張 冰，周紫晨，曾 明

(1.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，武漢 430081;2.中國中冶海綿城市研究院新型材料技術(shù)研究所,武漢 430081)

近年來，為了在城市建設(shè)和自然之間取得平衡，讓城市進入良性發(fā)展軌道，解決“澇”和“旱”的矛盾，海綿城市理念(又稱為低影響開發(fā)，LID)作為新的城市建設(shè)方向被提出來[1,2]。

海綿城市是對城市和區(qū)域進行生態(tài)化的雨洪管理，涉及多學(xué)科多層次的聯(lián)合，這其中，地表作為最先接觸雨水的屏障，其作用就顯得尤為重要了。透水鋪裝的路面能夠順暢地將雨水下引，起到滲透和初步凈化的作用?，F(xiàn)在使用最廣泛的是水泥基透水路面磚。

水泥基透水路面磚起到了初步截污的作用，經(jīng)年累月的服役過程中，其內(nèi)部的滲透通道就會被灰塵、泥沙等堵塞住，繼而失去了透水的功效。盡管有一些文獻指出可采用高壓水沖洗、負壓吸附等手段對通道進行疏通[3]，使其可以繼續(xù)服役，但是這種恢復(fù)是很有限的，并且在實際操作中存在很大的局限性。綜合考慮這一問題，從透水路面磚的面層入手，考慮將大部分的堵塞物屏蔽在面層以外，只有少量極細的顆粒會隨著流水下行，這就需要將面層的孔做得足夠小[4]。于是考慮采用砂一級的石材作為面層骨料，膠凝材料選用環(huán)氧樹脂體系。

高爐重礦渣是高爐煉鐵過程中排出的固體廢渣在空氣中緩慢冷卻形成的致密石質(zhì)工業(yè)廢渣。它的表面呈多孔狀，可以形成較大的內(nèi)比表面積，用于制備透水路面磚的基層，具有更好的力學(xué)性能和滲透性。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：華新水泥廠生產(chǎn)堡壘牌P·O42.5級水泥，其物理性能見表 1。

重礦渣：武漢中江實業(yè)有限責(zé)任公司經(jīng)干燥、破碎、分級加工制成的級配高爐重礦渣，物理性能指標見表2。

天然彩砂：石家莊中澤彩砂有限公司產(chǎn)，物理性能指標見表3。

礦粉：武新新型建材股份有限公司生產(chǎn)的S95 級礦粉，比表面積為450 m2/kg。

環(huán)氧樹脂：巴陵石化制CYDW-100非溶劑型水性環(huán)氧樹脂膠。

固化劑：巴陵石化制CYDHD-220環(huán)氧樹脂固化劑。

偶聯(lián)劑：KH550，購自漢海合成樹脂發(fā)展有限責(zé)任公司。

增韌劑：LZH-050，購自漢海合成樹脂發(fā)展有限責(zé)任公司。

外加劑：蘇州某公司生產(chǎn)，摻量為膠凝材料總量的0.2%，減水率為20%。

表1 水泥物理性能指標

表2 重礦渣的物理性能指標

表3 天然彩砂的物理性能指標

1.2 試驗設(shè)計

材料的種類、配比與制備工藝對透水磚的劈裂抗拉強度、透水系數(shù)這兩個關(guān)鍵指標有著決定性的影響。重礦渣-砂基復(fù)合透水磚是兩個體系的結(jié)合，影響其力學(xué)性能的因素有以下幾個方面：1)面層骨料的粒徑。2)面層膠凝材料的種類與黏度。3)面層材料的膠砂比。4)基層材料的粒徑與級配。5)基層材料的膠砂比。6)基層材料的水膠比。7)振動壓實成型的壓力。8)振動壓實成型的時間。結(jié)合通體水泥基透水磚材料與性能的研究結(jié)果，基層材料的粒徑與級配、膠砂比、水膠比都已有較為成熟的經(jīng)驗值作為基礎(chǔ)，現(xiàn)只選取上述影響因素中的1)、2)、3)、7)做L9(34)即4因素3水平的正交試驗，如表4所示。

研究中，重礦渣-砂基復(fù)合透水路面磚的基層采用粒徑2.5～5 mm的重礦渣為骨料，P·O42.5普硅水泥為膠凝材料，摻加5%～10%的礦渣微粉，水灰比控制在0.35～0.38，外摻0.2%減水劑，振壓成型。

研究中，改性環(huán)氧樹脂膠是指由CYDW-100摻加30%的CYDHD-220、3% 的KH550、3%的LZH-050，經(jīng)攪拌混合均勻而成的膠粘劑體系。

按照上述設(shè)計配比壓制成型，待制品經(jīng)28 d養(yǎng)護后進行劈裂抗拉強度、透水率、耐磨性、抗凍融性試驗。

表4 透水磚試驗正交設(shè)計表

表5 透水磚正交試驗結(jié)果

表6 極差計算結(jié)果

從表5、表6的正交實驗結(jié)果與極差計算結(jié)果可以看出，重礦渣砂基復(fù)合透水磚在基層材料、成型工藝參數(shù)與成型厚度一致的前提下，面層骨料的粒徑在20～120目，面層膠凝材料的黏度80～320 mPa·s，面層材料的膠砂比為1∶20～1∶40，振動壓實成型的壓力為15～25 kN時，各因素對復(fù)合透水磚劈裂抗拉強度的影響順序為：膠砂比=振動壓實成型壓力>面層骨料粒徑>膠凝材料的黏度，即膠砂比與振動壓實成型的壓力對強度影響最大，骨料粒徑次之，膠凝材料的黏度影響最小。值得注意的是，膠砂比的影響與骨料粒徑是有聯(lián)系的，當膠砂比一定時，骨料粒徑越小，其總比表面積是越大的，所需要的膠凝材料就越多，所以當顆粒細到一定程度時，就會出現(xiàn)包裹不充分的現(xiàn)象，此時面層的強度會顯著降低；當骨料粒徑較大時，顆粒之間的有效連接點減少，也會使得面層的劈裂抗拉強度降低。

復(fù)合透水磚的透水系數(shù)，各因素對其影響順序為：面層骨料粒徑>膠凝材料的黏度=振動壓實成型壓力>膠砂比。其中，面層骨料粒徑影響最為顯著，膠凝材料的黏度與成型壓力次之，膠砂比影響相對較弱。這是因為，當面層的骨料粒徑較大時，顆粒之間形成的孔隙通道也較大，透水率較大；隨著骨料粒徑的減小，水流的下行通道越來越窄，行程也相應(yīng)增加，透水率呈下降趨勢。膠凝材料的黏度直接影響對骨料的包裹與浸潤，黏度適中時，膠凝材料均勻且連續(xù)分布在顆粒表面，點接觸的空隙分布均勻，既沒有富余的膠堵塞和填充空隙，也沒有未被包裹粘接松散的顆粒，此時透水效果最佳。

復(fù)合透水磚的耐磨性，各因素對其影響順序為：面層骨料粒徑>膠砂比>振動壓實成型壓力>膠凝材料的黏度。其中面層骨料粒徑影響與膠砂比的影響較大。從實驗結(jié)果可以看出，骨料粒徑較小時，耐磨性最佳，這是因為粒徑增加的同時會增加表面的粗糙度，在磨損過程中易成為薄弱環(huán)節(jié)；而當粒徑進一步減小時，又會出現(xiàn)膠凝材料對骨料包裹不充分的現(xiàn)象，面層骨料之間沒有被膠結(jié)在一起，耐磨性差。在該體系中，當膠凝材料較為富余與膠凝材料不足時，磨坑長度都有所增加，這是因為當膠凝材料富余時，一部分膠凝材料由于表面張力的作用停留在表層，待硬化后，成為最先被磨損的部分，其耐磨性有限；當膠凝材料不足時，顆粒之間的粘接不充分，甚至有漏粘的現(xiàn)象，在磨損過程中會逐漸脫落形成磨坑，表現(xiàn)出較差的耐磨性。

復(fù)合透水磚的抗凍融性，各因素對其影響順序為：面層骨料粒徑>膠凝材料的黏度>振動壓實成型壓力>膠砂比。由極差分析結(jié)果可以看出，前三個影響因素的影響力比較均衡，質(zhì)量與強度損失也比較均衡，這是因為面層的結(jié)構(gòu)較為致密，孔隙均勻且細小，而且環(huán)氧樹脂膠的固化體有一定的韌性，在凍融環(huán)境中受到水的影響比較弱；而基層的膠凝材料為水泥，為剛性結(jié)構(gòu)，在凍融環(huán)境中，貫通的水通道會發(fā)生凍脹破壞，從而破壞透水磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致劈裂抗拉強度損失。在該研究中，基層磚體的原材料、配合比、成型工藝都是一致的，所以在這里才表現(xiàn)出面層材料的變化并未對其抗凍融性造成差異性影響。

透水路面磚在實際應(yīng)用中，劈裂抗拉強度、透水系數(shù)、耐磨性與抗凍融性都是主要的考核指標，綜合考慮以上因素，從研究結(jié)果中可以看出，最優(yōu)配比為：A2B1C2D3，并采用該配比方案作進一步的研究和生產(chǎn)。

1.3 生產(chǎn)設(shè)計

中試生產(chǎn)，成型設(shè)備為泉工T9型制磚機，以制備100 mm×200 mm×60 mm為例，一次壓制成型面積為0.72 m2。具體流程為：經(jīng)自動計量并加水拌合均勻的基層材料通過布料機漏斗均勻撒布于磚機模具型腔內(nèi)，壓頭下降快速振壓 3～5 s，此為初壓，繼而壓頭抬起，毛刷將壓頭與型腔周邊殘余的水泥重礦渣基料掃除干凈；面料通過布料機均勻撒布于初壓成型的基層之上，壓頭再次下降，快速振壓 3～5 s，復(fù)壓完成。

中試生產(chǎn)時，膠砂比宜放寬至1∶25為宜，因為實際生產(chǎn)涉及的損耗較實驗室理論值大，維持1∶30會出現(xiàn)漏包裹現(xiàn)象；此外，生產(chǎn)的環(huán)境溫度≤20 ℃時，需要對環(huán)氧樹脂膠適當加熱以達到不大于100 mP·s的黏度，或者將彩砂烘烤加熱后立即倒入膠結(jié)料攪拌均勻，因為隨著溫度的降低，環(huán)氧樹脂膠的黏度呈現(xiàn)出數(shù)量級的增長，會導(dǎo)致面料無法生產(chǎn)；面料攪拌均勻后，宜放置30～45 min，待膠結(jié)料的固化反應(yīng)開始一小段時間后再鋪筑成型，既不會影響其與基層材料的粘結(jié)，又可以有效避免面層材料黏模情況的發(fā)生。制得的重礦渣-砂基透水路面磚表面細膩平整，經(jīng)檢測，劈裂抗拉強度、透水系數(shù)、耐磨性等均符合國家標準。

2 結(jié) 語

采用工業(yè)廢渣——高爐重礦渣為主要原料制備透水路面磚的基層，復(fù)合以改性環(huán)氧樹脂膠作為膠粘劑的砂基面層，既實現(xiàn)了工業(yè)廢渣的資源化利用，又在一定程度上解決了透水路面磚難以長期服役的弊端。

a.采用高爐重礦渣與砂基復(fù)合制得的透水路面磚，能夠滿足GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》的要求。

b.通過正交實驗，綜合得出膠砂比、成型壓力、骨料粒徑、改性環(huán)氧樹脂膠黏度對透水磚面層的性能影響逐漸減弱。

c.最優(yōu)配比為：膠砂比1∶30，成型壓力25 kN，骨料粒徑40～80目，改性環(huán)氧樹脂膠黏度為80 mPa·s。所制得的透水磚劈裂抗拉強度fts4.2 MPa，透水系數(shù)1.9×10-2cm/s，磨坑長度10 mm，抗凍融性合格。

d.實際生產(chǎn)中，選取工藝參數(shù)時應(yīng)注意：改性環(huán)氧樹脂膠用量應(yīng)控制在4%；調(diào)節(jié)改性環(huán)氧樹脂膠黏度為(100±20) mPa·s為宜，并注意溫度的控制；制磚壓力宜控制在 20～25 kN之間。