全重矿渣集料水泥基透水砖配合比优化研究

陈伟 吴超 刘安超

（贵州瑞泰实业有限公司，贵州 六盘水 553000）

目前国内对渣集料水泥基透水砖的研究还处于起步阶段，虽然在理论上已经进行有效验证，但是在实际应用、生产和向市场推进过程中还存在不成熟因素。透水砖作为一种新型的建筑材料，具有良好的透水、透气性能，能迅速将雨水排到土壤中，补充地下水，改善城市土壤条件，提高城市道路的防洪排水能力，但市场上很多透水砖强度较低，实际应用容易发生破损，且透水能力也有待加强。目前市场上大部门透水砖都是以天然砂石作为制备原材料，重矿渣透水砖由于研究水平不足，在市场中占据的份额非常小。

1 重矿渣集料的性能研究

本文采用首钢水钢集团公司炼铁后形成的两种规格的集料进行性能研究，集料规格分别为1～5mm重矿渣砂和3～10mm重矿渣碎石，筛分结果和化学成分如表1、表2所示。

表1 集料筛分表（%）

筛孔 16.0 132. 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 1～5mm 100 100 98.3 74.2 38.3 21.8 12.2 7.8 0.6 0.6 3～10mm 100 100 99.7 30.8 6.6 3.0 2.4 0.1 0.1 0.1

表2 重矿渣化学成分表（%）

类别 SiO2 CaO Al2 O3 Mgo Fe2O3 K2 O Na2O SO3 MnO 烧失量重矿渣36.68 42.07 13.96 2.90 0.67 0.94 0.90 1.06 0.56 0.26

通过分析结果可知，本文选用重矿渣具有良好的体积稳定性、坚固性和压碎指标，并且吸水能力优于天然砂石，将其作为原材料制备透水砖的可行性较高。

2 重矿渣透水砖配合比初步设计

2.1 实验材料

集料：高炉炼铁产生高炉渣自然冷却并破碎后形成的规格为1～5mm重矿渣砂和3～10mm重矿渣碎石；水泥：P·II52.5水泥；硅灰：比表面积15000～20000m/kg，粒径0.1～0.3μm；聚羧酸高效减水剂：减水率18%。

2.2 配合比实验目标和实验流程

实验目标：制备全重矿渣集料水泥基透水砖，透水砖设定抗压强度达到30MPa，劈裂强度达到4.0MPa，透水系数（15℃）≥2.0×10cm/s。

实验方法：体积法。

实验流程：①确定不同集料的实验体积用量；②通过重矿渣集料表观密度计算添加材料用量；③制备水泥砂浆，并结合水胶比得出水泥用量。

集料和添加材料种类及详细设计参数如表3所示，制备透水砖最终配合比数据如表4所示。

表3 原材料种类和设计参数

种类 项目 设计参数原材料参数1～5mm重矿渣砂P·II52.5水泥聚羧酸高效减水剂3～10mm重矿渣碎石表观密度ρso=2730kg/m3表观密度ρb=3100kg/m3密度ρ=1210kg/m3表观密度ρg=2557kg/m3设计参数水胶比设计参数集料用量集料吸水量净浆体积水泥用量水用量总用水量减水剂用量w/c=0.26 V1=0.10，V=0.325.Vs=0.325 Gg=0.325×2557=831kg/m3 Gs=0.325×2730=887kg/m3 W=831×8.85%+887×6.24%=129kg Vj=1-V1-Vs-Vg=0.25 Gb=0.25/（1/3100-0.26/1000）=429kg/m3 Gw=429×0.26=112kg/m3 WZ=129+112=241kg/m3 G=429×0.08=3.4kg/m 3

表4 透水砖最终配合比数据

材料/（kg/m3） 水泥 水 碎石 砂 减水剂 水胶比数量429 241 831 887 3.4 0.26

3 性能检测

将以上述配合比进行制备的透水砖试样按标准进行养护，并对其综合性能进行检测，检测项目包含力学性能、保水性、抗冻性和耐磨性。具体检测方法如下。

1）力学性能检测。采用DYE-2000型压力试验机对完成制备的透水砖试样进行劈裂抗拉强度和抗压强度的测试。在测试透水砖试样的抗压强度时，将试样放置在压力试验机的中心位置，将荷载加载速度设为0.5～0.7MPa/s，直到透水砖试样发生破损，得到透水砖的抗压强度。劈裂抗拉强度和抗压强度的测试方法非常相似，主要区别是在进行劈裂抗拉强度测试时会在透水砖试样下方与压力机压板间和上表面与压力机压板之间相同位置分别方式一块垫条，使透水砖试样能沿条形切面劈裂，使压力试验机能准确记录劈裂透水砖所需力值，进而得到柔水转的劈裂抗拉强度。

2）保水性。取三块经过标准养护后的透水砖试样，记录透水砖的长宽参数，计算试样上表面积（A）。将透水砖试样放入105±5℃烘箱内烘干到恒重（m1），后将烘干箱温度降至常温，将试样取出竖直放置在温度为20±10℃蒸馏水容器内浸泡24h，试样需完全浸入水面下。到达试验时间后，将透水砖试样竖直取出并快速擦除表面残留水分，随即对其进行称重，得到吸水后透水砖的重量（m2）。

则透水砖的保水性B计算公式为：

3）抗冻性。将五块透水砖在20±10℃水中浸泡24h后，擦除试样表面残留水分，随后在-15℃环境中冻结5h，再将其在20±10℃水中浸泡2h，重复此步骤共25次。透水砖的抗冻性计算公式为：

其中△R表示透水砖抗压强度损失率，%；R表示透水砖抗压强度，MPa；R表示透水砖在经过冻融试验后的抗压强度，MPa。

经过试验后发现采用该配合比制备的重矿渣集料水泥基透水砖的强度、保水性、抗冻性能均达到设计标准，但力学性能和透水能力都有不足，这两项指标会直接影响透水砖的应用效果，因此，应作为研究重点进行优化。

4 配合比优化研究

4.1 硅灰比例对透水砖性能的影响

在保持其他原材料配合比不变的情况下，将部分水泥用硅灰代替，此方式能在一定程度上改善透水砖强度不足的问题，且透水砖的强度会随着硅灰用量的增加发生变化。实验表明，当利用硅灰代替原材料中的水泥时，当替代用量在0～5%范围内，透水砖强度会随着硅灰用量的增加而不断变大，最大增长值为29.3MPa，透水性能也有小幅度上涨。这主要是因为硅灰能使水泥早期水化时间缩短，使透水砖早期强度得到提升。但当硅灰替代用量超过5%后，透水砖强度和透水性能大幅下降，主要是因为加入原材料中的硅灰超量，未能与其他材料进行充分反应，并且水泥用量减少，使透水砖整体强度降低。因此，硅灰代替水泥的最佳用量为5%。

4.2 水胶比对透水砖性能的影响

通过调整原材料水胶比，发现透水砖强度会随着水胶比的降低而逐渐变大，但在水胶比达到一个波谷后，透水砖强度会逐渐恢复原有数值。实验表明，当水胶比从原始数据0.26逐渐降到0.23后，透水砖达到强度峰值，最大增长值为34.7MPa，劈裂强度为4.35MPa，透水性能没有受到明显影响。但是当继续降低水胶比后，透水砖强度会逐渐恢复到原有水平，因此，全重矿渣集料水泥基透水砖最佳水胶比可确定为w/c=0.23。

4.3 孔隙率和矿石比对透水砖性能的影响

该项实验中保持凝胶材料用量一致，水胶比选用w/c=0.23最佳配比数值，重矿渣砂石体积比例保持1∶1固定不变，发现透水砖综合性能会随着空隙率的变化而发生改变。实验表明，设计空隙率越大，透水砖透水能力越强，当整体强度会不断下降。当将设计空隙率增加到13%时，透水砖透水系数达到2.2×10cm/s，28d抗压强度达到31.8MPa，劈裂强度达到4.11MPa，各项参数均达到实验目标。因此，全重矿渣集料水泥基透水砖的最佳设计空隙率为13%。

通过综合以上实验数据，确定优化后的全重矿渣集料水泥基透水砖配合比为：硅灰21kg/m，水胶比0.23，设计空隙率13%，3～10mm重矿渣碎石831kg/m、15mm重矿渣砂887kg/m，水228kg/m，聚羧酸高效减水剂3.4kg/m。

同时，以优化后的配合比对不同砂石体积制备下的透水砖性能进行综合测试，发现透水砖的保水性能会随着集料中重矿渣碎石比例的增加而变大，但是透水砖的力学性能会随之下降。实验表明，若以保证重矿渣透水砖的力学性能和保水性能作为核心因素，当砂石体积比达到1∶1时，重矿渣透水砖的综合性能最好。

4.4 经济效益影响

目前市场中常见的碎石透水砖的生产成本约为每立方450元，在采用优化后的全重矿渣集料水泥基透水砖配合比后，透水砖生产成本降至每立方350元。由此可见，此方式能有效提高生产企业的经济效益。

5 实验结果分析

1）本文采用的重矿渣具有良好的体积稳定性、坚固性和压碎指标，并且拥有比天然碎石更好的吸水能力和孔隙率，将其作为生产原料制备透水砖具有高度可行性。

2）通过分析数据发现，原有配合比下制备的透水砖虽然在强度、保水性、抗冻性和耐磨性能上符合设计要求，但对透水砖综合性能产生直接影响的透水性能和强度均不合要求。因此，采用实验对原材料中的硅灰、水胶比和空隙率进行调整和优化，得到全新全重矿渣集料水泥基透水砖配合比。优化后的配合比如表5所示。

表5 优化原材料设计参数

种类 项目 设计参数原材料参数聚羧酸高效减水剂（kg/m3）3～10mm重矿渣碎石（kg/m3）P·II52.5水泥（kg/m3）1～5mm重矿渣砂（kg/m3）3.4 739 408 846设计参数水胶比空隙率（%）硅灰（kg/m3）水（kg/m3）w/c=0.23 13 21 222

以优化后配合比进行制备的透水砖综合性能表现为：28d抗压强度为31.8MPa，劈裂强度为4.11MPa，透水系数（15℃）为2.4×10cm/s、保水性为0.7g/cm、磨坑深度为24mm以及抗冻性是14.6%，各项指标均符合设计要求。

3）利用全重矿渣集料制备的透水砖能比常规碎石透水砖节省更多施工成本，对施工企业来说，具有更显著的经济效益。