透水再生骨料的制備及其性能研究

孫 號

（廣州大學(xué)風(fēng)工程與工程振動研究中心，廣東 廣州 510006）

作為一種新型的道路材料，透水再生骨料是使用再生材料按特殊的顆粒級配和成型工藝生產(chǎn)的[1]，能滿足廢棄物的循環(huán)利用，使用再生骨料可以節(jié)省建材，還能緩解建筑垃圾存放造成的污染問題，同時透水磚在緩解“熱島效應(yīng)”、減少暴雨災(zāi)害以及補充地下水位等方面有較大優(yōu)勢[2-3]。

為進一步提升透水材料的性能，通過調(diào)整骨膠比、摻和物、集料粒徑和級配等方式[4]，可以制備符合要求的透水材料[5]。該文的試驗在保證透水材料抗壓強度達標(biāo)的前提下，努力提升其透水性能，對建設(shè)海綿城市具有重要意義[6]。該文基于透水材料的最佳配比設(shè)計，進一步分析了不同骨膠比、粉煤灰以及粗細骨料體積摻和比對透水材料性能的影響[7]，為工業(yè)固廢的資源化利用提供理論和技術(shù)支撐。

1 試驗概述

1.1 配合比

正交試驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表

1.2 正交試驗設(shè)計

正交表是一種特殊的表格，其構(gòu)造遵循搭配均勻、散布均衡的規(guī)律。該文的研究采用了三因素、三水平的正交表進行試驗設(shè)計，以探究水泥基透水材料的性能。再生骨料透水磚研究部分將探究顆粒級配比、骨膠比和粉煤灰摻量3種因素對再生骨料透水材料性能的影響，各因素又分別受3個水平因子影響。通過查閱相關(guān)文獻并對該文材料進行經(jīng)驗總結(jié)[8]，再生骨料采用粒徑為4.75mm～9.5mm、2.35mm～4.75mm、1.16mm～2.35mm，比值為4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0，骨膠比的取值為2.8、3.2、3.6，粉煤灰摻量取值為30%、40%、50%。

用體積法計算再生骨料透水材料的配合比設(shè)計，按正交表進行9次試驗配比，見表2。

表2 透水再生骨料正交試驗配合比

2 結(jié)果與分析

該文試驗選用P·O52.5水泥配制的透水磚，具體試驗結(jié)果及性能分析如下。

2.1 抗壓強度性能分析

進行9次試驗配比，骨膠比的取值為2.8、3.2、3.6；粉煤灰摻量取值為30%、40%、50%；骨料采用再生骨料粒徑比值為4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0，測試相應(yīng)的抗壓強度，見表3、表4。

表3 透水再生骨料抗壓強度結(jié)果

表4 透水再生骨料抗壓強度極差分析（MPa）

從極差的結(jié)果可以得出，透水材料的強度受各種因素的影響，對其影響程度由大到小依次為骨膠比、骨料級配和粉煤灰摻量[9]。對于抗壓強度，最佳配合比為骨料級配4∶4∶2，骨膠比2.8，粉煤灰摻量30%。為了更直觀地分析各因素對再生骨料透水混凝土抗壓強度的影響趨勢，該文制作了因素趨勢圖，具體如圖1所示。

圖1 各因素對再生透水磚抗壓強度影響趨勢圖

由圖1（a）可知，當(dāng)粗骨料增加時，透水磚隨著孔隙的增加，粗骨料顆粒間的接觸點減少，傳遞和分散外力的能力減弱，骨料之間的粘結(jié)點承受壓力增加，結(jié)構(gòu)被損壞，強度降低。當(dāng)粗骨料含量增加到80%時，細骨料含量不多，顆粒之間缺乏細骨料的橋梁作用，不能有效傳遞外力。因此，隨著粗骨料含量的增加，抗壓強度大幅下降。

由圖1（b）可看出，增加骨料與粘結(jié)劑的比例可以減少膠凝劑的用量、減少骨料包漿的厚度、降低骨料之間結(jié)合點的強度并降低外力抵抗的能力，導(dǎo)致機械性能變差。膠凝材料可以減少骨料之間的摩擦。相對較小的骨膠比可以減少骨料之間的摩擦，壓實骨料，增加結(jié)合點，提高抗壓強度。隨著骨膠比的增加，骨料顆粒之間的摩擦力增加，間隙空間增加，抗壓強度隨之下降。

由圖1（c）可看出，透水磚抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加而降低。微觀方面，粉煤灰水化作用主要是與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2出現(xiàn)火山灰反應(yīng)，在28d在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，初始階段的大部分粉煤灰實際上沒有參與水化反應(yīng)，只是表面損壞，內(nèi)部活性物質(zhì)幾乎沒有溶解，粉煤灰中的SiO2和Al2O3幾乎不參與水化反應(yīng)。隨著粉煤灰摻量的增加，水泥用量減少，水泥水化產(chǎn)物減少，進一步降低了試件的強度。

2.2 透水性能分析

探究不同因素對再生骨料透水系數(shù)的影響，共分為9組，骨膠比的取值為2.8、3.2、3.6；粉煤灰摻量取值為30%、40%、50%；骨料采用再生骨料粒徑比值為4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0，測試相應(yīng)的透水系數(shù)，見表5、表6。

表5 再生骨料透水系數(shù)結(jié)果

表6 再生骨料透水系數(shù)極差分析（10-2cm/s）

根據(jù)極值差結(jié)果可知，各種因素對再生骨料制成的透水磚的影響從大到小依次為級配最重要，骨膠比次之，最后是粉煤灰摻量，其中骨料級配的最佳透水率為8∶2∶0，骨膠比是3∶6，粉煤灰為30%，摻入30%的粉煤灰是最佳的。

各因素對再生透水磚透水系數(shù)影響趨勢如圖2所示。

圖2 各因素對再生透水磚透水系數(shù)影響趨勢圖

由圖2（a）可得，增加粗骨料的含量，細骨料比例減少，透水磚中的孔隙率增加。當(dāng)粗集料含量達到80%時，需要較多粒徑為1.16mm～2.35mm的細骨料填充，骨料之間的孔隙率變大，孔隙不易被填充，透水磚內(nèi)部孔隙呈現(xiàn)大而多的特點，連通孔隙更容易形成，因此表現(xiàn)出更好的透水性能。

由圖2（b）可得，隨著骨膠比增大，透水系數(shù)升高。骨膠比對透水系數(shù)影響較顯著，隨著骨膠比的增加，減少膠凝材料的比例，骨料包漿的厚度不大，孔隙中的膠凝材料數(shù)量減少，顆粒之間的摩擦力增加，顆粒不易發(fā)生移動，可以形成更大的孔隙，孔隙由大量細槽連接，形成許多相互連接的孔隙，滲透性增加。

由圖2（c）可得，增加粉煤灰的摻量，透水系數(shù)逐漸降低，但影響不大。粉煤灰的密度比水泥低。等量替換后，膠凝材料的含量增加，骨料包漿的厚度增加，影響了連通細槽的形成。粉煤灰具有“滾珠效應(yīng)”，有助于減少混合料摩擦，提高懸浮液的流動性。懸浮液和細骨料容易填充孔隙，因此透水磚的密度變大，降低了透水磚的透水系數(shù)。

2.3 最佳試驗組合

強度和透水系數(shù)綜合分析圖如圖3所示，對最佳組合方案進行研究，見表7。

圖3 各因素對透水磚性能影響趨勢圖

表7 最優(yōu)配合比

3 結(jié)論

首先，粉煤灰摻量對透水磚也有很大影響。粉煤灰作為細小的骨料，填補了微孔，改善了透水磚的壓實度。同時，粉煤灰具有滾珠效應(yīng)，可以增加混合物的流動性，減少骨料之間的摩擦，增加透水磚密實度并增加其強度。

其次，在微觀結(jié)構(gòu)上，增加粉煤灰的用量對強度有負(fù)面影響，而在宏觀上，增加粉煤灰的用量有利于提高透水磚的強度。在微觀層面上，粉煤灰的用量對透水磚的性能有較大影響，因此上述透水磚會因粉煤灰的添加量而有所不同。

最后，通過試驗得出最優(yōu)的組合方案，即級配比為6∶3∶1、骨膠比為3.2、粉煤灰摻量為0.3。按照最佳方案進行多次試驗，調(diào)整配合比后制備的再生透水材料抗壓強度為43.27MPa，透水系數(shù)為2.7×10-2cm/s。