再生材料透水砖强度影响因素研究

刘洋,徐学东,翟爱良

再生材料透水砖强度影响因素研究

刘洋,徐学东,翟爱良*

山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018

为深入分析不同因素对再生材料透水砖强度的影响，本文运用控制变量法，研究了水胶比、目标孔隙率、砂砖骨率、再生砖骨料掺量四种因素对透水砖强度的影响。结果表明：水胶比为0.32，目标孔隙率为20%，砂砖骨率为35%，骨料掺量为1104.9 kg/m³时，再生材料透水砖的抗压强度及抗折强度最高。

再生料;透水砖; 影响因素

海绵城市是新一代城市雨洪管理概念，是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害方面具有良好的“弹性”[1]。渗、滞、蓄、净、用、排[2]是海绵城市建设的内涵，其中“渗”尤为重要。随着城镇化建设的推进，城市路面硬化范围扩大，到处都是不透水材料铺装，改变了原有自然生态本底和水文特征。良好的渗透性，可以避免地表径流形成，减少从硬化不透水路面汇集到市政管网；同时，涵养地下水，补充地下水不足。使雨水渗透良好的方法主要是使用路面、地面透水铺装材料，使城市路面自然渗透，从源头将雨水留下来，然后“渗”下去。海绵城市建设的重点是城市路面和道路的建设，路面材料的实质性应用应表现出优秀的渗水、抗压、耐磨、防滑以及环保美观等特点，当然最重要的还是要有良好的透水性和抗压强度。

在我国各个城市的道路建设中，人行道、景观大道、景观路面也占有很大一部分比例，这些路面一般承担的荷载比较小，但需要有良好的透水性能，所以这些路面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，得到透水混凝土的骨料，然后将骨料经过适当的制备工艺做成透水砖。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，减少城市由于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，对我国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

再生材料透水砖是由再生骨料作为粗骨料，与水泥砂浆相互粘结成均匀空隙的多孔透水性结构。透水砖的骨架是再生材料透水混凝土，由再生砖骨料、水泥砂浆胶结料、外加剂和水构成。

1.1 再生砖骨料

本试验所用的骨料选自山东省泰安市泰山区迎胜路某居民小区拆迁产生的废弃黏土砖。经过测定，此废弃黏土砖的抗压强度达到《烧结普通砖》（GB/T5101-2017）[3]MU10等级。废弃黏土砖经过人工及颚式破碎机破碎、筛分，筛得粒径为9.5～13.2 mm的碎砖块。对破碎后的碎砖块用自来水冲洗，洗去破碎过程中沾覆碎砖块表面的灰尘和杂质，以保证在拌合成型时浆体与骨料紧密粘结。废弃黏土砖强度低、压碎指标高、吸水率大，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，所以需对碎砖块进行强化处理，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有相同的水胶比，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。在试验前48 h，用与拌和混凝土水胶比相同的水泥浆对处理好的再生砖骨料进行包浆强化处理，试验前24 h，相同的方法对再生砖骨料进行二次包浆强化处理，以提高再生砖骨料强度[4]。废弃黏土砖内部吸水性极强，为了不让再生砖骨料在混凝土拌合过程中吸取水泥水化所需要的水分，在二次包浆强化时使骨料达到饱和面干状态，确保水泥水化充分。为使骨料包浆浆膜厚度均匀，达到强化目的，应先将水泥和水搅拌均匀，在投入饱和面干的骨料进行包浆强化处理。制备工艺过程如图1所示，强化处理后的再生砖骨料基本物理性能如表1所示。

图1 再生砖骨料制备工艺过程

表1 再生砖骨料基本物理性能指标

1.2 其他试验材料

中砂：粒径为0.35～0.5 mm、细度模数2.3～3.0的中砂，作为再生材料透水砖的细骨料，主要起到提升透水砖力学性能的作用。中砂的基本物理性能指标主要体现在细度模数、堆积密度、表观密度、坚固性指标、压碎指标等方面。根据相关的标准试验方法，对中砂的各项基本物理性能进行测定，性能指标如表2所示。

表2 中砂基本物理性能指标

水泥：本试验选用泰山中联水泥有限公司生产的P·C 42.5普通硅酸盐水泥，经相关标准试验方法测定，其密度3.03 g/cm3，28 d抗压强度54.5 MPa。

水：本试验混凝土拌合用水选用符合JGJ63-2006《混凝土拌合用水标准》的自来水。

2 试验方法

2.1 配合比设计

本试验采用9.5～13.2 mm单一粒径的再生砖骨料，采用控制变量法，研究水胶比、目标孔隙率、砂砖骨率、砖骨料掺量四种因素对再生材料透水砖的力学强度影响，试验配合比如表3所示。

表3 再生材料透水砖试验配合比

与传统的普通混凝土配合比设计方法不同，组成本透水砖的透水混凝土要考虑到成型后的透水性能和强度问题，传统的普通混凝土配合比设计主要考虑强度方面的影响，所以综合以上方面的考虑，本再生材料透水砖配合比设计选用体积法。体积法是先通过骨料紧密堆积密度和表观密度计算出再生砖骨料的空隙率，然后再人为规定一个合理的目标孔隙率和水胶比，通过确定的公式计算出单位体积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[5]。

2.2 再生材料透水砖的制备

考虑到再生材料透水砖实用性和试验室试验条件，本文将制备两种尺寸规格的透水砖：试块一240×115×53 mm；试块二150×150×50 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，所以在搅拌之前对再生砖骨料进行浸泡处理，使骨料达到内部水饱和而外部无水的饱和面干状态，浸泡后的骨料用干布擦干或者自然风干表面。

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，可视拌合物的表观状态适当加入减水剂和延长搅拌时间。实验中拌合物量少可采用人工搅拌，在量大则采用低速搅拌机搅拌。普通混凝土试块一般采用机械振动密实成型的方法，但由于考虑到再生材料透水砖具有多孔结构的特殊性，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的方式进行试块的密实，会引起水泥砂浆沿骨料表面的流失，甚至会引起沉浆现象，会严重影响成型后透水砖的力学性能及透水性能。所以本试验拌合物入模采用分批次填料，即分3层填料、每层人工插捣密实的成型工艺，结果表明此工艺试验效果最好，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。所以本试验将上述拌合好的再生砖骨料拌合物分3次填入模具中，并每层用铁棍由外及内插捣25次密实成型。

2.3 再生材料透水砖的养护

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，再采用普通混凝土试块的养护及拆模方法，会导致透水砖边角的骨料脱落或整体性松散破坏。本试验采用透水砖密实成型后，连同模具一起送入相对温度20±2 ℃、相对湿度95%的标准养护室，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。经标准养护后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

2.4 试验方法

抗压强度试验方法根据GB/T 50129-2011《砌体基本力学性能试验方法标准》[6]进行测试，抗折强度试验方法根据GB/T 25993-2010《透水路面砖和透水路面板》[7]进行测试。

3 试验结果与分析

3.1 水胶比对再生材料透水砖强度的影响

水胶比是配制混凝土时用水量和胶凝材料用量的质量比。水胶比影响透水混凝土的浆膜厚度和水泥砂浆的凝聚结构，在组成材料给定的情况下，水胶比是决定透水混凝土强度的主要因素[8]。本试验所制备的再生材料透水砖的组成材料即为透水混凝土，所以水胶比决定透水砖强度的主要因素，将直接影响透水砖的性能，是配合比设计中一个重要的环节。本试验选用表3中A1～A4四组配合比进行试验。

水胶比对两种规格透水砖的28 d抗压强度和抗折强度的影响如图3所示。

图3 水胶比对抗压强度和抗折强度的影响曲线

由图3可知，随着水胶比的增大，两种规格再生材料透水砖的28 d抗压强度、抗折强度都呈现下降的状态。当水胶比从0.3增大到0.36时，两种规格透水砖的抗压、抗折强度均呈现下降状态，这是由于随着水胶比的增大，混凝土拌合用水量逐渐增多，用水量已超过水泥水化所需要的水分，水泥水化充分以后，多余的游离水在水泥砂浆中移动形成毛细孔，增大了对强度不利的弱界面效应，与此同时，过大的水胶比使得水泥砂浆的流动性增大，在入模成型时，部分浆体流到透水砖底部，出现“沉浆”现象，导致透水砖上部包裹在骨料表面的浆膜厚度变薄，从而使透水砖强度变小。由于抗压强度主要由水泥石承担，抗折强度主要由再生砖骨料承担，而水泥石的强度远大于再生砖骨料的强度，所以抗压强度大于抗折强度。从图3可以看出，规格一透水砖的抗压强度要略小于规格二透水砖，这是因为规格二透水砖表面积及体积偏小，所以其抗压强度略微偏高。

综上所述，当水胶比为0.30时，两种规格的透水砖的抗压、抗折强度均达到最大值。规格一透水砖抗压、抗折强度分别为：14.30 MPa、5.01 MPa，规格二透水砖抗压、抗折强度分别为：15.20 MPa、4.89 MPa。

3.2 目标孔隙率对再生材料透水砖强度的影响

目标孔隙率是制备再生材料透水砖的透水混凝土区别于普通混凝土的重要指标，也是透水砖进行体积法配合比设计的重要参数。透水砖内部的孔隙包括封闭孔隙和有效孔隙（连通孔隙及半连通孔隙），有效孔隙是影响透水砖强度的重要因素，由于目标孔隙率要大于有效孔隙率，当有效孔隙率高于10%时，透水混凝土就能保证透水性能[9]，特设定目标孔隙率在20%～26%之间，在保证其透水性能的前提下研究目标孔隙率对两种规格透水砖强度的影响，本试验选用表3中的B1～B4四组配合比进行试验。目标孔隙率对两种规格透水砖的28 d抗压强度和抗折强度的影响如图4所示。

由图4可知，随着目标孔隙率的增大，两种规格透水砖的抗压强度和抗折强度均呈现下降趋势，且基本成线性下降状态，呈负线性相关性。这是由于透水砖的强度主要来源于骨料之间的水泥砂浆的粘结力和凝固后水泥石的强度，而目标孔隙率的增大是由水泥砂浆胶凝材料的减少实现的，胶凝材料的减少使得包裹在骨料表面的浆膜厚度变薄，骨料之间的粘结面积变小，从而导致粘结力变小，透水砖成型后包裹骨料的水泥石强度较低，最终导致透水砖的强度降低。为满足实际工程的需要，透水砖的强度不应低于12 MPa，则目标孔隙率不宜高于24%，取20%最为合适。

图4 目标孔隙率对抗压强度和抗折强度的影响曲线

综上所述，目标孔隙率为20%时，240×115×53 mm规格的透水砖抗压、抗折强度分别为：13.77 MPa、3.92 MPa，150×150×50 mm规格的透水砖抗压、抗折强度分别为：14.69 MPa、3.49 MPa。

3.3 砂砖骨率对再生材料透水砖强度的影响

砂砖骨率是混凝土中砂的质量占砂和粗骨料总质量的比值。砂砖骨率的变动，会使显著改变骨料总表面积，从而影响混凝土拌合物的和易性。当采用合理砂砖骨率时，在用水量和水泥用量一定的情况下，能使混凝土拌和物获得最大的流动性且能保持良好的粘聚性和保水性。细骨料中砂的使用可以填充在再生砖骨料的孔隙间，起到加强透水砖强度的作用。本试验在预实验和前人工作的基础上，选取合理砂砖骨率范围为25%～40%。本试验选用表3中的C1～C4四组配合比进行试验。

砂砖骨率对两种规格透水砖的28 d抗压强度和抗折强度的影响如图5所示。

由图5可知，两种规格再生材料透水砖的抗压、抗折强度随着砂砖骨率的增大，呈现先上升后下降的趋势，均存在最值点。当砂砖骨率从25%增大到35%时，透水砖的强度均随砂砖骨率的增大而变大，这是因为不断增大砂砖骨率填充了透水砖粗骨料和水泥浆的空隙，使透水混凝土的和易性、粘聚性和密实度不断提升，从而使得成型后的透水砖抗压、抗折强度不断提高。当砂砖骨率增大到35%最值点时，两种规格的透水砖的强度均达到最大值，砂砖骨率再继续增大，透水砖强度呈下降状态，因为砂砖骨率超过一定值，骨料的比表面积增大，骨料表面就需要更多的水泥浆来包裹，砂砖骨率的增大使包裹粗骨料表面的水泥浆减少，在一定程度上降低了透水混凝土的和易性以及粘聚性[10]，导致成型后的透水砖抗压、抗折强度降低。

a.试块一抗压、抗折强度 b.试块二抗压、抗折强度

综上所述，为保证透水砖的强度，砂砖骨率取35%最为合适，此时两种规格透水砖的抗压、抗折强度最高，240×115×53 mm规格的透水砖抗压、抗折强度分别为：16.25 MPa、5.97 MPa，150×150×50 mm规格的透水砖抗压、抗折强度分别为：16.15 MPa、5.21 MPa。

3.4 再生砖骨料掺量对再生材料透水砖强度的影响

本试验选用破碎后的黏土砖块作为粗骨料，成型后的再生材料透水砖的强度一方面来自粘结骨料的水泥石的强度，另一方面来自再生砖骨料，所以再生砖骨料的掺量对透水砖的强度有很重要的影响。经过前期预实验，确定本组试验再生砖骨料掺量范围为1074.9 kg/m³～1164.9 kg/m³。本试验选用表3中的D1～D4四组配合比进行试验。

再生砖骨料掺量对两种规格透水砖的28 d抗压强度和抗折强度的影响如图6所示。

图6 再生砖骨料掺量对抗压强度和抗折强度的影响曲线

由图6可知，随着再生砖骨料掺量的增多，两种规格透水砖的抗压、抗折强度均呈现先增大后减小的趋势。当骨料掺量从1074.9 kg/m³增加到1104.9 kg/m³时，透水砖强度也随之上升，因为在骨料掺量较小时，水泥砂浆的量相对骨料的掺量来说较多，流动性较大，在骨料表面形成的包裹层较薄且不均匀，在透水混凝土入模成型时一部分水泥砂浆流到透水砖底部，形成“沉浆”现象，导致透水砖后期强度较低，但随着骨料掺量的增加，当达到1104.93 kg/m³时，由于本试验采用的控制变量法，水泥砂浆总量不变，相对此时的骨料掺量来说达到一种最优配比，在骨料表面形成厚度均匀的包裹层，透水砖的强度也达到最佳状态。当骨料掺量继续增加，透水砖强度出现下降状态，是因为水泥砂浆的总量不足以包裹如此多的骨料，使包裹层变薄，进而导致透水混凝土拌合物均匀性、流动性变差，造成透水砖强度降低。

综上所述，当再生砖骨料掺量为1104.9 kg/m³时，两种规格透水砖的抗压、抗折强度最高，240×115×53 mm规格的透水砖抗压、抗折强度分别为：16.94 MPa、6.10 MPa，150×150×50 mm规格的透水砖抗压、抗折强度分别为：16.25 MPa、6.06 MPa。

4 结 论

（1）控制变量的运用，对影响再生材料透水砖强度的因素得出了最佳数值。当水胶比为0.3、目标孔隙率为20%、砂砖骨率为35%、再生砖骨料掺量为1104.9 kg/m³时，透水砖的强度最高。

（2）水胶比是影响再生材料透水砖的重要因素。存在一个峰值0.3，此时透水砖的强度最高，即为最优水胶比；

（3）目标孔隙率是影响再生材料透水砖强度的另一个重要因素。随着目标孔隙率的增大，透水砖的强度不断下降，但考虑到工程的实际应用问题，目标孔隙率不宜高于24%，取20%最为合适，此时强度最高；

（4）随着砂砖骨率的不断增大，再生材料透水砖的强度呈先增大后减小的趋势。当砂砖骨率达到35%的最优砂砖骨率时，透水砖的强度最高，此时的透水混凝土的和易性、粘聚性、密实度最佳。

[1] 国家住房和城乡建设部.海绵城市建设评价标准GB/T51345-2018[S].北京:中国建筑工业出版社,2018

[2] 中华人民共和国水利部.关于印发推进海绵城市建设水利工作的指导意见的通知（水规划[2015]321号）[Z].北京: 中华人民共和国水利部,2015

[3] 国家质量监督检验检疫总局.烧结普通砖GB/T5101-2017[S].北京:中国建筑工业出版社,2017

[4] 谢玲君,翟爱良,翟文举,等.影响烧结砖瓦再生骨料混凝土强度主要因素的试验研究[J].混凝土,2012(5):70-73

[5] 赵佳,翟爱良,王玉军,等.掺合料及外加剂对植生型再生砖骨料混凝土性能的影响[J].混凝土,2016(12):134-137

[6] 国家住房和城乡建设部.砌体基本力学性能试验方法标准GB/50129-2011[S].北京;中国建筑工业出版社,2011

[7] 国家质量监督检验检疫总局.透水路面砖和透水路面板GB/25993-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011

[8] 王付根,徐学东,周宝木,等.秸秆-氯氧镁水泥复合材料制备研究[J].建筑材料学报,2019,22(1):135-141

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[11] 卢琦淮,陈益.再生骨料混凝土强度影响试验[J].福建建筑,2013(2):59-61,88

Study on the Influencing Factors on the Strength of Permeable Bricks with Recycled Material

LIU Yang, XU Xue-dong, ZHAI Ai-liang*

271018,

To analyze fully the effects of different factors on the strength of recycled material permeable brick, this paper used the control variate method to explore the influences of water-cement ratio, target porosity, sand ratio, and recycled brick aggregate content on the strength of permeable bricks. The results showed that when the water-cement ratio was 0.32, the target porosity was 20%, the sand ratio was 35%, and the aggregate content was 1104.9 kg/m³, the compressive strength and flexural strength of the recycled material permeable brick were highest.

Recycled materials; permeable brick; influencing factors

TU522.1+9

A

1000-2324(2021)03-0509-06

2020-11-05

2021-03-25

山东省重点研发计划项目(2017GNC14101)

刘洋(1990-),男,硕士研究生,专业方向:工程结构与新材料. E-mail:1943629152@qq.com

Author for correspondence. E-mail:zhaial@sdau.edu.cn