不锈钢渣透水砖密度与透水性和强度的相关性

安晓燕

（河北建材职业技术学院，河北 秦皇岛 066004）

透水砖自20世纪被荷兰人发明以来，已在欧美、日本等发达国家得到广泛应用[1]，目前在我国的“海绵城市”建设中正发挥着重要作用[2]。其中，免烧透水砖由于利用了各种工业废渣而发展迅速，电厂固硫灰[3]、煤矸石[4]、尾矿渣[5]、污泥[6]、再生骨料和粉煤灰[7]等都可作为其原材料。不锈钢生产中产生多种废渣，其中一种废渣外观与砂接近，因其颗粒表面粗糙，所以将其用作混凝土细骨料会影响流动性，但很适合用来制备通过半干料压缩成型的透水砖。

透水性是透水砖最重要的性能指标，相关研究受到关注，包括“集料的紧密堆积密度”[8]以及“灰色系统”[9]等理论都被用于指导其配合比设计，赵亚兵和晋红强等[4，10]认为，GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》规定的透水系数测试存在缺陷，于是开发了自己的试验装置和计算方法，本研究则设计了一种更加简便的透水性测试方法。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，秦皇岛浅野水泥有限公司生产；不锈钢渣：细度模数为2.56（属中砂），上海宝钢产，其主要化学成分见表1，粒度分布见表2，微观形貌及颗粒表面能谱分析见图1；石：粒径5～10 mm，秦皇岛青龙县；水：自来水。

表1 不锈钢渣的主要化学成分 %

表2 不锈钢渣的粒径分布

由图 1（a）、（b）可见，不锈钢渣的外观与普通河砂接近，其颗粒表面较为粗糙，并附着了大量的结晶态微粒；将其进一步放大，从图1（c）、（d）可见大量的棒状或颗粒状结晶微粒，对这2类特征微粒进行能谱分析可以看出，其成分主要为硅、钙、铝、镁的氧化物，这与表1的主要化学成分相吻合。

1.2 试件制作

采用半干料压缩成型方法，按配比将称量好的水泥与水拌合均匀，再将粗细骨料与水泥浆拌合均匀，得到半干料，然后将一定质量的半干料装入由Φ75 mm的PVC管切割而成、高度为150 mm的成型模具，最后用Ф70 mm的实心圆铁柱压缩至规定的50 mm高度。因PVC管壁厚1.5 mm，得到的试件原始尺寸为Ф72 mm、高度50 mm，在强度和体积测试前应对试件上表面进行打磨。

1.3 试验配合比

试验配合比见表3，用水量应根据其它材料掺量的变化进行调整，以保证获得刚好不会粘聚成坨的半干料。

表3 试验配合比 g

1.4 测试仪器与测试方法

（1）抗压强度：依据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试，采用无锡建材仪器厂TYE-300D水泥强度抗压/抗折试验机，加载速率0.5 kN/s，测试前7 d用纯水泥浆填平试件上、下表面的孔隙。

（2）绝干密度：依据GB 11970—1997《加气混凝土体积密度含水率和吸水率试验方法》，根据绝干硬化试件的体积和质量计算。

（3）透水性：参照JC/T 945—2005《透水砖》，分别采用河北沧州献县科宇高铁仪器设备厂型号ST-A透水系数测试仪（见图2）和自行设计的简易实验装置（见图3）进行测试。

图2 JC/T 945—2005透水系数测试装置示意

图3 简易法透水系数测试装置示意

简易测试方法是将一个比试件直径略粗的塑料瓶底部去掉作为透明漏斗，将瓶口向下放在量筒上，组成透水性简易测试装置；将试件连同PVC管成型模具一起泡水24 h，在测试前将试件及模具从水中取出，静停几十秒，等到试件不再滴水时将其放入透明漏斗中；将120 mL自来水从PVC管中的试件上方倒入其中，一段时间后自来水会透过试件并经漏斗下方的出口进入接水量筒中。从量筒中水位上升至20 mL时开始计时，当水位升至100 mL时计时结束。根据计时时间来评价试件的透水性，并按照JC/T 945—2005计算透水系数。

式中：kT——水温为T时试件的透水系数，cm/s；

Q——时间t秒内的渗水量，mL；

L——试件厚度，cm；

A——试件上表面积，cm2；

H——水位差，参照JC/T 945—2005，取15 cm；

t——时间，s。

2 试验结果与分析

2.1 简易透水性测试方法的可靠性

分别采用2种方法测试不锈钢渣透水砖的透水系数，1#～21#试件的透水系数测试结果如表4所示。

表4 用不同方法测试不锈钢渣透水砖的透水系数 cm/s

由表4可见，简易法与按JC/T 945—2005方法的测试结果极为接近，其结果的可靠性很高，在本研究选择的系列配合比中都表现出极小误差。因此，简易法在一定条件下完全可以替代JC/T 945—2005方法。由于JC/T 945—2005方法规定的复杂测试步骤和程序，主要是为了克服透水砖的生产原材料、制备方法以及测试环境等各种因素变化对测试结果的影响，而当这些条件都固定不变时，通过大幅度简化其中的程序、步骤仍可获得可靠的测试结果，进而显著提高研究效率。

2.2 不锈钢渣透水砖的强度与密度的相关性

不锈钢渣透水砖绝干密度和抗压强度测试结果见表5。

表5 不锈钢渣透水砖的绝干密度和抗压强度

由表5可见，试件的绝干密度在1.9～2.3 g/cm3之间，采用450、435、420 g半干料所制备的试件绝干密度分别为2.3、2.2、1.9 g/cm3，相同半干料的试件其绝干密度上下波动的范围很小。这显然是由试件成型方法本身决定的，将相同质量的半干料压制成相同体积的试件，其密度就比较接近。而试件的抗压强度在9～30 MPa间呈现相同规律的大幅度波动，并且随着试件中水泥和不锈钢渣掺量逐渐减少呈逐渐降低趋势。

按照水泥掺量分类，对表4中1#～24#试件的绝干密度-抗压强度进行线性拟合，拟合公式见表6。

表6 不锈钢渣透水砖绝干密度-抗压强度拟合公式

由表6可见，在相同配合比下，不同质量半干料所对应的绝干密度与抗压强度呈现较高的线性关系，其线性相关系数大多数超过0.98。这表明，在实际生产中可以通过对不锈钢渣透水砖绝干密度的控制获得预期的抗压强度，而绝干密度可以通过对入模半干料用量的简单调整得到精确的控制。

2.3 不锈钢渣透水砖的透水系数与密度的相关性

对1#～24#试件的绝干密度-透水系数进行线性拟合，拟合公式见表7。

表7 不锈钢渣透水砖绝干密度-透水系数拟合公式

由表7可见，绝干密度与透水系数成负相关性，二者的相关性也比较高，除了16#～18#试件拟合直线的相关性较低，1#～3#试件拟合直线和4#～6#试件拟合直线的相关性略低以外，其它5组试样的绝干密度与透水系数的线性相关性都较高（相关系数均大于0.98）。可以认为，本研究中的试件绝干密度与透水性之间也存在极高的线性相关性，即同样可以通过控制绝干密度来简便且精确地控制产品的透水性。

2.4 不锈钢渣透水砖透水系数与抗压强度的关系

不锈钢渣透水砖的透水系数与抗压强度测试结果如表8所示。

表8 不锈钢渣透水砖的透水系数与抗压强度

从表8可以看出，只有1#试件的透水系数不符合GB/T 25993—2010要求（A级、B级透水砖的透水系数应分别大于0.02、0.01 cm/s），10#试件达到B级要求，其它试件均达到A级产品要求。

结合表3配合比可知，没有掺钢渣的20#～24#试件虽然有很高的透水系数，但其抗压强度不足18 MPa，考虑到试件的尺寸效应，本研究测得的强度显然会高于常规的150 mm×150 mm×150 mm立方体强度，所以，按照一般工程经验，该类材料只能用于人行道，无法用于行车路面；而掺有钢渣的1#～15#试件中除前2个试件的透水性略低外，其它都具有良好的透水性且抗压强度在18～32 MPa，可根据实际要求选择不同量的半干料来调整；不含钢渣的16#～19#试件虽然也具有较好的透水性，但其强度相对较低；在相同水泥掺量和半干料用量的条件下，对比1#～9#试件可知，适当的钢渣掺量可获得较高的强度，其透水性随着钢渣掺量的增加逐渐提高。

3 结论

（1）采用不锈钢渣半干料通过压缩成型工艺可制备出透水性符合GB/T 25993—2010中A级标准要求的透水砖，在本研究范围内，适当的不锈钢渣掺量可获得较高的强度，而透水性随着钢渣掺量的增加逐渐提高。

（2）在相同配合比下，半干料用量不同所产生的绝干密度、透水系数与抗压强度三者之间呈现较高的线性关系，其线性相关系数大多数超过0.98。实际生产中可通过对入模半干料质量的调整来控制密度，进而简便、精确地控制透水性并获得预期强度。

（3）所设计的透水系数简易测试法的可靠性很高，在本研究范围内的测试结果与按JC/T 945—2005的测试结果极为接近。

[1] 陈氏凤，董泽，岑如军，等.透水砖及其铺装系统的研究现状和进展[J].新型建筑材料，2017（3）：8-10.

[2] 张静波，蔺建学.透水砖在海绵城市建设中的应用[J].砖瓦世界，2016（9）：27-28.

[3] 何天驰，胡志华，肖正，等.循环流化床固硫灰制备透水砖的研究[J].粉煤灰综合利用，2014（2）：21-25.

[4] 赵亚兵，张新朋，吴楠，等.环保免烧结煤矸石透水砖的制备方法及其透水性能[J].硅酸盐通报，2014，3（12）：3255-3261.

[5] Meng Guangzhu，Hao Wang，Liu Lili，et al.Preparation and characterization of permeable bricks from gangue and tailings[J].Construction and Building Materials，2017，148（9）：484-491.

[6] 谢敏，高丹，刘小波，等.利用给水厂污泥制备透水砖的实验研究[J].环境工程学报，2013，7（5）：1925-1928.

[7] Lan Zong，Zhengyue Fei，Shiping Zhang.Permeability of recycled aggregate concrete containing fly ash and clay brick waste[J].Journal of Cleaner Production，2014，70（5）：175-182.

[8] 贺图升，赵旭光，赵三银，等.基于集料裹浆厚度的水泥基透水砖配合比设计[J].建筑材料学报，2015，18（2）：287-290.

[9] 贺图升，赵旭光，赵三银，等.混凝土透水砖性能影响因素的灰色关联分析[J].硅酸盐学报，2014，33（8）：1935-1939.

[10] 晋红强，王春阳，刘洋.透水砖透水系数测试方法的研究与改进[J].混凝土与水泥制品，2017（7）：58-61.