiáng)度的粘結(jié)劑,如作者曾采用GCC135環(huán)氧樹脂制作了各項(xiàng)物理性能都達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的有機(jī)粘結(jié)劑透水磚,只是這種透水磚造價(jià)太高;另一種方法是成型時(shí)預(yù)設(shè)透水孔,存在的問題是要防止在使用過程中透水孔堵塞.本研究透水磚中的透水孔上小下大(見圖1),所以不易堵塞,而且上方孔徑僅10mm,不影響人行步道的舒適性.2.3孔隙率對磚體保水性的影響按照國家建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T945-2005要求,透水磚的保水性應(yīng)不小于0.6g/cm2,抽樣測試結(jié)果顯示,被測樣品中有62.5%大于0.5g/cm2,即達(dá)到或者接近規(guī)范要求.其中第1、16、17組超出了規(guī)范要求.表6中第13~17組的磚樣保水性測試結(jié)果表明,當(dāng)其他配比條件不變、孔隙率在1%~5%變化時(shí),磚體的保水性隨孔隙率的增加呈遞增趨勢.因?yàn)殡S著孔隙率的增大,磚體中孔隙數(shù)量增多,同時(shí)連通的孔隙增多,可以保存更多的水分,故磚體的保水性隨著孔隙率的增大而增大.3聯(lián)合布局及透水磚的確定按2013年4月份國內(nèi)原材料市場價(jià)格:烘干砂100~140元/t(取120元/t),小米石400元/t,P.O52.5水泥300~800元/t(取550元/t),木質(zhì)素減水劑12000元/t,聚羧酸高效減水劑1900元/t,混凝土表面增強(qiáng)劑40000元/t,水性氯丁膠17800元/t.根據(jù)材料的配合比和每m2鋪磚的數(shù)量,可計(jì)算出各種方案單位鋪裝面積的材料成本,再按生產(chǎn)成本與原料成本計(jì)為1∶1,估算出每m2透水磚的造價(jià),見表2.據(jù)調(diào)查,目前國內(nèi)同類產(chǎn)品中,無砂混凝土透水磚多為30~70元/m2,陶瓷透水磚為130~200元/m2,國內(nèi)某品牌砂基透水路面磚為238元/m2.表2中,除了第7、11、12、19組造價(jià)偏高以外,其余組次造價(jià)都在60至100元/m2,與常規(guī)無砂混凝土透水磚價(jià)格接近,遠(yuǎn)小于同類砂基透水磚的價(jià)格.本研究的透水磚采用建材行業(yè)廣泛應(yīng)用的高標(biāo)號水泥為粘結(jié)劑,無毒且耐久性好.由前述分析可知,本研究的混凝土砂基透水磚抗壓強(qiáng)度大,可以超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中抗壓強(qiáng)度最高的Cc60透水磚的強(qiáng)度要求,因此除了人行步道以外,也適合鋪設(shè)在荷載較大的城市廣場.本產(chǎn)品單磚至少消耗沙漠沙1.1kg,每m2就能夠消耗沙漠沙55kg.以某占地100m×300m的廣場為例,鋪設(shè)本透水磚可以消化1650t沙漠沙.因此,砂基透水磚的廣泛使用可以大量減少城市建設(shè)對耕地和河床的破壞,發(fā)揮巨大的生態(tài)效益.根據(jù)表2、5、6中所示混凝土透水磚的抗壓強(qiáng)度、透水性、保水性、造價(jià)等方面綜合考慮,選取砂率70%、水灰比0.34、孔隙率2%、添加AN的第20組作為高強(qiáng)透水磚優(yōu)選方案;選取砂率85%、水灰比0.30、孔隙率1%、無添加劑的第22組作為常用廣場透水磚優(yōu)選方案,用于后續(xù)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)研究.4應(yīng)用前景和研究方向(1)以烘干砂為主要骨料、高標(biāo)號水泥為粘結(jié)劑并采用靜壓成型工藝,制作出各項(xiàng)物理性能達(dá)到我國建筑材料行業(yè)透水磚標(biāo)準(zhǔn)要求的多孔混凝土透水磚.所研制的混凝土砂基透水磚抗壓強(qiáng)度超出我國建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Cc60透水磚的要求,抗壓強(qiáng)度可達(dá)100MPa.(2)磚體中預(yù)設(shè)的透水孔使混凝土透水磚的透水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),而且透水孔上小下大,不易堵塞、不影響人行步道的舒適性.(3)根據(jù)混凝土透水磚的抗壓強(qiáng)度、透水性、保水性、造價(jià)等方面綜合考慮,選取砂率70%、水灰比0.34、孔隙率2%、添加AN的第20組作為高強(qiáng)透水磚優(yōu)選方案;選取砂率85%、水灰比0.30、孔隙率1%、無添加劑的第22組作為常用廣場透水磚優(yōu)選方案,用于后續(xù)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)研究.(4)增加粗骨料可以顯著提高透水磚的抗壓強(qiáng)度.將砂率控制在70%~85%,既能有效地增加透水磚抗壓強(qiáng)度,又能充分利用沙漠