白泥基透水砖配合比设计及性能研究

谢春磊，赵晓亮，董艳颖，段 平

（1.内蒙古自治区交通建设工程质量监测鉴定站，内蒙古 呼和浩特 010051；2.生态安全屏障区交通网设施管控及循环修复技术交通运输行业重点实验室；3.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040；4.中国地质大学（武汉）材料与化学学院，湖北 武汉 430074）

1 引言

常见的固体废弃物有固体颗粒、垃圾、炉渣、污泥、废弃的建筑材料等[2]。工业固废如粉煤灰、尾矿、煤矸石、钢渣等含有大量的SiO2、Al2O3等无机非金属氧化物，可以作为粘土的替代材料用于生产透水砖。以固体废弃物为主要原料制备透水路面砖，既能大量消耗固废、节约资源，起到节能减排的作用，又能满足不同道路交通的要求，同时具有高强度、高透水性和优异的耐久性，符合国家“海绵城市”建设政策的要求，有利于推动社会经济可持续发展。海绵城市的建设重点是城市道路的建设[3]，其中人行道、景观大道、景观路面占有很大比例，这些路面虽然承担的荷载比较小，但需要有良好的透水性能和抗冻性能，比较适合用透水砖进行铺装[4]。国内外开展了以固废制备透水砖的基础研究工作，时浩等[5]以粉煤灰为原材料，配以细粒级石英砂，粗骨料和硅酸钠溶液，而粗骨料主要为矿山尾矿制备路面透水砖。赵亚兵等[6]以煤矸石为主要原料，水泥为粘结剂，制备出性能良好的多孔透水转；并且通过调整工艺参数，还可以制备出不同性能的透水砖。肖昭文等[7]以河道底泥为主要材料，分别对其进行550℃煅烧和非煅烧预处理，辅以粗骨料、粉煤灰、水玻璃和废玻璃在高温下烧结成两种透水砖。Mengguang Zhu 等[8]以煤矸石和尾矿为集料和粘结剂，采用部分烧结法制备透水砖。并且结合透水砖的宏观性能和微观结构分析，研究了不同因素对透水砖性能的影响。Li Jiahao等[9]以粉煤灰为原料，采用高压蒸压法制备透水砖。以地聚法制备的粒装FA作为骨料，与细FA混合，获得了高含量的透水砖。Lei Liu等[10]以钢渣为骨料，固体废弃物为胶凝材料，模拟生产制备了生态透水砖，测定了透水砖的抗弯强度、透水系数、浸出毒性和环境可持续性。

本文以白泥为主材制备透水砖，再以透水系数、力学性能为指标优化配合比设计，确定白泥基透水砖最佳参数，同时综合论证基材组成对其性能的影响。白泥基透水砖开拓了白泥等工业固废综合利用领域新方向，可为其它工业废弃物的资源化利用提供借鉴。

2 试验材料

2.1 原材料

本研究所用粗骨料为碎石，粒径范围为2.36 mm～4.75 mm 和4.75 mm～9.5 mm 复配。本研究用细骨料为普通河砂，细度模数为2.83，表观密度为2635 kg/m3，堆积密度为1456 kg/m3，含泥量0.39%，粒径范围为1 mm～1.4 mm 和1.4 mm～2 mm 复配，经自然风干后使用。本试验所用的主要原料与试剂以及所用原料的物理化学性质见表1～表3。

表1 试验所用主要原料及试剂

表2 试验所用原料的物理性质

表3 水泥的物理化学性质

2.2 试验设计

采用四因素四水平的正交试验设计方案，选取的四个影响因素分别是：水胶比（W），白泥掺量（B），水泥掺量（C），粉煤灰掺量（F），其余为矿渣。本试验正交试验因素水平表见表4。

表4 正交试验因素水平表

2.3 试验分析

抗压强度和抗折强度是胶凝材料的重要力学性能指标。为探究白泥基胶凝材料净浆配合比设计与力学性能的规律，优选出适用于白泥基透水砖胶凝材料的配合比开展力学性能测试，养护龄期分为3d、7d和28d。

2.3.1 抗压强度分析

正交设计16 组试样3d、7d 与28d 抗压强度测试结果见表5，其中3d 与7d 抗压强度是胶凝材料净浆早期强度指标，28d抗压强度是长期强度指标。

表5 正交试验性能测试结果

2.3.2 抗折强度分析

结合南京宁芜铁路区位特点与要素分析，铁路外迁后原走廊优先采用轨道交通与绿道再利用模式，即用于布设轨道交通以及城市绿道系统，以改善沿线公交与慢行出行条件。其中，利用铁路走廊铺设地下轨道交通8号线，提供滨江、板桥、麒麟门、仙林、新尧等外围地区与主城南部与东部片区之间的快速联系，串联沿线数十条轨道交通客流通道，形成多个城市公共交通换乘枢纽。新增南部东西向市级绿道，进一步优化主城东南片区绿道慢行网络，串联起秦淮河、雨花台公园、明外郭土城头风光带等结构性绿道。同时，贯通主城片区东西向与南北向7条城市干路，消除断头路，加强跨片区道路交通联系。

针对正交设计16 组试样3d、7d 与28d 抗折强度测试结果见表6，其中3d 与7d 抗折强度是胶凝材料净浆早期强度指标，28d抗折强度是长期强度指标。

表6 正交试验配合比与抗折强度结果

综上分析，抗压强度与抗折强度最优组合为第7组，即所用胶凝材料组成为：水胶比0.3，白泥掺量55%，水泥掺量25%，粉煤灰掺量3%，余下的为矿渣，实现了白泥的大掺量利用。

3 透水砖的制备与分析

3.1 工艺设计

本试验预先分别将砂和碎石按一定比例级配混合备用，将白泥、水泥、粉煤灰与矿渣等粉体原材料按比例称量后混合均匀（白泥掺量≥50%），与水混合搅拌制备胶凝材料净浆，而后将一部分胶凝材料与碎石按一定比例混合搅拌3 min制备透水砖的基层，浇筑于模具中，略微振实，平整其表面；将另一部分胶凝材料与砂按一定比例混合搅拌3 min制备透水砖的饰面层，浇筑于基层上方，用抹刀压实抹平（饰面层厚度为5mm～10 mm），置于混凝土标准箱中养护1 d后脱模，脱模之后继续在养护箱中养护至28 d，即可得到白泥基透水砖。测定其抗压、抗折强度及透水系数等性能，探讨其最佳制备工艺，本试验设计工艺流程如图1所示。

图1 透水砖制备工艺流程图

3.2 透水砖配合比影响因素分析

本组试验分为制备和性能测试两个阶段，在制备过程中，以碎石粒径、砂粒径、骨胶比（砂石骨料与胶凝材料的比值）和水胶比（拌合水与胶凝材料的比值）四个对透水砖性能影响最大的试验变量因素为研究对象，制备出不同条件下的透水砖样品；分别表征样品的抗压、抗折强度和透水系数，分析各因素对样品性能的影响规律，在此基础上进一步深入研究最佳制备参数。

3.2.1 碎石的影响

碎石是透水砖基层的骨料，作为骨架起到了支撑和承接应力的作用。表7 反映的是碎石不同配比时透水砖的强度和透水系数。从表中可以看出，碎石的配比对强度和透水系数的影响较大，在粗石较多时，抗压和抗折强度均较低，如1#和2#试样其抗折强度均未达到3.0 MPa，但此时透水系数很高，远高于《透水路面砖和透水路面板标准》（GB/T 25993-2010）中透水系数大于等于0.01 cm/s 的规定。然而随着细石比例升高，粗石比例降低，强度不断增大，透水系数迅速降低。综合考虑强度和透水系数二者的性能，2.36 mm～4.75 mm和4.75 mm～9.5 mm粒径范围的碎石按3#比例为首选基层粗骨料。

表7 碎石级配对透水砖性能的影响

3.2.2 砂的影响

由于《透水路面砖和透水路面板标准》（GB/T 25993-2010）中要求透水路面砖的表面平整度最大凹面小于等于1.0 mm、最大凸面小于等于1.5 mm，若只用粗骨料，不但平整度达不到要求，而且影响外观，因此需要用细骨料在透水砖表层做一层饰面层，以改善其外观。表8 反映的是砂不同配比时透水砖的强度和透水系数。从表8中可以看出，在砂级配比为20%：80%、40%：60%时，透水系数、强度均较好且能保证其外观，考虑到1mm～1.4mm 级配的砂价格要高于1.4mm～2mm级配的砂，故选取20%：80%比例级配砂2#为最佳砂的级配比。

表8 砂级配对透水砖性能的影响

3.2.3 骨胶比的影响

骨料和胶凝材料的用量之比是决定透水砖性能的主要因素，骨胶比太高或太低都会严重影响其强度和透水性能。图2反映的是不同骨胶比时，透水砖试样的28d强度和透水系数的变化。

图2 基层骨胶比对透水砖强度和透水系数的影响

从图2中可以看出，随着骨胶比的增大，其抗压、抗折强度均有明显的降低，这是因为骨胶比增大时，胶凝材料不足以均匀包裹骨料表面，骨料之间的粘结点和粘结面积小，样品内部孔隙较大，造成其抗压、抗折强度较低。透水系数随骨胶比的增大呈先增大后趋于稳定的趋势，这是因为在骨料的级配比一定的情况下，骨料之间紧密堆积的孔隙度是确定的，骨胶比较低时，胶凝材料较多，会填充骨料之间的孔隙，此时孔隙度较低，透水性能较差；随着骨胶比增大，由于胶凝材料减少，造成骨料之间孔隙增大，故透水系数不断升高，但增大到一定程度后基本不变，这是因为基层此时渗水能力已达到饱和，决定透水砖透水能力的是饰面层，因此即使再增大基层孔隙度，也无法使整体透水能力提高，由于骨胶比大于5.0后，抗折强度低于3.0 MPa，综合考虑强度与透水性能，骨胶比应取4.5最佳。

3.2.4 水胶比的影响

水的用量对胶凝材料净浆的影响很大，一方面，影响浆料的粘稠度，从而影响其搅拌时的和易性；另一方面，原料中的铝硅酸盐活性激发需要在水介质中实现，因此用水量多少影响了胶凝组分反应程度，从而影响透水砖的整体性能。在本组实验中，先研究水胶比对胶凝材料净浆的性能影响，然后添加骨料，研究其对透水砖性能的影响。从图3中可以看出，净浆的28d强度随水胶比的升高先增大后降低，在0.30 左右时达到最大值，原因在于：水胶比偏低时，胶凝材料浆料过于松散，不易混匀，有部分材料未发生反应，造成其反应程度较低，故强度较低；若水胶比过高，造成浆料离析、泌水，胶凝材料凝结硬化缓慢，造成透水砖强度发展缓慢且最终强度偏低。根据表9，水的用量增大（水胶比增大）时，凝结时间明显延长。

图3 水胶比对净浆强度的影响

表9 水胶比对净浆凝结时间的影响

图4 是不同水胶比时透水砖的28 d 强度和透水系数变化情况。从图中可以看出，水胶比对透水砖的影响和对净浆的影响趋势大致相同，透水砖在水胶比为0.3时也出现最大强度，此时抗压、抗折强度与透水系数达到最佳平衡。水胶比大于0.3 时，用水量偏大，胶凝材料强度下降，与集料包裹不良，引起透水砖抗压、抗折强度下降，同时胶凝浆体泌水下沉，透水砖下部密实、孔隙度减小，导致透水系数下降。

4 结语

以正交试验为基础，综合分析透水砖的性能并充分考虑到经济因素，确定白泥基透水砖的最佳配合比，骨胶比为4.5，水胶比为0.3，面层细骨料砂为1 mm～1.4 mm和1.4 mm～2 mm 两种粒径范围按20%：80%级配混合，基层粗骨料碎石为2.36 mm～4.75 mm和4.75 mm～9.5 mm两种粒径范围按60%：40%级配混合。

按照确定的白泥基透水砖的最佳配合所制备的白泥基透水砖，28d抗压强度大于30 MPa，28d抗折强度大于3.0 MPa，15℃条件下透水系数大于3.0×10-2cm/s。