謝春磊，趙曉亮，董艷穎，段 平

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測鑒定站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.生態(tài)安全屏障區(qū)交通網(wǎng)設(shè)施管控及循環(huán)修復(fù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；4.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料與化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

1 引言

常見的固體廢棄物有固體顆粒、垃圾、爐渣、污泥、廢棄的建筑材料等[2]。工業(yè)固廢如粉煤灰、尾礦、煤矸石、鋼渣等含有大量的SiO2、Al2O3等無機(jī)非金屬氧化物，可以作為粘土的替代材料用于生產(chǎn)透水磚。以固體廢棄物為主要原料制備透水路面磚，既能大量消耗固廢、節(jié)約資源，起到節(jié)能減排的作用，又能滿足不同道路交通的要求，同時具有高強(qiáng)度、高透水性和優(yōu)異的耐久性，符合國家“海綿城市”建設(shè)政策的要求，有利于推動社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。海綿城市的建設(shè)重點(diǎn)是城市道路的建設(shè)[3]，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(dān)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(jìn)行鋪裝[4]。國內(nèi)外開展了以固廢制備透水磚的基礎(chǔ)研究工作，時浩等[5]以粉煤灰為原材料，配以細(xì)粒級石英砂，粗骨料和硅酸鈉溶液，而粗骨料主要為礦山尾礦制備路面透水磚。趙亞兵等[6]以煤矸石為主要原料，水泥為粘結(jié)劑，制備出性能良好的多孔透水轉(zhuǎn)；并且通過調(diào)整工藝參數(shù)，還可以制備出不同性能的透水磚。肖昭文等[7]以河道底泥為主要材料，分別對其進(jìn)行550℃煅燒和非煅燒預(yù)處理，輔以粗骨料、粉煤灰、水玻璃和廢玻璃在高溫下燒結(jié)成兩種透水磚。Mengguang Zhu 等[8]以煤矸石和尾礦為集料和粘結(jié)劑，采用部分燒結(jié)法制備透水磚。并且結(jié)合透水磚的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)分析，研究了不同因素對透水磚性能的影響。Li Jiahao等[9]以粉煤灰為原料，采用高壓蒸壓法制備透水磚。以地聚法制備的粒裝FA作為骨料，與細(xì)FA混合，獲得了高含量的透水磚。Lei Liu等[10]以鋼渣為骨料，固體廢棄物為膠凝材料，模擬生產(chǎn)制備了生態(tài)透水磚，測定了透水磚的抗彎強(qiáng)度、透水系數(shù)、浸出毒性和環(huán)境可持續(xù)性。

本文以白泥為主材制備透水磚，再以透水系數(shù)、力學(xué)性能為指標(biāo)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，確定白泥基透水磚最佳參數(shù)，同時綜合論證基材組成對其性能的影響。白泥基透水磚開拓了白泥等工業(yè)固廢綜合利用領(lǐng)域新方向，可為其它工業(yè)廢棄物的資源化利用提供借鑒。

2 試驗(yàn)材料

2.1 原材料

本研究所用粗骨料為碎石，粒徑范圍為2.36 mm～4.75 mm 和4.75 mm～9.5 mm 復(fù)配。本研究用細(xì)骨料為普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.83，表觀密度為2635 kg/m3，堆積密度為1456 kg/m3，含泥量0.39%，粒徑范圍為1 mm～1.4 mm 和1.4 mm～2 mm 復(fù)配，經(jīng)自然風(fēng)干后使用。本試驗(yàn)所用的主要原料與試劑以及所用原料的物理化學(xué)性質(zhì)見表1～表3。

表1 試驗(yàn)所用主要原料及試劑

表2 試驗(yàn)所用原料的物理性質(zhì)

表3 水泥的物理化學(xué)性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用四因素四水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，選取的四個影響因素分別是：水膠比（W），白泥摻量（B），水泥摻量（C），粉煤灰摻量（F），其余為礦渣。本試驗(yàn)正交試驗(yàn)因素水平表見表4。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表

2.3 試驗(yàn)分析

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度是膠凝材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)。為探究白泥基膠凝材料凈漿配合比設(shè)計(jì)與力學(xué)性能的規(guī)律，優(yōu)選出適用于白泥基透水磚膠凝材料的配合比開展力學(xué)性能測試，養(yǎng)護(hù)齡期分為3d、7d和28d。

2.3.1 抗壓強(qiáng)度分析

正交設(shè)計(jì)16 組試樣3d、7d 與28d 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表5，其中3d 與7d 抗壓強(qiáng)度是膠凝材料凈漿早期強(qiáng)度指標(biāo)，28d抗壓強(qiáng)度是長期強(qiáng)度指標(biāo)。

表5 正交試驗(yàn)性能測試結(jié)果

2.3.2 抗折強(qiáng)度分析

結(jié)合南京寧蕪鐵路區(qū)位特點(diǎn)與要素分析，鐵路外遷后原走廊優(yōu)先采用軌道交通與綠道再利用模式，即用于布設(shè)軌道交通以及城市綠道系統(tǒng)，以改善沿線公交與慢行出行條件。其中，利用鐵路走廊鋪設(shè)地下軌道交通8號線，提供濱江、板橋、麒麟門、仙林、新堯等外圍地區(qū)與主城南部與東部片區(qū)之間的快速聯(lián)系，串聯(lián)沿線數(shù)十條軌道交通客流通道，形成多個城市公共交通換乘樞紐。新增南部東西向市級綠道，進(jìn)一步優(yōu)化主城東南片區(qū)綠道慢行網(wǎng)絡(luò)，串聯(lián)起秦淮河、雨花臺公園、明外郭土城頭風(fēng)光帶等結(jié)構(gòu)性綠道。同時，貫通主城片區(qū)東西向與南北向7條城市干路，消除斷頭路，加強(qiáng)跨片區(qū)道路交通聯(lián)系。

針對正交設(shè)計(jì)16 組試樣3d、7d 與28d 抗折強(qiáng)度測試結(jié)果見表6，其中3d 與7d 抗折強(qiáng)度是膠凝材料凈漿早期強(qiáng)度指標(biāo)，28d抗折強(qiáng)度是長期強(qiáng)度指標(biāo)。

表6 正交試驗(yàn)配合比與抗折強(qiáng)度結(jié)果

綜上分析，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度最優(yōu)組合為第7組，即所用膠凝材料組成為：水膠比0.3，白泥摻量55%，水泥摻量25%，粉煤灰摻量3%，余下的為礦渣，實(shí)現(xiàn)了白泥的大摻量利用。

3 透水磚的制備與分析

3.1 工藝設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)預(yù)先分別將砂和碎石按一定比例級配混合備用，將白泥、水泥、粉煤灰與礦渣等粉體原材料按比例稱量后混合均勻（白泥摻量≥50%），與水混合攪拌制備膠凝材料凈漿，而后將一部分膠凝材料與碎石按一定比例混合攪拌3 min制備透水磚的基層，澆筑于模具中，略微振實(shí)，平整其表面；將另一部分膠凝材料與砂按一定比例混合攪拌3 min制備透水磚的飾面層，澆筑于基層上方，用抹刀壓實(shí)抹平（飾面層厚度為5mm～10 mm），置于混凝土標(biāo)準(zhǔn)箱中養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，脫模之后繼續(xù)在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至28 d，即可得到白泥基透水磚。測定其抗壓、抗折強(qiáng)度及透水系數(shù)等性能，探討其最佳制備工藝，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)工藝流程如圖1所示。

圖1 透水磚制備工藝流程圖

3.2 透水磚配合比影響因素分析

本組試驗(yàn)分為制備和性能測試兩個階段，在制備過程中，以碎石粒徑、砂粒徑、骨膠比（砂石骨料與膠凝材料的比值）和水膠比（拌合水與膠凝材料的比值）四個對透水磚性能影響最大的試驗(yàn)變量因素為研究對象，制備出不同條件下的透水磚樣品；分別表征樣品的抗壓、抗折強(qiáng)度和透水系數(shù)，分析各因素對樣品性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究最佳制備參數(shù)。

3.2.1 碎石的影響

碎石是透水磚基層的骨料，作為骨架起到了支撐和承接應(yīng)力的作用。表7 反映的是碎石不同配比時透水磚的強(qiáng)度和透水系數(shù)。從表中可以看出，碎石的配比對強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響較大，在粗石較多時，抗壓和抗折強(qiáng)度均較低，如1#和2#試樣其抗折強(qiáng)度均未達(dá)到3.0 MPa，但此時透水系數(shù)很高，遠(yuǎn)高于《透水路面磚和透水路面板標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 25993-2010）中透水系數(shù)大于等于0.01 cm/s 的規(guī)定。然而隨著細(xì)石比例升高，粗石比例降低，強(qiáng)度不斷增大，透水系數(shù)迅速降低。綜合考慮強(qiáng)度和透水系數(shù)二者的性能，2.36 mm～4.75 mm和4.75 mm～9.5 mm粒徑范圍的碎石按3#比例為首選基層粗骨料。

表7 碎石級配對透水磚性能的影響

3.2.2 砂的影響

由于《透水路面磚和透水路面板標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 25993-2010）中要求透水路面磚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，不但平整度達(dá)不到要求，而且影響外觀，因此需要用細(xì)骨料在透水磚表層做一層飾面層，以改善其外觀。表8 反映的是砂不同配比時透水磚的強(qiáng)度和透水系數(shù)。從表8中可以看出，在砂級配比為20%：80%、40%：60%時，透水系數(shù)、強(qiáng)度均較好且能保證其外觀，考慮到1mm～1.4mm 級配的砂價格要高于1.4mm～2mm級配的砂，故選取20%：80%比例級配砂2#為最佳砂的級配比。

表8 砂級配對透水磚性能的影響

3.2.3 骨膠比的影響

骨料和膠凝材料的用量之比是決定透水磚性能的主要因素，骨膠比太高或太低都會嚴(yán)重影響其強(qiáng)度和透水性能。圖2反映的是不同骨膠比時，透水磚試樣的28d強(qiáng)度和透水系數(shù)的變化。

圖2 基層骨膠比對透水磚強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響

從圖2中可以看出，隨著骨膠比的增大，其抗壓、抗折強(qiáng)度均有明顯的降低，這是因?yàn)楣悄z比增大時，膠凝材料不足以均勻包裹骨料表面，骨料之間的粘結(jié)點(diǎn)和粘結(jié)面積小，樣品內(nèi)部孔隙較大，造成其抗壓、抗折強(qiáng)度較低。透水系數(shù)隨骨膠比的增大呈先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，這是因?yàn)樵诠橇系募壟浔纫欢ǖ那闆r下，骨料之間緊密堆積的孔隙度是確定的，骨膠比較低時，膠凝材料較多，會填充骨料之間的孔隙，此時孔隙度較低，透水性能較差；隨著骨膠比增大，由于膠凝材料減少，造成骨料之間孔隙增大，故透水系數(shù)不斷升高，但增大到一定程度后基本不變，這是因?yàn)榛鶎哟藭r滲水能力已達(dá)到飽和，決定透水磚透水能力的是飾面層，因此即使再增大基層孔隙度，也無法使整體透水能力提高，由于骨膠比大于5.0后，抗折強(qiáng)度低于3.0 MPa，綜合考慮強(qiáng)度與透水性能，骨膠比應(yīng)取4.5最佳。

3.2.4 水膠比的影響

水的用量對膠凝材料凈漿的影響很大，一方面，影響漿料的粘稠度，從而影響其攪拌時的和易性；另一方面，原料中的鋁硅酸鹽活性激發(fā)需要在水介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)，因此用水量多少影響了膠凝組分反應(yīng)程度，從而影響透水磚的整體性能。在本組實(shí)驗(yàn)中，先研究水膠比對膠凝材料凈漿的性能影響，然后添加骨料，研究其對透水磚性能的影響。從圖3中可以看出，凈漿的28d強(qiáng)度隨水膠比的升高先增大后降低，在0.30 左右時達(dá)到最大值，原因在于：水膠比偏低時，膠凝材料漿料過于松散，不易混勻，有部分材料未發(fā)生反應(yīng)，造成其反應(yīng)程度較低，故強(qiáng)度較低；若水膠比過高，造成漿料離析、泌水，膠凝材料凝結(jié)硬化緩慢，造成透水磚強(qiáng)度發(fā)展緩慢且最終強(qiáng)度偏低。根據(jù)表9，水的用量增大（水膠比增大）時，凝結(jié)時間明顯延長。

圖3 水膠比對凈漿強(qiáng)度的影響

表9 水膠比對凈漿凝結(jié)時間的影響

圖4 是不同水膠比時透水磚的28 d 強(qiáng)度和透水系數(shù)變化情況。從圖中可以看出，水膠比對透水磚的影響和對凈漿的影響趨勢大致相同，透水磚在水膠比為0.3時也出現(xiàn)最大強(qiáng)度，此時抗壓、抗折強(qiáng)度與透水系數(shù)達(dá)到最佳平衡。水膠比大于0.3 時，用水量偏大，膠凝材料強(qiáng)度下降，與集料包裹不良，引起透水磚抗壓、抗折強(qiáng)度下降，同時膠凝漿體泌水下沉，透水磚下部密實(shí)、孔隙度減小，導(dǎo)致透水系數(shù)下降。

4 結(jié)語

以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，綜合分析透水磚的性能并充分考慮到經(jīng)濟(jì)因素，確定白泥基透水磚的最佳配合比，骨膠比為4.5，水膠比為0.3，面層細(xì)骨料砂為1 mm～1.4 mm和1.4 mm～2 mm 兩種粒徑范圍按20%：80%級配混合，基層粗骨料碎石為2.36 mm～4.75 mm和4.75 mm～9.5 mm兩種粒徑范圍按60%：40%級配混合。

按照確定的白泥基透水磚的最佳配合所制備的白泥基透水磚，28d抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，28d抗折強(qiáng)度大于3.0 MPa，15℃條件下透水系數(shù)大于3.0×10-2cm/s。