一种静压成型混凝土透水砖的制备与物理性能试验(1).pdf

2010年 10月 8 5 104 108 中 国 水 土 保 持 科 学 Science ofSoil andW ater Conservation Vo l 8 No 5 Oct 2010 一种静压成型混凝土透水砖的制备与物理性能试验 张艳娟 1 张洪涛1 2 徐向舟1 许劲松1 1 大连理工大学水利工程学院 116024 辽宁大连 2 中交广州航道局有限公司 510221 广州 摘要 透水铺装具有缓解城市防洪压力 涵养地下水源 改善城市热环境等特点 针对混凝土透水砖的特点 设计 孔隙率和水灰比不同的 4种混凝土透水砖 采用体积法进行配合比设计 通过水泥裹料投石法搅拌 在自制的模型 中静压成型 对其物理性能包括抗压强度 孔隙率 透水性进行率定 并对透水能力最强的砖体进行成本预算 结 果表明 设计的透水砖透水系数达到了 1 18 1 60mm s 抗压强度超过了 30MPa 采用体积法设计配合比是合理 可行的 利用 15 粉煤灰和 5 的硅灰配合使用等量代替水泥 设计的透水砖成本仅为 28 25元 m2 关键词 混凝土透水砖 配合比 透水系数 孔隙率 抗压强度 收稿日期 2010 04 26 修回日期 2010 08 07 项目名称 教育部科学技术研究重点项目 城市透水面集水效应试验研究 108035 水利部黄河泥沙重点实验室开放课题 基金 黄土高原水土保持模型试验方法研究 2009002 中央高校基本科研业务费专项基金资助项目 城市雨水 集蓄利用激励措施研究 DUT10RW 314 第一作者简介 张艳娟 1985 女 硕士研究生 主要研究方向 水利工程 E mai l yjzhang mai l dlut edu cn 责任作者简介 徐向舟 1969 男 博士 副教授 主要研究方向 水土保持和水环境治理 E mai l xzxu dlut edu cn Experi mental study on physical properties of the per meable concrete brick made by cool isostatic pressing technology ZhangYanjuan 1 ZhangH ongtao 1 2 Xu Xiangzhou1 Xu Jingsong1 1 School ofHydraulic Engineering Dalian University ofT echnology 116024 D alian L iaoning 2 CCCC Guangzhou D redging Co LTD 510221 Guangzhou China Abstract Pervious surfaces could decrease the urban stor m peak conserve rainfall in the underground and reduce the high air temperature of city This paper designs four kinds of permeable bricks w ith different porosities andwater cement ratios which is decided through the volume method After m ixing and isostatic pressing wemeasure the porosity compressive properties and per meability coefficient of the samples and calculate the cost of brickwhich has the highest per meability coefficien t The results show tha t 1 The per meability coefficients of all samples reach 1 18 1 60mm s and compressive properties of that exceed 30MPa 2 The volumem ethod is logical and feasible 3 The cost of the ne w per meable brick is only 28 25 yuan m 2 if 20 of the total cementwas replaced by them ixture of 15 fly ash and 5 silica fume Key words per m eable concrete brick m ix ratio per meability coefficien tporosity compressive strength 透水铺装是由一系列与外部空气相连通的多孔 结构形成骨架 并且能够满足一定强度和耐久性要 求的铺装 1 与不透水路面相比 透水铺装可以提 高地面的下渗能力 减少水土流失 增强城市防洪能 力 在改善城市生态和环境方面具有良好的效果 透水性混凝土是透水铺装的重要材料 国外对透水 性混凝土的研究较早 并广泛应用于城市路面 机场 和铁路建设中 英国于 1970年研制的无砂透水混 凝土路面 使用效果很好 但是抗压强度较低 仅为 13 8MPa 2 美国于 1979年研制出 28 d抗压强度 第 5期张艳娟等 一种静压成型混凝土透水砖的制备与物理性能试验 为 26 2MPa的无砂混凝土 其透水系数达 1 6mm s 2 20世纪 80年代初期 日本建设省推行了 雨 水渗透计划 3 1987年 日本开始有研究者申请 透水性混凝土铺装材料的专利 在此之后 有专家对 以水泥为胶凝材料的透水性混凝土进行了较系统的 研究 4 法国的 C E T E du Sud Ouest等单位研 制的透水混凝土采用树脂微沫砂浆做胶结材料 底 层为细骨料 表层为粗骨料 现场试验的结果证实 其透水性在第 1年变化不大 但在第 2 3年下降 50 5 我国对透水混凝土铺装的强度 透水系数 配合 比等方面也进行了研究 王武祥 6 介绍了现浇透 水混凝土路面和透水砖路面的技术特点 汪吉星 等 7 通过掺入硅灰 降低面层厚度等方法使混凝土 透水砖的透水系数达 5mm s 且抗压强度达到了 34 MPa 杨静等 8 通过对试验原料进行改进 采用矿 物细掺料并配合使用高效减水剂 使透水性混凝土 的透水系数达 2 9mm s 抗压强度提高到 35MPa 以上 张红光等 9 利用普通硅酸盐水泥 添加合适 的外加剂 采用特殊生产工艺和成型方法 研制出了 抗压强度高达 50MPa的透水性混凝土砖 姜德明 等 10 对透水性混凝土路面砖的配比设计 施工工艺 和性能进行了实验 提出了透水性混凝土砖的最佳 配合比方法 通过试验研究 马养志 11 认为 骨料 颗粒范围越窄 透水性能就愈好 适量加入成孔剂 不但能起到成孔的作用 同时还能起到熔剂的作用 使得产品的强度有了明显的提高 刘叶锋等 12 讨 论了影响透水性混凝土材料强度和渗透性的因素 提出了增强透水性混凝土材料强度的措施 然而 目前我国对混凝土透水砖的配合比设计 方法 成型工艺等还没有成型的规范 并且此类产品 在实际应用中由于掺入大量硅灰 有机添加剂等 使 成本增加 或者必须采用特殊工艺 不利于透水混凝 土的应用和推广 本研究旨在探索一种生产成本较 低 易于应用和推广的混凝土透水砖的生产方案 1 材料和方法 1 1 试验装置 试验在大连理工大学水环境研究所实验室内进 行 利用静压成型工艺制作砖体 采用自制的钢模 具 利用液压式压力机 将砖体压模成型 并通过加 压进行强度试验 1 2 试验材料 试验原材料主要包括水泥 骨料 水 掺和料 外 加剂 1 水泥 大连小野田水泥厂生产的 P O 42 5 水泥 2 骨料 粒径范围为 5 10mm 的玄武岩碎石 骨料 玄武岩碎石堆积密度 1 396 kg m 3 表观密度 2 660 kg m 3 孔隙率 47 52 细集料体积含量小于 10 3 掺和料 用 15 的粉煤灰加 5 的硅灰等量 取代水泥 粉煤灰采用华能大连电厂 级粉煤灰 4 水 一般洁净饮用水 单方水量控制在 80 140 kg m 3 5 外加剂 PCA聚羧酸高性能减水剂 1 3 透水砖的制备与养护 采用体积法进行配比 由于混凝土透水砖采用 单一粒径的粗骨料 几乎不掺细集料 所以 设计时 不需考虑砂率的问题 因为强度和透水系数呈反比 关系 13 所以 配合比设计的关键是确定水灰比和 水泥用量 由于有效孔隙率在 10 20 时强度 较高 因此 取目标孔隙率分别为 15 和 20 1 3 1 最佳水灰比确定方法 水灰比和骨胶比必 须严格控制 水灰比既影响混凝土透水砖的强度 又影响其透水性 骨胶比既影响混凝土透水砖的强 度和透水性 又影响成本 骨胶比可通过单方水泥 用量来控制 由于高性能混凝土通常将水灰比降至 0 38以下甚至更低 14 但水灰比过小 透水性混凝 土工作性会受到影响 所以采用较低的水灰比 0 20 和 0 25 通过掺入减水剂进行跳桌试验 使其净浆 的流动度达到最佳水灰比净浆的流动度 在最初进 行透水混凝土的试拌与调整时 采用经验法来确定 最佳水灰比 拌制水灰比 0 20 0 45的混凝土为 1 L 观察其状态 各种原料用量如表 1 表 1 原料用量 Tab 1 Amount of raw materialsg 水灰比 目标孔隙率为 15 目标孔隙率为 20 粗集料水泥水粗集料水泥水 0 201 3686421281 368546109 0 251 3685861471 368497124 0 301 3685391621 368459137 0 351 3684991751 368425149 0 401 3684651861 368395158 0 451 3684351961 368370166 通过对比 发现在水灰比为 0 40时 拌合物粘 结状态好 用手捏不分散 确定其为最佳水灰比 105 中国水土保持科学2010年 1 3 2 水泥用量确定方法 以水灰比 0 40为标 准 取不同单方水泥用量 400 450和 500 kg m 3进行 拌合物包裹 观察其包裹情况 发现在单方水泥用 量为 450 kg m 3时 浆体适中并充分包裹 说明浆体 骨料的状态较好 因此 取单方水泥用量为 450 kg m 3 1 3 3 配合比设计方案 设计的透水砖单块体积 为 0 2 0 1 0 06 0 001 2m 3 试验中一次拌合 加料量如表 2 表 2 一次拌合加料用量 Tab 2 Feeding a mount in a mixing experi mentg 目标 孔隙率 水灰比粗集料水泥粉煤灰硅灰减水剂 15 0 20261605 7601 080360110 0 25252205 7601 08036070 20 0 20240305 7601 080360110 0 25230905 7601 08036070 采用水泥裹石料法 15 搅拌好后装入模具 利用 液压式压力机 先匀速施压 10 s后 再在恒压 2 5 MPa的情况下加压 90 s 将脱模后的试件在标准条 件下洒水养护 室温控制在 17 23 养护 9d龄期 后 进行物理性能测定 1 4 透水砖的物理性能率定 1 4 1 抗压强度 采用 JC T 945 2005 16 测定 透水砖抗压性强度 利用液压式压力机加压 加载 速度为 0 4 0 6MPa s 均匀连续加荷 直至试样破 坏 透水砖养护了 9 d 测出的抗压强度为 9 d的抗 压强度 根 据下式换算成龄 期为 28d 的抗压 强 度 15 fcu n fcu 28 lg n lg 28 1 式中 fcu n为龄期为 nd的混凝土抗压强度 MPa fcu 28为龄期为 28 d的混凝土抗压强度 MPa 由于研究中透水砖边长和厚度之比小于 5 所 以可不用测试抗折强度 1 4 2 孔隙率实验方法 用直尺测量透水砖的长 宽 高 计算出透水砖的体积 V m 3 然后称量出 透水砖的干质量 M1 kg 在水中浸泡 24 h后 秤量 出水中质量 M2 kg 实际孔隙率 P0 的计算公 式 15 如下 P0 1 M1 M2 10 3 V 100 2 1 4 3 透水能力 采用 JC T 945 2005 16 自行 设计透水仪试验装置 测量透水砖的透水系数 在 持续加水的情况下 当加入的水量与溢出的水量取 得平衡时 用量筒计量通过透水砖的出水量 同时记 录出水时间 透水系数按下式计算 16 K QL AH t 10 3 3 式中 K 为试样的透水系数 mm s Q为时间为 t秒 内的渗水量 m 3 L为试样的厚度 m A 为试样的透 水面积 m 2 本试验中 除去橡皮泥密封的部分 透 水面积 A 为 1 87 10 2 m 2 H 为水位差 即为溢水 口与出水口之间的高差 m 试验中 H 为 0 102m t 为出水时间 s 试验中 t为 300 s 2 试验结果与分析 2 1 实际孔隙率分析 通过孔隙率试验 计算出的实际孔隙率见表 3 表 3 砖体孔隙率计算表 Tab 3 Calculation of the brick porosity 目标 孔隙率 水灰比 体积 cm3 干质量 g 水中质量 g 实际孔隙率 15 0 201 2002 5001 49015 8 0 251 2602 6501 59015 9 20 0 201 2402 510152020 2 0 251 2202 5501 58020 5 由表 3的数据可以看出 目标孔隙率 P 为 15 的砖体 实际孔隙率 P0分别是 15 8 和 15 9 目 标孔隙率 P 为 20 的砖体 实际孔隙率 P0分别是 20 2 和 19 8 验证了体积法进行配比的可行 性 由于体积法是在理想状态下得出的 所以 实际 目标孔隙率与目标孔隙率略有差别 但实际孔隙率 与目标孔隙率的差值比仅在 1 6 之间 符合实 际要求 2 2 抗压性与透水性分析 对每块砖抗压强度与透水系数试验均测量 3 次 取 3次测量的平均数为最终的计算结果 最终计 算结果见表 4 可以看出 研究中设计的透水砖的 28d平均抗压强度都在 30 5 34 4MPa之间 满足 现行国家标准对人行道路砖的强度优等品要求 在 相同目标孔隙率条件下 水灰比为 0 25的砖体比水 灰比 0 20的砖体的抗压能力小 这是因为此时水泥 浆较少而不能完全包裹骨料的表面 骨料之间的胶 结层较薄而且不连续导致的强度较低 目标孔隙率 为 15 的砖体比目标孔隙率为 20 的砖体抗压强 106 第 5期张艳娟等 一种静压成型混凝土透水砖的制备与物理性能试验 表 4 抗压性与透水性计算表 Tab 4 Calculation of the compressive property and water per meability 编号 目标 孔隙率 水灰比 9 d平均 抗压强度 MPa 28 d平均 抗压强度 MPa 透水系数 mm s 1 方案 1 15 0 2024 0034 41 22 方案 20 2522 4532 51 18 方案 3 20 0 2021 3531 71 60 方案 40 2521 6030 51 29 度大 其原因是目标孔隙率小 骨料之间有更多的水 泥浆体存在 则包裹在骨料的水泥浆壳厚度越大 透 水砖的整体抗压强度越大 水灰比为 0 25的砖体 透水系数比水灰比为 0 20的砖体透水系数大 由于 水灰比越大 水泥浆体的流动性越好 在静压成型 时 更容易堵塞骨料之间的缝隙 另外 目标孔隙率 越大 透水系数越大 因为目标孔隙率越大 透水砖 内部孔隙增多 连通孔隙也增多 水渗过透水砖的机 率必然增多 比较透水砖的抗压强度 方案 1 方 案 2 方案 3 方案 4 比较透水砖的透水性能 方 案 3 方案 4 方案 1 方案 2 2 3 成本预算 以研究中透水能力最强的砖体为例 按目前原 材料的市场价格进行原料预算 单块砖原料成本见 表 5 表 5 单砖原料成本 Tab 5 Ra w material costs 材料单价 元 t 1 单块砖用量 g 单块砖原料成本 元 骨料2018000 036 水泥4604300 199 硅灰1 600270 043 粉煤灰110810 009 减水剂6 42880 052 合计0 339 若批量生产该透水砖 除了原材料购置成本外 还应包括生产 加工成本 按原料购置成本占总成 本的 60 计算 则铺设 1m 2的路面 以满铺计算 需 要设计的透水砖 50块 透水砖成本为 0 339 50 60 28 25元 m 2 根据调查 现在国内使用的地 面彩砖价格 国产 40 80元 m 2 合资 80 150元 m 2 进口 150 300元 m2 可以看出 本研究设计的 透水砖成本比较低 在经济性上具有较大的优势 具 有很好的市场推广前景 3 结论和展望 3 1 结论 1 采用 15 煤灰比和 5 的硅灰比配合使用 等量取代水泥 能较好地改善混凝土透水砖的透水 和抗压性能 而且能够降低成本 本研究设计的透 水砖透水系数达到了 1 18 1 60mm s 平均抗压 强度都超过了 30MPa 达到了现行国家标准人行道 路砖优等品的标准 2 采用体积法进行配合比设计 目标孔隙率为 15 的透水砖 实际孔隙率为 15 8 和 15 9 目 标孔隙率为 20 的透水砖 实际孔隙率为 20 2 和 19 8 证明了利用体积法进行配合比的可行性 3 对设计的 4种孔隙率和水灰比不同的砖体 进行物理性能率定得知 抗压强度 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 透水系数 方案 3 方案 4 方案 1 方案 2 方案 3的砖体透水能力达到了 1 60mm s 抗压强度也超过 30MPa 4 设计的透水砖成本仅为 28 25元 m 2 具有 很好的市场推广前景 3 2 展望 由于混凝土透水砖内部结构的特殊物理力学性 能的复杂性 笔者对混凝土透水砖的研究还不够 以 后可以从以下几个方面考虑进一步进行研究 1 生产工艺的改进 生产工艺随着现代科技 的进步而逐步完善 未来必将使得混凝土透水砖的 生产工艺向着更趋向于简单和易于推广等方面 发展 2 新型原料的选取 随着建筑垃圾的增多 已 有人研究运用废弃的混凝土等再生材料作为透水混 凝土的骨料 但是其研究技术和研究理论还很不成 熟 国内还出现了一些用高分子树脂和骨料做成的 透水混凝土 但这种混凝土造价高 强度低 而且材 料易于老化 使用寿命短 因此 上述材料的研究改 进也是未来发展的一个方向 4 参考文献 1 王波 透水性硬化路面及铺地的应用前景 建筑技 术 2002 9 659 660 2 张振秋 吴晓泉 陈智丰 透水性混凝土路面砖的研 究 混凝土 2003 1 41 43 3 王波 李成 透水性铺装与城市生态及物理环境 工 业建筑 2002 32 12 29 31 4 杨静 蒋国梁 一种生态型道路材料 透水性混凝土 阎培渝 吴中伟院士从事科教工作六十年学术讨论会 107 中国水土保持科学2010年 论文集 北京 中国建材工业出版社 2004 152 156 5 Balades JD LegretM M adiecH Per mable pavements pollutionmanage ment tools W ater Science Technolo gy 1995 32 1 49 56 6 王武祥 透水性路面与透水性混凝土路面砖 建筑砌 块与砌块建筑 2005 2 35 38 7 汪吉星 高建明 朱建 高性能混凝土透水路面砖的制 备研究 建筑砌块与砌块建筑 2009 1 36 38 8 杨静 蒋国梁 透水性混凝土路面材料强度的研究 混凝土 2000 10 27 30 9 张红光 附建华 韩艳芳 等 利用水泥制备高透水性 混凝土 河北建筑科技学院学报 2005 22 3 57 59 10 姜德明 程海丽 高振林 透水性混凝土路面砖的研 制 新型建筑材料 2003 3 18 20 11 马养志 透水砖的生产工艺与发展前景 砖瓦 2004 7 47 49 12 刘叶锋 朋改非 易全新 等 高强透水性混凝土材料 试验研究 混凝土 2005 3 56 58 13 王武祥 谢饶生 透水性混凝土的透水性研究 中国 建材科技 1996 5 4 17 20 14 杨静 覃维祖 粉煤灰对高性能混凝土强度的影响 建筑材料科学报 1999 2 3 218 222 15 冯乃谦 新实用混凝土大全 第二版 北京 科学出版 社 2005 836 846 16 JC T 945 2005透水砖 北京 中国建材行业出版社 2005 责任编辑 宋如华 上接第 103页 10 张绪良 中国西部地区土地退化的现状及对策 青岛 大学师范学院学报 2000 17 2 67 68 11 张成梁 黄艺 山西省煤矿区土地退化成因分析及生 态恢复对策 农业环境科学学报 2006 25 增刊 711 715 12 Elvidge C D Yuan D W eerackoon R D et a l Relative radio metric nor malization ofLandsatmultispectralscanner MSS data using an auto matic scattergram controlled re gression Photogrammetric Engineering andRemote Sens ing 1995 61 10 1015 1026 13 陈崇成 黄方红 黄绚 自动散点控制回归技术在遥 感数据辐射归一化中的应用 地球信息科学 2000 2 52