再生骨料透水磚研究現(xiàn)狀綜述

李宗源，程海麗

（1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京100144）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)數(shù)量的不斷增加，混凝土的需求量飛速上漲，僅2019年上半年，我國(guó)規(guī)模以上企業(yè)就生產(chǎn)混凝土10.32 億m3[1]，與之相伴的是大量天然砂石的開采與使用。由于天然砂石的形成需要經(jīng)過幾百萬年的地質(zhì)演變，所以被視為一種不可再生資源，過量開采對(duì)自然環(huán)境的破壞不可逆轉(zhuǎn)。另外，我國(guó)每年有大量老舊建筑物需要拆除，產(chǎn)生大量建筑廢棄物，這些廢棄物大多采用填埋的方式處理，不僅占用土地，而且在處理過程中，有機(jī)物質(zhì)發(fā)生分解產(chǎn)生有害氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境，影響空氣質(zhì)量。

另一方面，我國(guó)城市面積不斷擴(kuò)大，但目前市內(nèi)大多數(shù)道路路面材質(zhì)為水泥和瀝青混凝土，這些道路不具備快速透水和透氣功能，降低了城市自身調(diào)節(jié)溫度、濕度的能力，引發(fā)城市的熱島效應(yīng)和內(nèi)澇災(zāi)害，降低城市居住舒適性。2013年，習(xí)近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議》的講話中指出，要建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市，透水磚便是海綿城市建設(shè)的基礎(chǔ)條件和關(guān)鍵性材料，而再生骨料透水磚在實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑廢棄混凝土的有效利用的同時(shí)，有效緩解了城市“熱島效應(yīng)”[2]，逐漸受到專家學(xué)者們的關(guān)注。

1 再生骨料透水磚研究現(xiàn)狀

1.1 再生骨料透水磚力學(xué)性能與透水性能

因再生骨料透水混凝土內(nèi)部含有大量孔隙，所以，對(duì)再生骨料透水磚的力學(xué)性能與透水性的把控具有重要意義。但是，眾所周知，透水混凝土的強(qiáng)度與透水性是兩個(gè)相互制約的指標(biāo)，目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的主要研究方向是在保證透水系數(shù)滿足規(guī)范要求的前提下，盡可能地優(yōu)化其力學(xué)性能。本節(jié)從骨料、摻合料、制作方法等方面分析再生骨料透水混凝土力學(xué)性能與透水性的研究現(xiàn)狀。

根據(jù)再生骨料顆粒級(jí)配的特殊性，關(guān)于骨料粒徑、水灰比等因素對(duì)再生骨料透水磚力學(xué)性能和透水性的影響，袁卓毅[3]和宋志斌等[4]均采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，水灰比對(duì)再生骨料透水磚的各項(xiàng)性能影響最大，當(dāng)水灰比為0.3、骨膠比為4.0、骨料粒徑為2.5～10.0 mm 時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)分別達(dá)到58.28 MPa 和0.289 mm/s，高于標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 400—2012《再生骨料地面磚和透水磚》[5]中對(duì)于強(qiáng)度和透水系數(shù)的要求。何乃福等[6]采用廢舊燒結(jié)粘土磚為骨料制備透水磚，通過試驗(yàn)選取最優(yōu)再生骨料替代率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)再生骨料替代率為20%時(shí)，再生骨料透水磚的各項(xiàng)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在骨料預(yù)處理方面，Liu[7]的研究顯示，使用硅烷聚合物乳液預(yù)先浸泡再生骨料，可以有效提高再生骨料透水混凝土的各項(xiàng)性能。通過掃描試件斷層水泥漿體的孔隙率和分布情況可知，在保持透水系數(shù)一致的情況下，骨料預(yù)處理可使試件的抗壓強(qiáng)度提高30%。

摻合料是混凝土的六大組分之一，通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)分析得知，適量摻合料的摻入可以很好地改善再生骨料透水磚的力學(xué)性能和透水性能。李鵬[8]研究發(fā)現(xiàn)，在再生骨料透水磚中摻入一定比例的水性環(huán)氧和苯丙溶液，可以提高透水磚的力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，透水磚的抗壓強(qiáng)度與聚合物摻量正相關(guān)，與透水性負(fù)相關(guān)，當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量保持在2%、透水系數(shù)為0.29 mm/s時(shí)，可使抗壓強(qiáng)度提高3%左右。周云開等[9]研究了廢棄橡膠粉對(duì)再生骨料透水磚性能的影響，研究結(jié)果顯示，當(dāng)廢棄橡膠粉摻量從5.5%提高到9.5%時(shí)，透水系數(shù)從0.384 mm/s 降低到0.223 mm/s，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)廢棄橡膠粉摻量為7.5%時(shí)，透水磚強(qiáng)度達(dá)到峰值，對(duì)應(yīng)的透水系數(shù)為0.294 mm/s。

再生骨料透水磚性能特征與一般混凝土有較大差異，制備工藝的選擇對(duì)其綜合性能有較大影響。賀圖升等[10]提出以集料裹漿厚度為主要參數(shù)計(jì)算透水磚配合比的方法，解決了再生骨料顆粒級(jí)配不一定滿足普通混凝土配合比設(shè)計(jì)集料級(jí)配要求的問題。為滿足再生骨料透水磚耐磨性的要求，周旭等[11]采用面層和基層分別配料的制作方法，試驗(yàn)得出面層和基層的最優(yōu)配方分別為：目標(biāo)空隙率10%，再生骨料粒徑2.36～4.75 mm，水灰比0.28；目標(biāo)孔隙率15%，骨料粒徑4.75～9.00 mm，水灰比0.28。基于此配方制得的透水磚抗壓強(qiáng)度為26 MPa，透水系數(shù)0.18 mm/s，符合再生骨料透水磚的規(guī)范要求。姜德民等[12]采用水泥裹石法制備的再生骨料透水磚，其抗壓強(qiáng)度比普通攪拌法提高1 倍，透水系數(shù)雖略低于普通攪拌法，但大于0.01 mm/s，滿足規(guī)范要求。張良[13]采用建筑垃圾破碎成再生骨料，通過磚機(jī)制備環(huán)保仿石透水磚并應(yīng)用于實(shí)際工程，使用后工作狀況良好，承載力與變形均符合要求。

1.2 再生骨料透水磚耐磨性

再生骨料透水磚由于具有高透水性，所以耐磨性相較于一般混凝土較差，且實(shí)際應(yīng)用中耐磨性是影響透水磚使用壽命的關(guān)鍵因素。從再生骨料替代率、纖維等摻合料的摻入量等方面總結(jié)再生骨料透水磚耐磨性的研究現(xiàn)狀。

王萍等[14]以沙漠風(fēng)積沙配合耐火黏土材料制備再生骨料透水磚，探究沙漠沙摻量與透水磚耐磨性能之間的關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著沙漠沙摻量的提高，磨坑長(zhǎng)度逐漸加長(zhǎng)，但透水系數(shù)有所上升，經(jīng)過優(yōu)化，確定沙漠沙最優(yōu)摻量為50%，此時(shí)透水磚磨坑長(zhǎng)度為26.6 mm，符合規(guī)范要求。

鋼纖維等纖維屬于高彈性模量材料，能顯著改善再生骨料透水磚耐磨性能。干唯健等[15]針對(duì)透水磚耐磨性差的缺點(diǎn)，利用鋼纖維和聚丙烯復(fù)合纖維對(duì)再生骨料透水磚進(jìn)行強(qiáng)化，按照MU30 標(biāo)準(zhǔn)制作透水磚試件并測(cè)定耐磨性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻入混合纖維的透水磚磨坑長(zhǎng)度為32 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

金屬尾礦摻入配合高溫?zé)Y(jié)的成型方法也是目前增強(qiáng)再生骨料透水磚耐磨性能的重要方法。李峰等[16]采用鉬尾礦搭配高溫粘結(jié)劑，以壓模成型法制備陶瓷透水磚，研究鉬尾礦摻量對(duì)再生骨料透水磚的耐磨性的影響。結(jié)果顯示，鉬尾礦的含量與透水磚的磨坑長(zhǎng)度和透水系數(shù)成正相關(guān)，透水磚燒成溫度與之相反。當(dāng)鉬尾礦摻量為75%，燒成溫度1 160 ℃時(shí)，透水磚磨坑長(zhǎng)度為27 mm，符合規(guī)范CJ/T 400—2012 要求。Liu 等[17]的研究也得出過類似的結(jié)論，通過對(duì)摻入鋼渣的透水混凝土的研究，發(fā)現(xiàn)1 320 ℃燒結(jié)透水磚具有優(yōu)異的綜合性能。

1.3 再生骨料透水磚耐久性

再生骨料透水磚的比表面積大于一般透水混凝土，當(dāng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中時(shí)，耐久性成為更應(yīng)該關(guān)注的問題。

郭曉鵬等[18]通過對(duì)透水磚進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究不同因素對(duì)透水磚抗凍性的影響，結(jié)果表明，對(duì)透水磚抗凍性能影響最大的3 個(gè)因素分別為：面層水飽和度、面層孔隙率和透水基層厚度。所以，透水磚抗凍性能的改善主要通過改變內(nèi)部孔隙的數(shù)量和類型。杜運(yùn)興等[19]以再生粗骨料制備一種通孔透水磚，探究了通孔數(shù)量和再生粗骨料摻量對(duì)透水磚抗凍性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著再生骨料替代率和通孔數(shù)量的增加，透水磚的抗凍性能逐漸降低，但通孔透水磚的抗凍系數(shù)均在90.3%以上，部分達(dá)到99.3%，總體來說抗凍性能依舊優(yōu)秀，能夠滿足CJ/T 400—2012 中強(qiáng)度損失率≤20%的要求。Mehmet Gesolu[20]的研究表明，由于橡膠粉顆粒的高比表面積在透水磚內(nèi)產(chǎn)生大量的微尺寸孔隙，可以用來緩解水結(jié)冰體積變大的問題，所以橡膠粉的摻入可以有效提高再生骨料透水混凝土的抗凍性，且粒徑小的橡膠顆粒對(duì)抗凍性的提高更為顯著。

纖維作為一種增韌、阻裂效果優(yōu)秀的材料，將其用于再生骨料透水磚是提高透水磚耐久性的新方向。干唯健等[21]提出將再生骨料透水磚榫卯異型結(jié)構(gòu)，并通過添加鋼纖維和聚丙烯纖維來提高再生骨料透水磚的強(qiáng)度和耐久性。試驗(yàn)結(jié)果表明，加入纖維后的再生混凝土透水磚的耐久性相較于普通再生混凝土透水磚有明顯提升，而且榫卯異型透水磚鋪裝之后，比傳統(tǒng)方形透水磚更加穩(wěn)定。

2 結(jié)語

（1）在保證透水性的前提下，骨料預(yù)處理、優(yōu)化再生骨料替代率、加入摻合料、合適的設(shè)計(jì)和制備方法，都可以提高再生骨料透水磚的強(qiáng)度。

（2）再生骨料的摻入使透水磚耐磨性有所降低，摻入適量細(xì)骨料、混雜纖維或金屬尾礦等材料，配以合適的制備方式，可有效提高再生骨料透水磚的耐磨性能。

（3）再生骨料透水磚耐久性的提高，主要通過改變內(nèi)部孔隙的數(shù)量和類型。橡膠粉等小粒徑顆粒及高彈性模量的纖維材料可以用來提高其耐久性。