再生材料透水磚透水性能和抗凍性能研究

劉洋，翟家歡，李長江，翟愛良

（1.山東農業大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2.泰山基業開發建設有限公司，山東 泰安 271018；3.成武縣水務局，山東 菏澤 274200）

0 引言

海綿城市的建設重點是城市道路的建設[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行鋪裝。本文利用廢棄的黏土磚，經過破碎、篩分、清洗、晾曬、包漿等處理工藝，得到再生磚骨料，然后將骨料經過適當的工藝制備成透水磚。透水磚的制備及應用對于解決建筑垃圾造成的環境污染問題，以及對于改變城市在下雨時的滲水、蓄水問題，減少城市雨季內澇以及有效緩解城市熱島效應等方面具有重要意義，對未來城市發展以及人居環境改善具有長遠影響。

1 試驗材料

1.1 再生磚骨料

我國每年拆遷產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被拉到空曠地帶就地堆放，占用了大量土地資源且對環境造成了污染，廢棄黏土磚具有孔隙率大、吸水率高的特性；基于以上考慮，本試驗骨料選用拆遷后的廢棄黏土磚經過處理后的碎磚塊，這樣既保護了環境，又充分利用了黏土磚的吸水特性，實現了廢物利用。

本試驗將廢棄黏土磚經過破碎、篩分、清洗工藝，得到了再生磚骨料，粒徑為9.5～13.2 mm。在經過人工及機械破碎、清理后，制得的磚骨料表面粗糙、棱角過多、且內部含有大量的微裂縫，需對再生磚骨料進行強化處理，以提高其實用性。借鑒再生混凝土骨料的強化方法，本試驗采用水泥基膠凝材料對再生磚骨料二次包漿強化的方法來提高骨料強度，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的誤差。制備工藝過程如圖1所示。

圖1 再生磚骨料制備工藝過程

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

1.2 其他試驗材料

水泥：P·C42.5，密度3.03 g/cm3，28 d抗壓強度54.5 MPa；中砂：粒徑0.35～0.5 mm，細度模數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《混凝土拌合用水標準》自來水。

2 試驗設計與方法

2.1 配合比設計

采用控制變量法，研究水膠比、目標孔隙率、砂率、磚骨料摻量4種因素對再生材料透水磚透水性能和抗凍性能的影響。考慮到構成透水磚的透水混凝土中存在的均勻空隙結構，本試驗配合比設計選用飽和骨料體積法。首先通過骨料緊密堆積密度和表觀密度計算再生磚骨料的空隙率，然后再規定一個合理的目標孔隙率和水膠比，通過體積法公式計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+膠結漿體體積+目標孔隙率=1[2]。試驗配合比如表2所示。

表2 再生材料透水磚試驗配合比

2.2 再生材料透水磚制備及養護

再生材料透水磚最終是應用于路面鋪設，必須具備一定的力學強度，若尺寸太大，其力學強度則無法保證，若尺寸太小，其制備過程較為不便，綜上2點原因，結合市場上多種磚體尺寸，本試驗制作的再生材料透水磚試塊一、試塊二規格分別為：240 mm×115 mm×53 mm、150 mm×150 mm×50 mm。

由于再生磚骨料內部吸水性較強，為防止拌合物在攪拌過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再生磚骨料進行浸泡處理，使骨料達到飽和面干狀態。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適當加入減水劑或延長攪拌時間。考慮到再生材料透水磚的多孔結構，且骨料之間主要依靠表面水泥粘結成型，如果采用傳統的機械振動方式進行試塊的密實，會引起沉漿現象。本試驗采取拌合物分3次填料入模，且每層人工插搗25次密實的成型工藝。結果表明，此工藝得到了骨料表面被膠結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，這就導致透水磚的早期強度較低。所以本試驗采用透水磚密實成型后連同模具一起送入標準養護室，養護48 h拆模的方法，并且拆模后繼續送至標準養護室養護至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

2.3 試驗方法

透水性能試驗中透水系數依據GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》進行測試，基于再生材料透水磚的透水系數和規范規定尺寸的透水試塊透水系數一樣的情況下，考慮到透水套筒的尺寸，透水性能試驗選用透水試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

抗凍性能試驗中質量損失率和相對動彈性模量依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試，抗凍性能試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊。

3 試驗結果與分析

3.1 水膠比對再生材料透水磚透水性能的影響

本試驗選用表2中A1～A4組配合比進行試驗。水膠比對再生材料透水磚28 d透水系數的影響如表3所示。

表3 水膠比對再生材料透水磚透水系數影響

由表3可知，隨著水膠比的增大，透水系數先增大后減小。當水膠比從0.30增大到0.32時，透水系數增大，這是由于在水膠比較小時，水泥水化不充分，水泥砂漿呈散聚狀態且粘聚性較差，再生材料透水混凝土在入模成型時，未水化的水泥會沉積到模具底部，堵塞了原有的透水通道，導致透水系數較小，隨著水膠比的增大，水泥水化越來越充分，致使水泥砂漿的流動性、粘聚性、包裹性越來越好，使透水磚內部的連通孔隙或半連通孔隙發展越充分，其透水系數也不斷提高[3]，當水膠比達到0.32時，透水系數達到最大值2.36 cm/s；但當水膠比繼續增大時，透水系數呈現減小狀態。因為用水量越大，水泥水化越充分，并且剩余水量不斷增加，此時水泥砂漿流動性不斷增大，在入模成型時，水泥砂漿在重力作用下會沿著骨料表面滑到試件底部，出現“沉漿”現象，堵塞了試件原有的底部連通孔隙，使有效孔隙率減小，導致透水系數變小。

3.2 目標孔隙率對再生材料透水磚透水性能的影響

CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》當有效孔隙率達到10%時，透水混凝土就能保證透水性能，但為了有更佳的透水效果，本試驗特設定目標孔隙率為20%～26%。本試驗選用表2中的B1～B4組配合比進行試驗。目標孔隙率對再生材料透水磚28 d透水系數影響的線性擬合曲線如圖3所示。

圖3 目標孔隙率對透水系數影響的線性擬合曲線

由圖3可知，隨著目標孔隙率的增大，透水系數也不斷增大，且目標孔隙率和透水系數幾乎成正相關的線性關系，兩者線性擬合方程為：Y=18.335X-2.667。因為目標孔隙率的增大，說明其透水混凝土試塊內部有效孔隙數量增多，致使其透水能力增強，從而使透水系數增大[4]。當目標孔隙率較小時，透水磚的力學強度較高，但透水能力較低；當目標孔隙率較大時，透水磚的透水性能較高，但是其力學強度又無法達到實際應用的要求。

3.3 砂率對再生材料透水磚透水性能的影響

本試驗在預實驗和前人工作的基礎上，選取合理砂率為25%～40%。選用表2中的C1～C4組配合比進行試驗。砂率對透水磚28 d透水系數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，透水磚的透水系數呈不斷下降狀態。當砂率不斷增大時，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度不斷提升，使得透水磚中的有效孔隙被不斷增多的細骨料中砂逐漸占據，即透水通道不斷減少，從而導致其透水系數幾乎沿直線下降。其線性擬合方程為：Y=-5.4668X+3.5067。透水系數越小，透水磚透水能力越差，力學強度越高，相反，其透水能力越強，力學強度越差。但在工程實際應用中，需要兼備力學性能和透水性能，所以透水系數不能無限制小或者無限制大。

圖4 砂率對透水系數影響的線性擬合曲線

3.4 再生磚骨料摻量對再生材料透水磚透水性能的影響

本試驗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粗骨料與水泥砂漿形成的有效孔隙實現透水的目的。經過前期預試驗，確定本組試驗再生磚骨料摻量為1074.93～1164.93 kg/m3。選用表2中的D1～D4組配合比進行試驗。再生磚骨料摻量對透水磚28 d透水系數的影響如表4所示。

表4 再生磚骨料摻量對透水磚透水系數的影響

由表4可知，再生材料透水磚的透水系數隨再生磚骨料摻量的增加，呈現先減小后增大的趨勢，但總體變化不大，幅度約為0.1 cm/s。當再生磚骨料摻量從1074.93 kg/m3增長至1104.93 kg/m3時，透水系數呈下降狀態，當磚骨料摻量較小時，骨料之間形成的有效孔隙數量較多且孔隙直徑較大，所以透水能力較強；隨著磚骨料的繼續增加，骨料之間的有效透水孔隙數量較少，使得透水系數下降，當磚骨料摻量增大至1104.93 kg/m3時，透水系數下降至最低點；當再生磚骨料摻量繼續增加時，其透水系數又有所上升，但上升幅度很小，這是由于本試驗采用控制變量法，水膠比、目標孔隙率、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量和孔隙直徑略微有所增加，所以其透水系數又有小幅上升。相對于水膠比、目標孔隙率、砂率對透水系數的影響，再生磚骨料摻量對其透水系數的影響較小。

3.5 抗凍性能試驗中再生材料透水磚質量損失

水膠比、目標孔隙率、砂率、再生磚骨料摻量不僅對再生材料透水磚透水性能有明顯的影響，對透水磚抗凍性能也有一定的影響。以上4種因素對再生材料透水磚抗凍性能質量損失率的影響如圖5所示。

圖5 凍融循環次數與質量損失率的關系曲線

隨著凍融循環次數的增加，不同水膠比、目標孔隙率、砂率、再生磚骨料摻量的再生材料透水磚的質量損失率均呈現上升狀態。

由圖5（a）可得，當水膠比為0.30時，透水磚的質量損失率的損失速率要高于其余水膠比的透水磚；凍融循環次數未超過20次時，水膠比為0.32、0.34、0.36的透水磚其質量損失率曲線幾乎重合；當凍融循環次數達到25次時，水膠比為0.32的透水磚質量損失率仍然呈現上升狀態，而水膠比為0.34、0.36的透水磚質量損失率幾乎不再變化；水膠比對再生材料透水磚抗凍性能的影響主要體現在水膠比的變化使其內部結構產生不同的孔隙結構體系，隨著水膠比的增大，水泥水化越來越充分，但剩余的拌合用水也變多，這些水填充在毛細孔隙中，在凍結過程中體積膨脹，使得孔隙孔徑增大，導致再生材料透水磚強度降低，抗凍性能也隨之降低[5-7]。

由圖5（b）可得，凍融循環次數未超過15次時，目標孔隙率為20%的透水磚質量幾乎無損失，目標孔隙率為22%、26%的透水磚其質量損失率先緩慢上升然后趨于水平，目標孔隙率為24%的透水磚質量損失率則一直處于上升狀態。

由圖5（c）可得，凍融循環次數未超過15次時，4種砂率的透水磚均呈現穩定上升狀態，并在凍融循環次數為10～15次時出現平臺；凍融循環次數超過15次后，4種砂率透水磚的質量損失率均呈現急劇上升狀態，隨后質量損失率趨于穩定。

由圖5（d）可得，4種再生磚骨料摻量的透水磚，隨著凍融循環次數的增加，其質量損失率均呈現穩定平緩上升狀態，其中，再生磚骨料摻量為1104.93 kg/m3的透水磚質量損失率上升相對比較緩慢，而磚骨料摻量為1134.93 kg/m3的透水磚其質量損失率上升速率相對較快。

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構的存在，使其能夠迅速吸水飽和，在凍結過程中，孔隙中的游離水凝固體積膨脹9%，進而使得透水磚體積膨脹，從而導致包裹在再生磚骨料表面的水泥砂漿膠結層受損產生裂縫，并且裂縫隨著凍融循環次數的增加而逐漸擴展變大，且膠結力逐漸喪失，最終導致表面及邊角骨料的脫落，所以質量損失率不斷增大。

3.6 抗凍性能試驗中再生材料透水磚的相對動彈性模量

混凝土動彈性模量是運用動力學中的共振法，在周期性交變的微應力作用下測試混凝土的彈性模量。動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。本試驗通過動彈性模量測定儀，測試凍融循環后不同配合比試件的動彈性模量，以此判斷試件的抗凍性能。不同影響因素對再生材料透水磚抗凍性能相對動彈性模量的影響如圖6所示。凍融循環后的再生材料透水混凝土試塊如圖7所示。

圖6 凍融循環次數與相對動彈性模量的關系曲線

圖7 凍融循環后的再生材料透水混凝土試塊

隨著凍融循環次數的增加，不同水膠比、目標孔隙率、砂率、再生磚骨料摻量的再生材料透水磚的相對動彈性模量均呈下降狀態。

由圖6（a）可知，凍融循環次數為5次時，水膠比為0.30、0.34、0.36的透水磚相對動彈性模量呈緩慢下降狀態，但水膠比為0.32的透水磚相對動彈性模量下降速率較大；凍融循環次數超過5次后，水膠比為0.30、0.34的透水磚相對動彈性模量下降速率趨于平緩，水膠比為0.32、0.36的透水磚相對動彈性模量下降速率較大，高于其余2個水膠比的透水磚。

由圖6（b）可知，凍融循環次數未超過10次時，目標孔隙率為24%的透水磚相對動彈性模量下降趨勢明顯且下降速率較大，凍融循環次數超過10次后，其相對動彈性模量下降狀態趨于平緩且速率變小，此時，目標孔隙率為20%的透水磚相對動彈性模量下降速率變化較大，從較小值突變為較大值。

由圖6（c）可知，砂率為25%、35%、40%的透水磚相對動彈性模量下降速率較為穩定，幾乎呈現直線下降狀態，但砂率為30%的透水磚相對動彈性模量下降速率變化較大，在凍融循環次數低于5次時，下降速率較大，遠大于其余3個砂率的透水磚；當凍融循環次數為5~15次時，相對動彈性模量下降速率最小，幾乎呈一條水平直線；凍融循環次數超過15次時，相對動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構，由水泥砂漿、再生磚骨料、孔隙等組成。因為再生磚骨料以及骨料之間的膠結材料本身具有較高的動彈性模量，但是再生磚骨料與膠結漿體之間的過渡區域強度較低，動彈性模量也相對較低[8]，在反復凍融循環過程中，再生材料透水磚內部孔隙中的游離水受凍凝固膨脹，使得磚體內部各部分之間受到各種復雜形式的拉應力，包裹在磚骨料表面的水泥砂漿的裂縫逐漸延伸擴展，且骨料之間的過渡區域弱界面效應增強，隨著凍融循環次數的增加，致使再生材料透水磚磚體的密實度和整體性下降，最終導致透水磚相對動彈性模量降低。

4 結論

（1）考慮到工程的實際應用，透水系數太大，強度不夠，透水系數太小，不滿足透水要求；再生材料透水磚透水性能最優配合比為：水膠比0.30～0.32，目標孔隙率22%～24%，砂率30%～35%，再生磚骨料摻量1104.93 kg/m3，當水膠比達到0.32時，透水系數達到峰值點2.36 cm/s。

（2）隨著目標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明顯的上升和下降狀態，二者線性擬合方程分別為：Y=18.335X-2.667，Y=-5.4668X+3.5067。

（3）再生磚骨料摻量對透水磚的透水性能影響不大，透水系數隨再生磚骨料摻量的增加，呈現先減小后增大的趨勢，但總體變化不大，變化幅度約為0.1 cm/s。

（4）隨著凍融循環次數的增加，不同配合比再生材料透水磚的質量損失率均呈現上升狀態，尤其水膠比為0.30時、目標孔隙率24%、砂率25%、再生磚骨料摻量1134.93 kg/m3時，質量損失速率最大；不同配合比的透水磚相對動彈性模量隨凍融循環次數的增加均呈現下降狀態，尤其水膠比0.3～0.32、目標孔隙率24%、砂率30%、再生磚骨料摻量1104.93 kg/m3和1164.93 kg/m3時，相對動彈性模量下降速率最大。

（5）再生材料透水磚抗凍性最優配合比為：水膠比0.34，目標孔隙率20%～22%，砂率35%，再生磚骨料摻量1074.93 kg/m3。