干硬性混凝土彩色透水路面砖的设计张德成，张鸣，肖传明，张云飞，叶正茂，刘福田（济南大学材料学院，山东，济南 250022）
摘要：本文从发展绿色建材角度出发，通过使用粉煤灰取代部分水泥、水渣取代部分中粗砂来优化原材料，根据干硬性混凝土机理设计彩色透水路面砖的配合比，优化生产工艺，利用实际生产设备进行试配调整工艺参数提高产品性能，建立了一条大量利用工业废渣的新途径。
关键词：彩色透水路面砖；干硬性混凝土；配合比设计；生产工艺；水渣
1、前言
透水性混凝土是一种有利于生态和环保的混凝土。它有利于地表水的渗入，提高地表的透气、透水性，具有调节城市地表温度和湿度、减轻市政排水设施负担等优点。彩色透水路面砖是透水性混凝土典型应用制品之一，以其丰姿多彩的魅力，已越来越受到人们的青睐。彩色透水路面砖既满足现代人对保持生态和环保的愿望，也满足现代都市对色彩和文化气息的渴求。可以说，彩色透水路面砖既具有内在的韵致，又具有漂亮的外表，做到了实用性与欣赏性并重。因此，它必将引领新一代新型路面材料的潮流。
彩色透水路面砖不仅可用于人行道、广场、园林、厂区和住宅小区的环境美化,还可用于停车场、车行道。它可以通过其多变的板块形状和不同色彩的组合设计出独特的彩色路面。同时具有抗压强度高，耐磨性、耐冲击性、抗冻融性好及经久耐用的特点。彩色透水路面砖的研究起步较晚，相关报道也寥寥无几。本文利用粉煤灰取代部分水泥，降低成本的同时也符合可持续发展的要求。利用水渣取代部分中粗砂增加路面砖的透水性。同时水渣具有一定的胶凝性，改善了水泥与砂的界面结构（表现为强度的增加）。通过科学设计配合比，调整工艺参数，设计出了低成本高性能的彩色透水路面砖。
2、原材料
本研究用主要原材料如下： 粉煤灰：潍坊电厂一级灰； 水渣：济钢水渣，细度模数为3.0； 水泥：选用山东铝业集团生产P.O42.5水泥； 砂：东营近郊产黄砂，细度模数为2和2.6两种； 石：东营近郊产，选用5～10mm石和小于5mm的石屑； 外加剂：萘系高效减水剂； 颜料：市售氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁黑、铬黄和铬绿。
3、彩色透水路面砖生产工艺及技术要点
3.1 透水路面砖的种类及机理
按透水方式与结构特征,透水砖可分为正面透水型和侧面透水型两类。正面透水型透水砖在实际应用中效果较为明显,除具有较好的物理力学性能和透水性能外,还可制成彩色面层,美化环境,生产成本也相对较低[1]。
透水砖是由一定级配的集料、水泥、特种胶结剂和水等经特殊工艺制成的。因选用的集料级配特殊，通常没有或很少有粒度2.5mm以下的细集料，因此集料骨架中含大量的孔隙，并且这些孔隙是连通的。如果有雨水时它们沿这些贯通“线路”渗人地下。透水速度的快慢，即透水系数的大小主要取决于集料的级配及相应的透水混凝土配合比[2]。
3.2 工艺流程
彩色透水路面砖生产工艺流程见图1。采用进口自动化生产设备，无需使用脱模剂。按体积法上料。基层料铺平后铺面料，振动过程中冲压成型，然后送入养护室内养护。
3.3 技术要点
1) 细砂面料配制
面料层分细砂、中砂和裸露集料的面层等几种。本文使用细砂面料。面料的配制，要满足如下几点： ①控制好胶骨比，比值太大，砖表面易产生裂缝，比值太小，则使面料层出现不结实、不耐磨；一般胶骨比选0.29～0.2； ②面料水灰(胶)比应大于或等于基料水灰(胶)比，而又不粘模为好。如果面料水灰(胶)比小于基料水灰(胶)比时，刚成型的彩色路面砖在输送过程中会产生不规则的非贯穿性裂缝； ③颜料保管中应注意防潮、防湿，一旦开袋使用，应在短时间内用完；不能用完时仍密闭保存，发现结团，应过筛使用； ④颜料掺量越多，制品颜色就越深，这样即影响路面物理力学性能，又提高了成本。应尽量采用浅色水泥或白水泥。水泥和砂石集料本色一定要稳定，生产同批彩色路面砖应使用同型号同一批水泥及同层同矿山集料。如选用合成氧化铁颜料，一般着色层颜料掺量为水泥掺量的3%～5%。 配合比确定以后，加入颜料入搅拌机搅拌，先干拌10s～20s，再加入1/2的水搅拌10s左右，最后加入全部的水搅拌1min～2min。面料层的生产要尽量缩短成型时间，以免时间过长，面料层失水过多和发生水化反应[3]。
2) 基层的配制 路面砖采用二次布料法，即分为面层和基层。基层是用水渣取代部分中粗砂的粉煤灰干硬性混凝土,采用强制式搅拌机搅拌。试配时要先测出砂、碎石的含水率，然后在基准配比上调整砂石用量及用水量，调配出生产配合比，配合比的设计可根据不同的砖型和不同的需求进行调配。配合比调整完毕后输入计算机，然后严格、准确的计量。各种原料投入搅拌机以后，先干搅拌20s左右，然后加入水搅拌1min～2min。如果加入外加剂，则需要另外调整加料次序。粉煤灰混凝土搅拌好后放入料仓，准备入模生产。基层的生产主要控制要点为： ①从空间结构来看，透水性路面砖是粗骨料颗粒与水泥石绞结而成的多孔结构，水泥石与粗骨料界面粘结强度是最薄弱环节，所以应采用42.5MPa以上强度水泥。水泥最佳用量以刚好包裹骨料表面形成均匀水泥浆为适度。以最小水泥用量为原则，过多水泥用量会增加成本、降低透水性。胶凝材料用量一般为230～300kg/m3。 ②骨料级配是控制透水性重要批标，级配不良时，堆积骨架中孔隙大，强度低，反之强度高，透水性差。级配合理范围：>10mm，(0～10%)； >5mm ，(95～40%)；<2.5mm,(10～3)%。通常不要有2.5mm以下的细骨料，以保证内部有大量孔隙。砂、碎石中的含泥量<1%，有机物含量<1%； ③控制好胶骨比，胶骨比的减小会增大透水性，但强度会降低；胶骨比增大时，强度会增大，但透水性降低。一般胶骨比选0.29～0.2； ④对特定的某一骨料有一最佳水灰(胶)比。当W/C小于这一最佳值时，水泥浆过于干稠，混凝土拌合物和易性太差，水泥浆体不能充分包裹骨料表面，不利于提高透水砖强度；反之，W/C过大，水泥浆可能把透水孔隙部分或全部堵死，既不利于透水，也不利于强度提高。最佳的W/C为0.25～0.35。要求做到“手抓成团,落地自散”； ⑤综合稠度、强度、表观密度确定的最优用水量，一般为80～120kg/m3； ⑥为增大路面砖的透水性，需要人工制作连续孔，连续孔的形成机理是：在半干硬性混合料中掺入引气剂，物料经成型、静停后,进行蒸汽养护。在蒸养的过程中，混合料中引入的气泡产生体积膨胀，使原来不相连通的气泡连为一体，成为连续孔通道。可选用的引气剂有：松香热聚物、松香皂钠烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、环氧乙烷与脂肪醇缩合物。具有缓凝特性的木质素磺酸盐因影响制品强度发展不宜使用。性能较好的引气剂是松香类引气剂[4] 。
3) 养护 刚成型的路面砖,应置于脱模托板上养护。室温下自然养护时，可将路面砖放在养护窑内，并将门关闭以使粉煤灰混凝土在一定湿度条件下充分水化。缩短初始养护时间，可将路面砖(放在托板上)送入保温窑内，在60℃～70℃的蒸汽养护下停留4-6小时。初始养护后，路面砖被运送室外，此时要注意浇水养护，整个养护过程一般为28天。
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4、试验过程及结果评价
4.1 彩色透水砖的力学分析
除上述透水路面砖设计要求外，本文利用一级粉煤灰等量取代水泥，水渣0～70%取代砂子，主要是考虑到水渣颗粒较粗(细度模数为3.0左右)取代部分砂子(细度模数2.6左右)可增大透水性,降低成本。 而且水渣具有胶凝性，能增强浆体与骨料间的粘结性。试验结果如表1。掺用10～50%水渣代替中粗砂在混凝土中应用均能满足强度要求，与不掺水渣混凝土相比，强度有所增加，水泥用量略有降低。水渣取代砂超过50%后，强度开始下降。因此50%为最佳取代点。
4.2 彩色透水砖的力学分析
取水渣50%取代中砂的彩色透水路面砖的试块进行孔结构分析及透水性能试验。总孔隙率P0,，连通孔隙率P1及透水系数T的试验结果见表2。
由表2可知，试验的路面砖连通孔占总孔隙的比率较大，透水性能较好。透水系数满足相关高渗透性混凝土标准的要求。
5、应用前景分析
彩色透水路面砖的水泥用量较少，掺用粉煤灰和水渣等工业废渣，节约资源、能源；不破坏环境，更有利于环境；符合绿色混凝土的要求。透水性混凝土路面砖经济实用。与普通混凝土路面砖相比,透水性混凝土路面砖的制造费用较低。用于透水、保水有特殊要求的场合，具有一定的竞争优势。可应用于下列领域：河道、高速公路、山体护坡；草坪底板；无土绿色植被种植(如屋顶绿化)；农田水利等[5]。
6、小结
本文对彩色透水路面砖的机理进行、配合比设计要点、生产工艺、主要技术指标、应用前景进行了阐述,通过用粉煤灰部分取代水泥、水渣部分取代中粗砂配制出了低成本、高透水性的彩色透水路面砖。这对工业废渣利用，发展绿色建材是非常有益的探索。除了原材料和配合比外，生产设备的压实能力是影响干硬性混凝土性能的重要因素。因此工业生产中应重视生产设备的选择以保证产品质量[6]。
参考文献 [1] 王武祥. 透水性混凝土路面砖的生产与应用[J]. 混凝土与水泥制品,1998, (4):54～56. [2] 王武祥.新型建筑材料[J]. 1995,(7),27～30. [3] 尹辉和,王辉. 影响混凝土路面砖质量问题的因素[J]. 彩瓦与路砖,2005,(2):34～35. [4] 蒋亚清,王洪波,高建明. 透水性混凝土路面砖[J]. 建筑砌块与砌块建筑,2001,(1):15～16. [5] 孟猛. 新型彩色混凝土路面砖的应用前景[J]. 混凝土,2002,(2):52～54. [6] 冯乃谦.新实用混凝土大全[M].北京:科学技术出版社,2005.
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