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        透水再生骨料的制備及其性能研究

        2023-09-28 02:30:20號(hào)
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2023年16期
        關(guān)鍵詞:粉煤灰骨料孔隙

        孫 號(hào)

        (廣州大學(xué)風(fēng)工程與工程振動(dòng)研究中心,廣東 廣州 510006)

        作為一種新型的道路材料,透水再生骨料是使用再生材料按特殊的顆粒級(jí)配和成型工藝生產(chǎn)的[1],能滿足廢棄物的循環(huán)利用,使用再生骨料可以節(jié)省建材,還能緩解建筑垃圾存放造成的污染問題,同時(shí)透水磚在緩解“熱島效應(yīng)”、減少暴雨災(zāi)害以及補(bǔ)充地下水位等方面有較大優(yōu)勢(shì)[2-3]。

        為進(jìn)一步提升透水材料的性能,通過調(diào)整骨膠比、摻和物、集料粒徑和級(jí)配等方式[4],可以制備符合要求的透水材料[5]。該文的試驗(yàn)在保證透水材料抗壓強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的前提下,努力提升其透水性能,對(duì)建設(shè)海綿城市具有重要意義[6]。該文基于透水材料的最佳配比設(shè)計(jì),進(jìn)一步分析了不同骨膠比、粉煤灰以及粗細(xì)骨料體積摻和比對(duì)透水材料性能的影響[7],為工業(yè)固廢的資源化利用提供理論和技術(shù)支撐。

        1 試驗(yàn)概述

        1.1 配合比

        正交試驗(yàn)因素水平見表1。

        表1 正交試驗(yàn)因素水平表

        1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        正交表是一種特殊的表格,其構(gòu)造遵循搭配均勻、散布均衡的規(guī)律。該文的研究采用了三因素、三水平的正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),以探究水泥基透水材料的性能。再生骨料透水磚研究部分將探究顆粒級(jí)配比、骨膠比和粉煤灰摻量3種因素對(duì)再生骨料透水材料性能的影響,各因素又分別受3個(gè)水平因子影響。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)并對(duì)該文材料進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[8],再生骨料采用粒徑為4.75mm~9.5mm、2.35mm~4.75mm、1.16mm~2.35mm,比值為4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0,骨膠比的取值為2.8、3.2、3.6,粉煤灰摻量取值為30%、40%、50%。

        用體積法計(jì)算再生骨料透水材料的配合比設(shè)計(jì),按正交表進(jìn)行9次試驗(yàn)配比,見表2。

        表2 透水再生骨料正交試驗(yàn)配合比

        2 結(jié)果與分析

        該文試驗(yàn)選用P·O52.5水泥配制的透水磚,具體試驗(yàn)結(jié)果及性能分析如下。

        2.1 抗壓強(qiáng)度性能分析

        進(jìn)行9次試驗(yàn)配比,骨膠比的取值為2.8、3.2、3.6;粉煤灰摻量取值為30%、40%、50%;骨料采用再生骨料粒徑比值為4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0,測(cè)試相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度,見表3、表4。

        表3 透水再生骨料抗壓強(qiáng)度結(jié)果

        表4 透水再生骨料抗壓強(qiáng)度極差分析(MPa)

        從極差的結(jié)果可以得出,透水材料的強(qiáng)度受各種因素的影響,對(duì)其影響程度由大到小依次為骨膠比、骨料級(jí)配和粉煤灰摻量[9]。對(duì)于抗壓強(qiáng)度,最佳配合比為骨料級(jí)配4∶4∶2,骨膠比2.8,粉煤灰摻量30%。為了更直觀地分析各因素對(duì)再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì),該文制作了因素趨勢(shì)圖,具體如圖1所示。

        圖1 各因素對(duì)再生透水磚抗壓強(qiáng)度影響趨勢(shì)圖

        由圖1(a)可知,當(dāng)粗骨料增加時(shí),透水磚隨著孔隙的增加,粗骨料顆粒間的接觸點(diǎn)減少,傳遞和分散外力的能力減弱,骨料之間的粘結(jié)點(diǎn)承受壓力增加,結(jié)構(gòu)被損壞,強(qiáng)度降低。當(dāng)粗骨料含量增加到80%時(shí),細(xì)骨料含量不多,顆粒之間缺乏細(xì)骨料的橋梁作用,不能有效傳遞外力。因此,隨著粗骨料含量的增加,抗壓強(qiáng)度大幅下降。

        由圖1(b)可看出,增加骨料與粘結(jié)劑的比例可以減少膠凝劑的用量、減少骨料包漿的厚度、降低骨料之間結(jié)合點(diǎn)的強(qiáng)度并降低外力抵抗的能力,導(dǎo)致機(jī)械性能變差。膠凝材料可以減少骨料之間的摩擦。相對(duì)較小的骨膠比可以減少骨料之間的摩擦,壓實(shí)骨料,增加結(jié)合點(diǎn),提高抗壓強(qiáng)度。隨著骨膠比的增加,骨料顆粒之間的摩擦力增加,間隙空間增加,抗壓強(qiáng)度隨之下降。

        由圖1(c)可看出,透水磚抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而降低。微觀方面,粉煤灰水化作用主要是與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2出現(xiàn)火山灰反應(yīng),在28d在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,初始階段的大部分粉煤灰實(shí)際上沒有參與水化反應(yīng),只是表面損壞,內(nèi)部活性物質(zhì)幾乎沒有溶解,粉煤灰中的SiO2和Al2O3幾乎不參與水化反應(yīng)。隨著粉煤灰摻量的增加,水泥用量減少,水泥水化產(chǎn)物減少,進(jìn)一步降低了試件的強(qiáng)度。

        2.2 透水性能分析

        探究不同因素對(duì)再生骨料透水系數(shù)的影響,共分為9組,骨膠比的取值為2.8、3.2、3.6;粉煤灰摻量取值為30%、40%、50%;骨料采用再生骨料粒徑比值為4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0,測(cè)試相應(yīng)的透水系數(shù),見表5、表6。

        表5 再生骨料透水系數(shù)結(jié)果

        表6 再生骨料透水系數(shù)極差分析(10-2cm/s)

        根據(jù)極值差結(jié)果可知,各種因素對(duì)再生骨料制成的透水磚的影響從大到小依次為級(jí)配最重要,骨膠比次之,最后是粉煤灰摻量,其中骨料級(jí)配的最佳透水率為8∶2∶0,骨膠比是3∶6,粉煤灰為30%,摻入30%的粉煤灰是最佳的。

        各因素對(duì)再生透水磚透水系數(shù)影響趨勢(shì)如圖2所示。

        圖2 各因素對(duì)再生透水磚透水系數(shù)影響趨勢(shì)圖

        由圖2(a)可得,增加粗骨料的含量,細(xì)骨料比例減少,透水磚中的孔隙率增加。當(dāng)粗集料含量達(dá)到80%時(shí),需要較多粒徑為1.16mm~2.35mm的細(xì)骨料填充,骨料之間的孔隙率變大,孔隙不易被填充,透水磚內(nèi)部孔隙呈現(xiàn)大而多的特點(diǎn),連通孔隙更容易形成,因此表現(xiàn)出更好的透水性能。

        由圖2(b)可得,隨著骨膠比增大,透水系數(shù)升高。骨膠比對(duì)透水系數(shù)影響較顯著,隨著骨膠比的增加,減少膠凝材料的比例,骨料包漿的厚度不大,孔隙中的膠凝材料數(shù)量減少,顆粒之間的摩擦力增加,顆粒不易發(fā)生移動(dòng),可以形成更大的孔隙,孔隙由大量細(xì)槽連接,形成許多相互連接的孔隙,滲透性增加。

        由圖2(c)可得,增加粉煤灰的摻量,透水系數(shù)逐漸降低,但影響不大。粉煤灰的密度比水泥低。等量替換后,膠凝材料的含量增加,骨料包漿的厚度增加,影響了連通細(xì)槽的形成。粉煤灰具有“滾珠效應(yīng)”,有助于減少混合料摩擦,提高懸浮液的流動(dòng)性。懸浮液和細(xì)骨料容易填充孔隙,因此透水磚的密度變大,降低了透水磚的透水系數(shù)。

        2.3 最佳試驗(yàn)組合

        強(qiáng)度和透水系數(shù)綜合分析圖如圖3所示,對(duì)最佳組合方案進(jìn)行研究,見表7。

        圖3 各因素對(duì)透水磚性能影響趨勢(shì)圖

        表7 最優(yōu)配合比

        3 結(jié)論

        首先,粉煤灰摻量對(duì)透水磚也有很大影響。粉煤灰作為細(xì)小的骨料,填補(bǔ)了微孔,改善了透水磚的壓實(shí)度。同時(shí),粉煤灰具有滾珠效應(yīng),可以增加混合物的流動(dòng)性,減少骨料之間的摩擦,增加透水磚密實(shí)度并增加其強(qiáng)度。

        其次,在微觀結(jié)構(gòu)上,增加粉煤灰的用量對(duì)強(qiáng)度有負(fù)面影響,而在宏觀上,增加粉煤灰的用量有利于提高透水磚的強(qiáng)度。在微觀層面上,粉煤灰的用量對(duì)透水磚的性能有較大影響,因此上述透水磚會(huì)因粉煤灰的添加量而有所不同。

        最后,通過試驗(yàn)得出最優(yōu)的組合方案,即級(jí)配比為6∶3∶1、骨膠比為3.2、粉煤灰摻量為0.3。按照最佳方案進(jìn)行多次試驗(yàn),調(diào)整配合比后制備的再生透水材料抗壓強(qiáng)度為43.27MPa,透水系數(shù)為2.7×10-2cm/s。

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