再生材料透水砖透水性能和抗冻性能研究

刘洋，翟家欢，李长江，翟爱良

（1.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018；2.泰山基业开发建设有限公司，山东 泰安 271018；3.成武县水务局，山东 菏泽 274200）

0 引言

海绵城市的建设重点是城市道路的建设[1]，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。本文利用废弃的黏土砖，经过破碎、筛分、清洗、晾晒、包浆等处理工艺，得到再生砖骨料，然后将骨料经过适当的工艺制备成透水砖。透水砖的制备及应用对于解决建筑垃圾造成的环境污染问题，以及对于改变城市在下雨时的渗水、蓄水问题，减少城市雨季内涝以及有效缓解城市热岛效应等方面具有重要意义，对未来城市发展以及人居环境改善具有长远影响。

1 试验材料

1.1 再生砖骨料

我国每年拆迁产生了大量的建筑垃圾，比如废弃黏土砖，这些建筑垃圾往往会被拉到空旷地带就地堆放，占用了大量土地资源且对环境造成了污染，废弃黏土砖具有孔隙率大、吸水率高的特性；基于以上考虑，本试验骨料选用拆迁后的废弃黏土砖经过处理后的碎砖块，这样既保护了环境，又充分利用了黏土砖的吸水特性，实现了废物利用。

本试验将废弃黏土砖经过破碎、筛分、清洗工艺，得到了再生砖骨料，粒径为9.5～13.2 mm。在经过人工及机械破碎、清理后，制得的砖骨料表面粗糙、棱角过多、且内部含有大量的微裂缝，需对再生砖骨料进行强化处理，以提高其实用性。借鉴再生混凝土骨料的强化方法，本试验采用水泥基胶凝材料对再生砖骨料二次包浆强化的方法来提高骨料强度，包浆用的水泥浆体与拌合混凝土采用相同的水胶比，以减少包浆用的水泥浆体与拌合用混凝土水胶比的不同带来的误差。制备工艺过程如图1所示。

图1 再生砖骨料制备工艺过程

再生砖骨料基本物理性能如表1所示。

表1 再生砖骨料基本物理性能指标

1.2 其他试验材料

水泥：P·C42.5，密度3.03 g/cm3，28 d抗压强度54.5 MPa；中砂：粒径0.35～0.5 mm，细度模数2.3～3.0；减水剂：聚羧酸高效减水剂；硅粉：180目，硅含量99%；水：符合JGJ 63—2006《混凝土拌合用水标准》自来水。

2 试验设计与方法

2.1 配合比设计

采用控制变量法，研究水胶比、目标孔隙率、砂率、砖骨料掺量4种因素对再生材料透水砖透水性能和抗冻性能的影响。考虑到构成透水砖的透水混凝土中存在的均匀空隙结构，本试验配合比设计选用饱和骨料体积法。首先通过骨料紧密堆积密度和表观密度计算再生砖骨料的空隙率，然后再规定一个合理的目标孔隙率和水胶比，通过体积法公式计算出单位体积透水混凝土中其他材料的用量，即粗骨料体积+胶结浆体体积+目标孔隙率=1[2]。试验配合比如表2所示。

表2 再生材料透水砖试验配合比

2.2 再生材料透水砖制备及养护

再生材料透水砖最终是应用于路面铺设，必须具备一定的力学强度，若尺寸太大，其力学强度则无法保证，若尺寸太小，其制备过程较为不便，综上2点原因，结合市场上多种砖体尺寸，本试验制作的再生材料透水砖试块一、试块二规格分别为：240 mm×115 mm×53 mm、150 mm×150 mm×50 mm。

由于再生砖骨料内部吸水性较强，为防止拌合物在搅拌过程中骨料吸收拌合用水，此拌合用水只用于水泥水化，所以在拌合之前需对再生砖骨料进行浸泡处理，使骨料达到饱和面干状态。将水泥、硅粉、减水剂、砂拌合均匀，然后加入水，人工搅拌约60 s，得到水泥砂浆，再加入强化处理后的饱和面干再生砖骨料，搅拌约120 s，视拌合物的表观状态适当加入减水剂或延长搅拌时间。考虑到再生材料透水砖的多孔结构，且骨料之间主要依靠表面水泥粘结成型，如果采用传统的机械振动方式进行试块的密实，会引起沉浆现象。本试验采取拌合物分3次填料入模，且每层人工插捣25次密实的成型工艺。结果表明，此工艺得到了骨料表面被胶结浆体均匀包裹且表面有金属光泽的透水砖。

再生材料透水砖骨料之间的孔隙比普通混凝土试块要大，且水泥砂浆较少，这就导致透水砖的早期强度较低。所以本试验采用透水砖密实成型后连同模具一起送入标准养护室，养护48 h拆模的方法，并且拆模后继续送至标准养护室养护至28 d龄期。

成型的再生材料透水砖如图2所示。

图2 成型的再生材料透水砖

2.3 试验方法

透水性能试验中透水系数依据GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》进行测试，基于再生材料透水砖的透水系数和规范规定尺寸的透水试块透水系数一样的情况下，考虑到透水套筒的尺寸，透水性能试验选用透水试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

抗冻性能试验中质量损失率和相对动弹性模量依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试，抗冻性能试验采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试块。

3 试验结果与分析

3.1 水胶比对再生材料透水砖透水性能的影响

本试验选用表2中A1～A4组配合比进行试验。水胶比对再生材料透水砖28 d透水系数的影响如表3所示。

表3 水胶比对再生材料透水砖透水系数影响

由表3可知，随着水胶比的增大，透水系数先增大后减小。当水胶比从0.30增大到0.32时，透水系数增大，这是由于在水胶比较小时，水泥水化不充分，水泥砂浆呈散聚状态且粘聚性较差，再生材料透水混凝土在入模成型时，未水化的水泥会沉积到模具底部，堵塞了原有的透水通道，导致透水系数较小，随着水胶比的增大，水泥水化越来越充分，致使水泥砂浆的流动性、粘聚性、包裹性越来越好，使透水砖内部的连通孔隙或半连通孔隙发展越充分，其透水系数也不断提高[3]，当水胶比达到0.32时，透水系数达到最大值2.36 cm/s；但当水胶比继续增大时，透水系数呈现减小状态。因为用水量越大，水泥水化越充分，并且剩余水量不断增加，此时水泥砂浆流动性不断增大，在入模成型时，水泥砂浆在重力作用下会沿着骨料表面滑到试件底部，出现“沉浆”现象，堵塞了试件原有的底部连通孔隙，使有效孔隙率减小，导致透水系数变小。

3.2 目标孔隙率对再生材料透水砖透水性能的影响

CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》当有效孔隙率达到10%时，透水混凝土就能保证透水性能，但为了有更佳的透水效果，本试验特设定目标孔隙率为20%～26%。本试验选用表2中的B1～B4组配合比进行试验。目标孔隙率对再生材料透水砖28 d透水系数影响的线性拟合曲线如图3所示。

图3 目标孔隙率对透水系数影响的线性拟合曲线

由图3可知，随着目标孔隙率的增大，透水系数也不断增大，且目标孔隙率和透水系数几乎成正相关的线性关系，两者线性拟合方程为：Y=18.335X-2.667。因为目标孔隙率的增大，说明其透水混凝土试块内部有效孔隙数量增多，致使其透水能力增强，从而使透水系数增大[4]。当目标孔隙率较小时，透水砖的力学强度较高，但透水能力较低；当目标孔隙率较大时，透水砖的透水性能较高，但是其力学强度又无法达到实际应用的要求。

3.3 砂率对再生材料透水砖透水性能的影响

本试验在预实验和前人工作的基础上，选取合理砂率为25%～40%。选用表2中的C1～C4组配合比进行试验。砂率对透水砖28 d透水系数影响的拟合曲线如图4所示。

由图4可知，随着砂率的不断增大，透水砖的透水系数呈不断下降状态。当砂率不断增大时，更多的砂子填充在粗骨料和水泥浆的空隙中，使再生材料透水混凝土的密实度不断提升，使得透水砖中的有效孔隙被不断增多的细骨料中砂逐渐占据，即透水通道不断减少，从而导致其透水系数几乎沿直线下降。其线性拟合方程为：Y=-5.4668X+3.5067。透水系数越小，透水砖透水能力越差，力学强度越高，相反，其透水能力越强，力学强度越差。但在工程实际应用中，需要兼备力学性能和透水性能，所以透水系数不能无限制小或者无限制大。

图4 砂率对透水系数影响的线性拟合曲线

3.4 再生砖骨料掺量对再生材料透水砖透水性能的影响

本试验选用破碎后的黏土砖块作为粗骨料，再生材料透水砖主要是通过粗骨料与水泥砂浆形成的有效孔隙实现透水的目的。经过前期预试验，确定本组试验再生砖骨料掺量为1074.93～1164.93 kg/m3。选用表2中的D1～D4组配合比进行试验。再生砖骨料掺量对透水砖28 d透水系数的影响如表4所示。

表4 再生砖骨料掺量对透水砖透水系数的影响

由表4可知，再生材料透水砖的透水系数随再生砖骨料掺量的增加，呈现先减小后增大的趋势，但总体变化不大，幅度约为0.1 cm/s。当再生砖骨料掺量从1074.93 kg/m3增长至1104.93 kg/m3时，透水系数呈下降状态，当砖骨料掺量较小时，骨料之间形成的有效孔隙数量较多且孔隙直径较大，所以透水能力较强；随着砖骨料的继续增加，骨料之间的有效透水孔隙数量较少，使得透水系数下降，当砖骨料掺量增大至1104.93 kg/m3时，透水系数下降至最低点；当再生砖骨料掺量继续增加时，其透水系数又有所上升，但上升幅度很小，这是由于本试验采用控制变量法，水胶比、目标孔隙率、砂率是定值，即水泥砂浆的总量不变，使得包裹在骨料表面的水泥砂浆厚度随砖骨料掺量的增加而逐渐变薄，使得骨料之间的有效孔隙数量和孔隙直径略微有所增加，所以其透水系数又有小幅上升。相对于水胶比、目标孔隙率、砂率对透水系数的影响，再生砖骨料掺量对其透水系数的影响较小。

3.5 抗冻性能试验中再生材料透水砖质量损失

水胶比、目标孔隙率、砂率、再生砖骨料掺量不仅对再生材料透水砖透水性能有明显的影响，对透水砖抗冻性能也有一定的影响。以上4种因素对再生材料透水砖抗冻性能质量损失率的影响如图5所示。

图5 冻融循环次数与质量损失率的关系曲线

随着冻融循环次数的增加，不同水胶比、目标孔隙率、砂率、再生砖骨料掺量的再生材料透水砖的质量损失率均呈现上升状态。

由图5（a）可得，当水胶比为0.30时，透水砖的质量损失率的损失速率要高于其余水胶比的透水砖；冻融循环次数未超过20次时，水胶比为0.32、0.34、0.36的透水砖其质量损失率曲线几乎重合；当冻融循环次数达到25次时，水胶比为0.32的透水砖质量损失率仍然呈现上升状态，而水胶比为0.34、0.36的透水砖质量损失率几乎不再变化；水胶比对再生材料透水砖抗冻性能的影响主要体现在水胶比的变化使其内部结构产生不同的孔隙结构体系，随着水胶比的增大，水泥水化越来越充分，但剩余的拌合用水也变多，这些水填充在毛细孔隙中，在冻结过程中体积膨胀，使得孔隙孔径增大，导致再生材料透水砖强度降低，抗冻性能也随之降低[5-7]。

由图5（b）可得，冻融循环次数未超过15次时，目标孔隙率为20%的透水砖质量几乎无损失，目标孔隙率为22%、26%的透水砖其质量损失率先缓慢上升然后趋于水平，目标孔隙率为24%的透水砖质量损失率则一直处于上升状态。

由图5（c）可得，冻融循环次数未超过15次时，4种砂率的透水砖均呈现稳定上升状态，并在冻融循环次数为10～15次时出现平台；冻融循环次数超过15次后，4种砂率透水砖的质量损失率均呈现急剧上升状态，随后质量损失率趋于稳定。

由图5（d）可得，4种再生砖骨料掺量的透水砖，随着冻融循环次数的增加，其质量损失率均呈现稳定平缓上升状态，其中，再生砖骨料掺量为1104.93 kg/m3的透水砖质量损失率上升相对比较缓慢，而砖骨料掺量为1134.93 kg/m3的透水砖其质量损失率上升速率相对较快。

在水冻水融的冻融条件下，再生砖骨料本身的高吸水性以及透水砖本身多孔性结构的存在，使其能够迅速吸水饱和，在冻结过程中，孔隙中的游离水凝固体积膨胀9%，进而使得透水砖体积膨胀，从而导致包裹在再生砖骨料表面的水泥砂浆胶结层受损产生裂缝，并且裂缝随着冻融循环次数的增加而逐渐扩展变大，且胶结力逐渐丧失，最终导致表面及边角骨料的脱落，所以质量损失率不断增大。

3.6 抗冻性能试验中再生材料透水砖的相对动弹性模量

混凝土动弹性模量是运用动力学中的共振法，在周期性交变的微应力作用下测试混凝土的弹性模量。动弹性模量比静弹性模量略高，它可反映材料的抗冻性及耐久性。本试验通过动弹性模量测定仪，测试冻融循环后不同配合比试件的动弹性模量，以此判断试件的抗冻性能。不同影响因素对再生材料透水砖抗冻性能相对动弹性模量的影响如图6所示。冻融循环后的再生材料透水混凝土试块如图7所示。

图6 冻融循环次数与相对动弹性模量的关系曲线

图7 冻融循环后的再生材料透水混凝土试块

随着冻融循环次数的增加，不同水胶比、目标孔隙率、砂率、再生砖骨料掺量的再生材料透水砖的相对动弹性模量均呈下降状态。

由图6（a）可知，冻融循环次数为5次时，水胶比为0.30、0.34、0.36的透水砖相对动弹性模量呈缓慢下降状态，但水胶比为0.32的透水砖相对动弹性模量下降速率较大；冻融循环次数超过5次后，水胶比为0.30、0.34的透水砖相对动弹性模量下降速率趋于平缓，水胶比为0.32、0.36的透水砖相对动弹性模量下降速率较大，高于其余2个水胶比的透水砖。

由图6（b）可知，冻融循环次数未超过10次时，目标孔隙率为24%的透水砖相对动弹性模量下降趋势明显且下降速率较大，冻融循环次数超过10次后，其相对动弹性模量下降状态趋于平缓且速率变小，此时，目标孔隙率为20%的透水砖相对动弹性模量下降速率变化较大，从较小值突变为较大值。

由图6（c）可知，砂率为25%、35%、40%的透水砖相对动弹性模量下降速率较为稳定，几乎呈现直线下降状态，但砂率为30%的透水砖相对动弹性模量下降速率变化较大，在冻融循环次数低于5次时，下降速率较大，远大于其余3个砂率的透水砖；当冻融循环次数为5~15次时，相对动弹性模量下降速率最小，几乎呈一条水平直线；冻融循环次数超过15次时，相对动弹性模量下降速率增大且变化较大。

组成再生材料透水砖的再生材料透水混凝土是一种多孔堆聚状结构，由水泥砂浆、再生砖骨料、孔隙等组成。因为再生砖骨料以及骨料之间的胶结材料本身具有较高的动弹性模量，但是再生砖骨料与胶结浆体之间的过渡区域强度较低，动弹性模量也相对较低[8]，在反复冻融循环过程中，再生材料透水砖内部孔隙中的游离水受冻凝固膨胀，使得砖体内部各部分之间受到各种复杂形式的拉应力，包裹在砖骨料表面的水泥砂浆的裂缝逐渐延伸扩展，且骨料之间的过渡区域弱界面效应增强，随着冻融循环次数的增加，致使再生材料透水砖砖体的密实度和整体性下降，最终导致透水砖相对动弹性模量降低。

4 结论

（1）考虑到工程的实际应用，透水系数太大，强度不够，透水系数太小，不满足透水要求；再生材料透水砖透水性能最优配合比为：水胶比0.30～0.32，目标孔隙率22%～24%，砂率30%～35%，再生砖骨料掺量1104.93 kg/m3，当水胶比达到0.32时，透水系数达到峰值点2.36 cm/s。

（2）随着目标孔隙率和砂率的不断增大，再生材料透水砖的透水性能分别呈现明显的上升和下降状态，二者线性拟合方程分别为：Y=18.335X-2.667，Y=-5.4668X+3.5067。

（3）再生砖骨料掺量对透水砖的透水性能影响不大，透水系数随再生砖骨料掺量的增加，呈现先减小后增大的趋势，但总体变化不大，变化幅度约为0.1 cm/s。

（4）随着冻融循环次数的增加，不同配合比再生材料透水砖的质量损失率均呈现上升状态，尤其水胶比为0.30时、目标孔隙率24%、砂率25%、再生砖骨料掺量1134.93 kg/m3时，质量损失速率最大；不同配合比的透水砖相对动弹性模量随冻融循环次数的增加均呈现下降状态，尤其水胶比0.3～0.32、目标孔隙率24%、砂率30%、再生砖骨料掺量1104.93 kg/m3和1164.93 kg/m3时，相对动弹性模量下降速率最大。

（5）再生材料透水砖抗冻性最优配合比为：水胶比0.34，目标孔隙率20%～22%，砂率35%，再生砖骨料掺量1074.93 kg/m3。