透水再生骨料的制备及其性能研究

孙 号

（广州大学风工程与工程振动研究中心，广东 广州 510006）

作为一种新型的道路材料，透水再生骨料是使用再生材料按特殊的颗粒级配和成型工艺生产的[1]，能满足废弃物的循环利用，使用再生骨料可以节省建材，还能缓解建筑垃圾存放造成的污染问题，同时透水砖在缓解“热岛效应”、减少暴雨灾害以及补充地下水位等方面有较大优势[2-3]。

为进一步提升透水材料的性能，通过调整骨胶比、掺和物、集料粒径和级配等方式[4]，可以制备符合要求的透水材料[5]。该文的试验在保证透水材料抗压强度达标的前提下，努力提升其透水性能，对建设海绵城市具有重要意义[6]。该文基于透水材料的最佳配比设计，进一步分析了不同骨胶比、粉煤灰以及粗细骨料体积掺和比对透水材料性能的影响[7]，为工业固废的资源化利用提供理论和技术支撑。

1 试验概述

1.1 配合比

正交试验因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平表

1.2 正交试验设计

正交表是一种特殊的表格，其构造遵循搭配均匀、散布均衡的规律。该文的研究采用了三因素、三水平的正交表进行试验设计，以探究水泥基透水材料的性能。再生骨料透水砖研究部分将探究颗粒级配比、骨胶比和粉煤灰掺量3种因素对再生骨料透水材料性能的影响，各因素又分别受3个水平因子影响。通过查阅相关文献并对该文材料进行经验总结[8]，再生骨料采用粒径为4.75mm～9.5mm、2.35mm～4.75mm、1.16mm～2.35mm，比值为4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0，骨胶比的取值为2.8、3.2、3.6，粉煤灰掺量取值为30%、40%、50%。

用体积法计算再生骨料透水材料的配合比设计，按正交表进行9次试验配比，见表2。

表2 透水再生骨料正交试验配合比

2 结果与分析

该文试验选用P·O52.5水泥配制的透水砖，具体试验结果及性能分析如下。

2.1 抗压强度性能分析

进行9次试验配比，骨胶比的取值为2.8、3.2、3.6；粉煤灰掺量取值为30%、40%、50%；骨料采用再生骨料粒径比值为4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0，测试相应的抗压强度，见表3、表4。

表3 透水再生骨料抗压强度结果

表4 透水再生骨料抗压强度极差分析（MPa）

从极差的结果可以得出，透水材料的强度受各种因素的影响，对其影响程度由大到小依次为骨胶比、骨料级配和粉煤灰掺量[9]。对于抗压强度，最佳配合比为骨料级配4∶4∶2，骨胶比2.8，粉煤灰掺量30%。为了更直观地分析各因素对再生骨料透水混凝土抗压强度的影响趋势，该文制作了因素趋势图，具体如图1所示。

图1 各因素对再生透水砖抗压强度影响趋势图

由图1（a）可知，当粗骨料增加时，透水砖随着孔隙的增加，粗骨料颗粒间的接触点减少，传递和分散外力的能力减弱，骨料之间的粘结点承受压力增加，结构被损坏，强度降低。当粗骨料含量增加到80%时，细骨料含量不多，颗粒之间缺乏细骨料的桥梁作用，不能有效传递外力。因此，随着粗骨料含量的增加，抗压强度大幅下降。

由图1（b）可看出，增加骨料与粘结剂的比例可以减少胶凝剂的用量、减少骨料包浆的厚度、降低骨料之间结合点的强度并降低外力抵抗的能力，导致机械性能变差。胶凝材料可以减少骨料之间的摩擦。相对较小的骨胶比可以减少骨料之间的摩擦，压实骨料，增加结合点，提高抗压强度。随着骨胶比的增加，骨料颗粒之间的摩擦力增加，间隙空间增加，抗压强度随之下降。

由图1（c）可看出，透水砖抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而降低。微观方面，粉煤灰水化作用主要是与水泥水化产物Ca（OH）2出现火山灰反应，在28d在标准养护条件下，初始阶段的大部分粉煤灰实际上没有参与水化反应，只是表面损坏，内部活性物质几乎没有溶解，粉煤灰中的SiO2和Al2O3几乎不参与水化反应。随着粉煤灰掺量的增加，水泥用量减少，水泥水化产物减少，进一步降低了试件的强度。

2.2 透水性能分析

探究不同因素对再生骨料透水系数的影响，共分为9组，骨胶比的取值为2.8、3.2、3.6；粉煤灰掺量取值为30%、40%、50%；骨料采用再生骨料粒径比值为4∶4∶2、6∶3∶1、8∶2∶0，测试相应的透水系数，见表5、表6。

表5 再生骨料透水系数结果

表6 再生骨料透水系数极差分析（10-2cm/s）

根据极值差结果可知，各种因素对再生骨料制成的透水砖的影响从大到小依次为级配最重要，骨胶比次之，最后是粉煤灰掺量，其中骨料级配的最佳透水率为8∶2∶0，骨胶比是3∶6，粉煤灰为30%，掺入30%的粉煤灰是最佳的。

各因素对再生透水砖透水系数影响趋势如图2所示。

图2 各因素对再生透水砖透水系数影响趋势图

由图2（a）可得，增加粗骨料的含量，细骨料比例减少，透水砖中的孔隙率增加。当粗集料含量达到80%时，需要较多粒径为1.16mm～2.35mm的细骨料填充，骨料之间的孔隙率变大，孔隙不易被填充，透水砖内部孔隙呈现大而多的特点，连通孔隙更容易形成，因此表现出更好的透水性能。

由图2（b）可得，随着骨胶比增大，透水系数升高。骨胶比对透水系数影响较显著，随着骨胶比的增加，减少胶凝材料的比例，骨料包浆的厚度不大，孔隙中的胶凝材料数量减少，颗粒之间的摩擦力增加，颗粒不易发生移动，可以形成更大的孔隙，孔隙由大量细槽连接，形成许多相互连接的孔隙，渗透性增加。

由图2（c）可得，增加粉煤灰的掺量，透水系数逐渐降低，但影响不大。粉煤灰的密度比水泥低。等量替换后，胶凝材料的含量增加，骨料包浆的厚度增加，影响了连通细槽的形成。粉煤灰具有“滚珠效应”，有助于减少混合料摩擦，提高悬浮液的流动性。悬浮液和细骨料容易填充孔隙，因此透水砖的密度变大，降低了透水砖的透水系数。

2.3 最佳试验组合

强度和透水系数综合分析图如图3所示，对最佳组合方案进行研究，见表7。

图3 各因素对透水砖性能影响趋势图

表7 最优配合比

3 结论

首先，粉煤灰掺量对透水砖也有很大影响。粉煤灰作为细小的骨料，填补了微孔，改善了透水砖的压实度。同时，粉煤灰具有滚珠效应，可以增加混合物的流动性，减少骨料之间的摩擦，增加透水砖密实度并增加其强度。

其次，在微观结构上，增加粉煤灰的用量对强度有负面影响，而在宏观上，增加粉煤灰的用量有利于提高透水砖的强度。在微观层面上，粉煤灰的用量对透水砖的性能有较大影响，因此上述透水砖会因粉煤灰的添加量而有所不同。

最后，通过试验得出最优的组合方案，即级配比为6∶3∶1、骨胶比为3.2、粉煤灰掺量为0.3。按照最佳方案进行多次试验，调整配合比后制备的再生透水材料抗压强度为43.27MPa，透水系数为2.7×10-2cm/s。