基于投石法的混凝土透水砖设计与成本预算

基于投石法的混凝土透水砖设计与成本预算

透水路面是一种由多条连接外部空气的多孔结构组成的骨架，可以满足一定的强度和耐用性要求。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。美国于1979年研制出28d抗压强度为26.2MPa的无砂混凝土,其透水系数达1.6mm/s。20世纪80年代初期,日本建设省推行了“雨水渗透计划”。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。法国的C.E.T.EduSud-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%。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34MPa。杨静等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静压成型砖体的制作工艺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.O42.5#水泥。2细集料体积测定粒径范围为5~10mm的玄武岩碎石骨料。玄武岩碎石堆积密度1396kg/m3,表观密度2660kg/m3,孔隙率47.52%,细集料体积含量小于10%。32混合和材料用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Ⅰ级粉煤灰。4水一般洁净饮用水,单方水量控制在80~140kg/m3。5外包PCA聚羧酸高性能减水剂。1.3配合比设计的影响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,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原料用量的确定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,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1L,观察其状态。各种原料用量如表1。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。1.3.2包装物包装与观察以水灰比0.40为标准,取不同单方水泥用量400、450和500kg/m3进行拌合物包裹,观察其包裹情况。发现在单方水泥用量为450kg/m3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450kg/m3。1.3.3加料、搅拌和压力机设计的透水砖单块体积为0.2×0.1×0.06=0.0012m3。试验中一次拌合加料量如表2。采用水泥裹石料法搅拌好后装入模具,利用液压式压力机,先匀速施压10s后,再在恒压2.5MPa的情况下加压90s。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透水砖的物理能率1.4.1试样破坏试验采用JC/T945—2005,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9d,测出的抗压强度为9d的抗压强度,根据下式换算成龄期为28d的抗压强度。fcu,n=fcu,28lgnlg28(1)fcu,n=fcu,28lgnlg28(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28d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孔隙率的测定用直尺测量透水砖的长、宽、高,计算出透水砖的体积V(m3)。然后称量出透水砖的干质量M1(kg),在水中浸泡24h后,秤量出水中质量M2(kg),实际孔隙率P0(%)的计算公式如下:Ρ0=(1-(Μ1-Μ2)×103V)×100%(2)P0=(1−(M1−M2)×103V)×100%(2)1.4.3透水系数的测定采用JC/T945—2005,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:Κ=QLAΗt×103(3)K=QLAHt×103(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,m3;L为试样的厚度,m;A为试样的透水面积,m2,本试验中,除去橡皮泥密封的部分,透水面积A为1.87×10-2m2;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300s。2试验结果与分析2.1实验验证了体积法进行配比的可行性通过孔隙率试验,计算出的实际孔隙率见表3。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孔隙结构影响透水砖的性能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透水砖的铺设在造林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。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1m2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/m2。根据调查,现在国内使用的地面彩砖价格:国产40~80元/m2,合资80~150元/m2,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结论和期待3.1抗压强度及配合比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/m2,具有很好的市场推广前景。3.2价格补充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