以再生建筑混凝土为骨料制备透水砖

薛 俊，刘 军，季明旭，邹志鹏，石和彬，曹 宏,*

(1.武汉工程大学材料学院，湖北 武汉 430074;2.重庆暄洁环保产业(集团)股份有限公司，重庆 400039)

0 引 言

随着城市化进程加快，现代城镇到处都为混凝土所覆盖，人行道、停车场也都铺设了普通混凝土或天然石材板块.这些板块的共同特点是不透水、吸热，不透水阻断了自然降水与土层的联系，影响植被生长，在雨天又可能造成地表积水影响行走与安全.而吸热则加剧了城市的“热岛效应”.因此，越来越多的地方开始采用透水混凝土制备的板块——透水砖，铺设人行道[1-5].国家也制订了透水砖的技术标准[6].道路和建筑物拆除会产生大量废旧混凝土，目前的处置方式基本上都是运到垃圾填埋场堆埋.我国正处于高速发展的大建设期，每年产生的废旧混凝土数以亿计，侵占了大量的土地资源，对环境造成了严重影响.国外在上世纪八十年代就已开始将废旧混凝土破碎、分级后作为再生骨料使用[7]，更是从结构、性能、添加比例等方面进行了较广泛研究[8-11]，其中也有用于制备混凝土砖块的报道[12]，国内近年也有了不少研究论文[13-15].利用再生混凝土作为骨料制备透水砖方面，已有一些文献报道.比如，严捍东用粒径5.0～31.5 mm连续级配的再生骨料制备了透水砖，其指标达到了人行道铺设要求[16]；欧小燕等对比了天然页岩骨料和再生骨料制备的彩色透水砖的性能，认为后者的强度基本没有下降，也既是再生骨料可以替代天然页岩[17].笔者用1.18～9.5 mm粒径的再生集料制备了透水砖，研究了级配、骨灰比、水灰比、砂率和养护时间对其性能的影响.

1 实 验

1.1 原 料

笔者所用主要原料列于表1，其中的骨料来自某拆迁工地，为建筑物废旧混凝土剔除钢筋、破碎、筛分后所得.实验中仅使用了粒径介于1.18～9.5 mm之间的部分，并将其筛分成为3部分：细粒(1.18～2.36 mm)、中粒(2.36～4.75 mm)和粗粒(4.75～9.5 mm)，将三者按一定质量比掺和就构成了不同级配.所用再生混凝土骨料的物理性能列于表2.表中还列出了同粒级天然石灰岩骨料的物理性质，可以看到再生混凝土的力学性能明显劣于新骨料.

表1 试验用原料与试剂

表2 再生骨料与天然骨料的物理性能

1.2 试验设计

透水砖的主要性能指标包括：强度、透水性和保水性.当原料确定后，影响这些性质的主要因素包括：骨料级配、骨灰比、砂率、水灰比和养护制度等，而且影响因素之间又存在交互作用.为探讨它们对透水砖性能指标的影响，设计试验方案如表3所示.整个试验分为四组：第Ⅰ组旨在探讨骨灰比-骨料级配的影响；第Ⅱ组旨在探讨水灰比-骨料级配的影响，且第Ⅰ组以中粒骨料为主，第Ⅱ组以粗粒骨料为主；第Ⅲ组探讨砂率的影响；第Ⅳ组探讨蒸养时间的影响.在表3所有的配方中均加入了水泥用量0.8%的减水剂.

表3 试验方案设计

1.3 实验步骤

透水砖制备和检测步骤如下：①称量.按表3设计的配比称量原料；②拌和.将称量好的再生骨料、河沙和水泥在搅拌机中拌和均匀，加入水和减水剂继续拌和2 min；③成型.将拌好的混合料放入钢模中振压成型(成型压力4MP)；④养护.脱模后，先将砖放入标准养护箱中在20 ℃，90%相对湿度预养24 h；再转移到蒸养箱中90 ℃蒸养设计的时间，自然冷却就得到了所需透水砖.⑤性能测试.按照JC/T 945-2005《透水砖》所载方法测试所制备透水砖的抗压强度、抗折强度、保水性和透水系数，所有指标均取6块样品测试结果的平均值，并计算其标准偏差.透水系数的测试温度为室温.

2 结果与讨论

2.1 骨灰比与集料级配的影响

图1a是第Ⅰ组试验的强度测试结果，图中数据为6个样品测试数据的均值，并标出了标准偏差.从图1可以看出，强度随着骨灰比的增大而降低，但不具有线性关系，骨灰比为3.5时，平均抗压强度σ=24.3 MPa，抗折强度τ=6.5 MPa；骨灰比为4.0时，σ=16.5 MPa，τ=5.8 MPa；骨灰比4.5时，σ=16.0 MPa，τ=5.7 MPa.这是因为骨灰比增大，水泥相对含量降低，导致混凝土强度跟着降低.在相同骨灰比的条件下，骨料粒径配比对透水砖的强度也有影响，随着粗粒骨料含量增加，混凝土的抗压强度增大，但是抗折强度变化不大，这与混凝土的内部结构有一定关系，在骨料粒径增大的时候，粗粒骨料相互嵌布在一起构成镶嵌结构，混凝土的压应力主要集中在这些大粒径骨料上，这样就相应的提高了混凝土结构的抗压能力，但在遇到剪应力的时候，混凝土的受力方向很均匀，难以更好的保护混凝土内部结构，所以抗折强度变化不大.此外，从图1a的标准偏差可以看出，数据的离散性较低，说明样品均匀，数据可信度高.

根据JC/T 945-2005要求，透水砖的透水系数≥1.0×10-2cm/s，保水性≥0.6 g/cm2.从第Ⅰ组试验的保水性和透水率测试结果(图1b)可以看到，除A1保水性没有达标之外，所有样品的透水系数指标和保水性指标均达到了要求.随着骨灰比增大，所制备透水砖的保水性与透水系数显著增大，以保水性为例，骨灰比为3.5、4.0和4.5时，其值依次为：0.5 g/cm2，0.9 g/cm2和1.0 g/cm2；在骨灰比相同时，随着粗粒骨料增多二者也呈增大趋势.这是因为在砂率和水灰比固定时，随着骨灰比增大，水泥量相对减少，在裹覆骨料后填充到骨料空隙中的水泥浆减少，透水砖内部空隙增多，保水性和透水性提高.当骨灰比也一定时，随着粗粒骨料增加细粒骨料减少，构成透水砖骨架的粗粒增多，填充其间的细粒减少，空隙增多因而保水性和透水系数也增大.

图1 骨灰比、骨料级配对透水砖物理性能的影响Fig.1 Influence of aggregate cement ratio and aggregate grading on physical properties

2.2 水灰比与集料级配的影响

图2 水灰比、骨料级配对透水砖物理性能的影响Fig.2 Influence of water cement ratio and aggregate grading on physical properties

2.3 砂率的影响

所使用的中砂粒径比细粒骨料小得多，具有较大比表面积，在拌合物中填充在骨料孔隙中.因而砂率的改变会使骨料的总比表面积和有效空隙率有显著变化，继而对拌合物的和易性有影响.砂率大，骨料表面的水泥浆厚度变小，水泥浆的润滑作用减弱，使拌合物的流动性变差.砂率小，不能保证骨料表面覆盖足够砂浆层，从而容易发生离析致使砖块的后期强度变弱，因此必须保持合适的砂率.从图3可以看到，随着砂率降低(从F1的15%→F2的13%→F3的10%)，透水砖的强度随之减小，抗压强度的减小尤为明显；同时透水砖的保水性和透水系数也相应减小.因此，所设计配比中最佳砂率为15%.

图3 砂率对透水砖物理性能的影响Fig.3 Influence of sand ratio on physical properties

2.4 养护时间的影响

影响透水砖性能的养护参数包括：湿度、温度、时间、压力等.水化作用的产生必须有水的参与，水是水化作用发生的基本条件，没有水的参与，水化就无法进行.因此，一定的湿度环境是满足透水砖水化条件的基础，本文所有试件均在湿度≥90%的条件下养护.温度是影响水化作用强度的最主要因素.在一定范围内，温度越高，水化越快，水化进行得越充分，水化产物也越多.温度与湿度相辅相成，较高温度可加强水分对活性固体颗粒的渗透，常温与高温相比，其水化作用要弱得多，而且也慢得多.为了比较，我们也在自然条件下进行了28天养护，其强度与3天(72 h)90 ℃养护结果相当，因此本文所有试件在标养之后均采取90 ℃蒸养.图4显示了90 ℃蒸养时间对透水砖强度的影响，随着养护时间延长，强度明显增大.

图4 蒸养时间对透水砖强度的影响Fig.4 Influence of curing time on strength

本文所获得的最高抗压强度配比为D6，其抗压强度28.1 MPa、抗折强度7.2 MPa.通常情况下，抗压强度在20.0 MPa以上仅能满足人行道的铺设要求，抗压强度在30.0 MPa以上才能满足轻型车辆行走的要求.与之相比较，本文所制备透水砖抗压抗压强度不足，但抗折强度远远高于要求.从前述分析可知，骨料嵌布结构是透水砖抗压强度的主要来源.因此，骨料的力学性质应该是其抗压强度的重要影响因素.为了验证抗压强度不高源自再生骨料的压碎值较低，我们按照D6配比用表2中的天然骨料做了平行试验.用天然石灰石骨料制备的透水砖，其性能指标如下：σ=38.2 MPa，τ=7.6 MPa，B=0.7 g/cm，k=12.8×10-2cm/s，除了抗压强度显著提高，其它指标都与用再生骨料制备的透水砖相当.由此说明，用再生骨料制备透水砖必须挑选那些压碎值高、力学性能好的废旧混凝土作为骨料，这样才能获得满意的抗压强度.

3 结 语

综上所述，得到结论如下：

a. 再生骨料的级配是影响透水砖强度的重要因素，粗粒骨料相对含量增大强度增大.

b. 在本文的试验范围内，配比的最佳值分别为：骨灰比5.0，水灰比0.3，砂率15%，最佳终养时间72 h.此时，所制备透水砖可满足人行道的铺设要求.

c. 要进一步提高所制备透水砖的强度需强化再生骨料的力学性质.

参考文献：

[1] 孙金生．路要美观也要呼吸[N]．中国建材报，2000-12-21(1)．

[2] 杨煜莲．奥赛斯透水保湿路面砖广为应用[J]．砖瓦世界，2006(1)：52．

[3] 靳洋．透水透气环保型彩色混凝土路面砖[J]．砖瓦世界，2005(8)：16-18．

[4] 卢菁．“绿色奥运，绿色行动”系列报道之九透水砖：让路面环保起来[J]．科技潮，2007(11)：30-31

[5] 毛洪强，葛斌，陈修和．合肥市透水砖路面研究与应用[J]．工程与建设，2008(3)：329-331．

[6] 刘幼红，尹坚，张江峰，等．JC/T945-2005 透水砖[S]．北京：中国标准出版社，2005．

[7] Topçu I B. Physical and mechanical properties of concretes produced with waste concrete [J]. Cement and Concrete Research, 1997, 27(12):1817-1823.

[8] Sagoe-Crentsil K K, Brown T, Taylor A H. Performance of concrete made with commercially produced coarse recycled concrete aggregate [J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(5):707-712.

[9] Amnon Katz. Properties of concrete made with recycled aggregate from partially hydrated old concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2003, 33(5):703-711.

[10] Tam Vivian W Y, Gao X F, Tam C M. Microstructural analysis of recycled aggregate concrete produced from two-stage mixing approach [J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(6):1195-1203.

[11] Nik D Oikonomou. Recycled concrete aggregates [J]. Cement and Concrete Composites, 2005, 27(2):315-318.

[12] Poon C S, Kou S C, Lam L. Use of recycled aggregates in molded concrete bricks and blocks [J]. Construction and Building Materials, 2002, 16(5):281-289.

[13] 李惠强, 杜婷, 吴贤国. 建筑垃圾资源化循环再生骨料混凝土研究 [J]. 华中科技大学学报, 2001 (6):83-84.

[14] 肖建庄, 李佳彬, 孙振平, 等. 再生混凝土的抗压强度研究 [J]. 同济大学学报：自然科学版, 2004 (12):1558-1561.

[15] 王玲玲, 陈彦文, 潘文浩, 等. 制备工艺对再生骨料混凝土抗压强度影响研究 [J]. 混凝土, 2011 (6):162-164.

[16] 严捍东. 再生骨料混凝土配制透水路面砖 [J]. 华侨大学学报：自然科学版, 2006 (1):54-57.

[17] 欧小燕, 严捍东. 彩色再生骨料透水路面砖的研究 [J]. 福建建材, 2008 (1):12-13.