蓄水性免烧砖的制备及性能研究

蓄水性免烧砖的制备及性能研究

0新型不可再生材料研究进展近年来，这种低影响开发理念（lid）在海绵市的应用越来越受到关注。海绵市地板材料的需求不断增加，如粘土、沥青路面、水泥等。这些不可替代材料的研究和开发已成为当前的热点。同时，黑臭河道治理、城市污水处理等产生了大量的淤泥，这些淤泥含有大量有机物及各类污染物目前，国内外常用的透水铺装材料基本具备了一定的透水性能。刘恒源等本研究选择以河道底泥为主要原材料，经过处理后，加入其它废弃材料生产具有透水性能、保水性能的环保砖、砌块1实验1.1材料、试剂和材料河道底泥：200目，苏州科技大学外围河道淤泥；硅藻土：325～500目，工业级；生石灰：分析纯，上海润捷化学试剂有限公司；废玻璃粉：工业级，粒径：2.25±0.5μm，比重2.65g/mL，莫氏硬度7.8；水泥：P·O42.5；高分子吸水性树脂（SPA）：含88%低交联型聚丙烯酸钠（其中含钠24.5%),8%～10%水，0.5%～1.0%交联剂；粗骨料：4目，河砂，工业级；细骨料：16目，河砂，工业级。原材料化学成分见表1。1.2实验仪器及仪器搅拌机（NSZ-5L）、金属模具（40mm×40mm×40mm）、ZKY-400蒸汽养护箱、电热恒温鼓风干燥箱（上海龙跃，LDO-9240A）、全自动强力试验机（无锡东仪，OPERATORDY-2008）、全自动压力试验机（无锡东仪，DY-208M）、JCM-700台式扫描电镜、HACH2100Q便携式浊度分析仪、UV-2601紫外分光光度计（南京沃拓）、悬浮物测定仪（SS-500D）、水平振荡仪（TP-06）。1.3水的压制成型河道底泥在干燥粉碎后经200目筛去除杂物，将其和生石灰、硅藻土等原材料混合干搅后放入搅拌机，加入混合料干重20%的水，以150r/min的速度搅拌3min。然后，将其倒入模具，在10MPa压力下压制成型，稳压3min后取出。自然干燥2h后，将其放入蒸汽养护箱中，在90℃条件下养护2～3d，直至样品水化反应完全结束。取出样品后自然干燥2～3d，测试其抗压强度、保水性以及对雨水中SS和COD的去除效果，免烧砖成品见图1。1.4透水砖的测试方法(1）抗压强度及保水性：按照JC/T945—2005《透水砖》进行测试；（2)SS：用仪器直接测试；（3)COD：按照HJ/T299—2007《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》进行测试。2结果与分析2.1免烧砖的抗压性2.1.1水泥混合料对免烧砖力学性能的影响根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的相关要求，以及材料的特性，最终确定淤泥基料中河道底泥和硅藻土的配比为5∶3，分别取80g和48g，此时免烧砖的抗压强度仅为2.2MPa。故向淤泥基料中加入16g生石灰，此时抗压强度提高至5.5MPa，但仍达不到MU10等级的要求，因此加入水泥来提高免烧砖的力学性能。水泥混合料（玻璃粉质量占10%）以淤泥基料质量为参照，以5%的比例从0增加到50%，加入到淤泥基料中，按1.3步骤制备免烧砖，水泥混合料掺量对免烧砖抗压强度的影响如图2所示。由图2可知，随水泥混合料掺量增加，样品抗压强度随之提高，掺量达到50%时，抗压强度达到最大值，为18.3MPa。但随着水泥混合料掺量的增加，抗压强度增长幅度不断减小。综合考虑，取水泥混合料为淤泥基料质量的30%，此时抗压强度为15.7MPa，达到MU10等级的要求，具有实际工程应用价值。2.1.2胶结充填材料由图3可知，纯淤泥基料样品的颗粒之间分布独立，没有联系，空间间隙较大，结构稳定性差，在外力作用下，易被破坏；掺入生石灰的样品颗粒之间填充着水化反应产生的熟石灰晶体和絮状物，具有良好的胶结作用，结构更加稳定；掺入生石灰和水泥混合料的样品相较其他样品，颗粒间有更多的水化产物[C2.2细骨料与粗骨料的质量比影响免烧砖蓄水性能的3个主要因素：（1）脂胶比即高分子吸水性树脂与胶结材料的质量比；（2）集灰比即粗细骨料总质量与胶结材料的质量比；（3）细骨料与粗骨料的质量比。为研究三者对免烧砖蓄水性能的影响，在已经确定的配比（水泥混合料为淤泥基料质量的30%）基础上，向淤泥基料中掺入SPA和粗细骨料，设计正交试验，根据试验设计制备免烧砖，测试其表面密度、保水性以及吸水率。当免烧砖达到饱和吸水质量后，测试其体积含水率随时间的变化，进行对比分析。正交试验因素水平表如表2所示，正交试验设计及结果如表3所示，正交试验极差分析如表4所示。2.2.1脂胶比对吸水率的影响由表4可知：(1）脂胶比对样品的保水性影响较小。当脂胶比从1∶200提高至1∶100时，样品平均保水性从0.41g/cm(2）脂胶比对样品的吸水率影响较大。当脂胶比从1∶200提高至1∶100时，样品吸水率从7.37%提高至9.31%，提高了26.32%；而脂胶比从1∶100提高至1∶50时，样品吸水率从9.31%提高至9.57%，提高了2.79%。(3）脂胶比对样品的100h后体积含水率影响相对最大。当脂胶比从1∶200提高至1∶100时，样品平均吸水率从3.73%提高至5.33%，提高了42.90%；而脂胶比从1∶100提高至1∶50时，样品平均吸水率从5.33%提高至5.80%，提高了8.82%。试验结果表明，脂胶比的增大，样品的保水性、吸水率和100h后体积含水率都相应增大。但与脂胶比从1∶100提高至1∶50相比，脂胶比从1∶200提高至1∶100时，增幅较大，原因可能是样品中SPA吸收大量水分子，分布在样品内部孔隙中，导致样品的保水性、吸水率和100h后体积含水率有较大幅度提高。但随着脂胶比的提高，SPA吸收大量水分子后，样品内部孔隙被填满，从而导致样品的保水性、吸水率和100h后体积含水率增长变缓。其中62.2.2集灰比对样品平均吸水率的影响由表4可知：(1）集灰比对样品的保水性影响相对最大。当集灰比从2∶1增大至3∶1时，样品保水性从0.31g/cm(2）集灰比对样品的吸水率影响相对最大。当集灰比从2∶1提高至3∶1时，样品平均吸水率从7.67%提高至7.84%，提高了2.22%；而集灰比从3∶1提高至4∶1时，样品平均吸水率从7.84%提高至10.74%，提高了36.99%。(3）集灰比对样品的100h后体积含水率影响较大。当集灰比从2∶1提高至3∶1时，样品吸水率从5.11%提高至6.43%，提高了25.83%，当集灰比从3∶1提高至4∶1时，100h后体积含水率从6.43%降低至5.54%，降低了13.84%。试验结果表明，集灰比是影响样品保水性和蓄水性能的主要因素，随着集灰比的提高，包裹在粗细骨料表面的胶结材料减少，颗粒间孔隙变大，形成稳定连通的透水通道和孔隙空间，使得样品保水性和吸水率有较大提高，而由于孔隙的变大，导致集灰比从3∶1提高至4∶1时性能反而下降。2.2.3粗骨料对100h后体积含水率的影响由表4可知：(1)m（细骨料）∶m（粗骨料）对样品的保水性影响相对最小。当m（细骨料）∶m（粗骨料）从3∶1增大至5∶1时，样品保水性从0.50g/cm(2)m（细骨料）∶m（粗骨料）对样品的吸水率影响相对最小。当m（细骨料）∶m（粗骨料）从3∶1增大至5∶1时，样品吸水率从9.45%降低至8.26%，降低了12.59%；而m（细骨料）∶m（粗骨料）从5∶1增大至7∶1时，样品吸水率从8.26%提高至8.54%，提高了3.39%。(3)m（细骨料）∶m（粗骨料）对样品的100h后体积含水率影响相对最小。当m（细骨料）∶m（粗骨料）从3∶1提高至5∶1时，样品平均吸水率从4.81%降低至4.62%，降低了3.95%，当m（细骨料）∶m（粗骨料）从5∶1提高至7∶1时，100h后体积含水率从4.62%提高至5.42%，增加了17.32%。试验结果表明，随着m（细骨料）∶m（粗骨料）的增大，细骨料占比增大，粗骨料占比减小，使样品内部孔隙率减小，从而导致样品保水性和吸水率降低，而100h后体积含水率起初变化不大，随后增大。2.2.4免烧砖体积含水率综上所述，从样品的保水性和吸水率来看，3种因素对免烧砖的影响能力：集灰比>脂胶比>m（细骨料）∶m（粗骨料），其中集灰比极差最大，起决定性作用，影响最大；虽然脂胶比极差小于集灰比，但仍然有较大的影响；而m（细骨料）∶m（粗骨料）影响最小。从样品100h后体积含水率来看，综合考虑，3种因素对免烧砖的影响能力：脂胶比>集灰比>m（细骨料）∶m（粗骨料），其中脂胶比极差最大，起决定性作用，影响最大；虽然集灰比极差小于脂胶比，但仍然有较大的影响；而m（细骨料）∶m（粗骨料）影响最小。综合考虑，确定脂胶比为1∶50、集灰比为3∶1、m（细骨料）∶m（粗骨料）为5∶1(2将试验样品用土工布包裹，放于植草沟下400mm处，在下雨结束100h后测试其体积含水率，发现此时体积含水率为10.42%，远高于实验室条件下的体积含水率，可能由于湿润土壤提供样品水分，并且由于样品处于土壤中，通风条件差所致。2.3免烧砖去除效果取上述2由表5可知：（1）对比4种不同SS初始浓度（48、114、247、346mg/L）的模拟雨水，当模拟雨水中SS初始浓度增大时，免烧砖对其去除效果有一定的提高，但达到一定浓度后去除效果几乎不再变化，去除效率最高可达52.23%;(2）对比4种不同COD初始浓度（10、20、30、40mg/L）的模拟雨水，当模拟雨水中COD初始浓度增加时，免烧砖对其去除效果有一定的提高，但达到一定浓度后去除效果几乎不再变化，去除效率最高可达46.27%。试验结果表明，该免烧砖对模拟雨水中SS、COD均具有良好去除效果。3免烧砖的性能分析(1）在免烧砖的制备过程中，水泥混合料为淤泥基料质量的30%时，免烧砖抗压强度最高，为15.7MPa，符合GB50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》中的MU10强度等级要求，具有实际的工程