仿花岗岩路侧石

花岗岩环保型透水砖的研制

作者:

广州邦民

时间:2016-10-19 来源:

透水砖

摘要:利用正交试验分析了制备透水砖过程中花岗岩骨料粒径、集灰比、水灰比、生石灰掺量等因素的影响并对其重要性进行排序。研究了各因素与抗压强度、抗折强度、透水系数和孔隙率的...

前言
吉林省东部乃至整个长白山地区蕴藏着丰富的花岗岩矿物资源。花岗岩是一种深成酸性火成岩,也被称作酸性结晶深成岩,是钢硬的全结晶结构晶状体石材。 花岗岩结构致密、质地坚硬、耐酸碱、耐气候性好,花岗岩的优点还包括高承载性,良好的抗压能力及耐磨、研磨延展性。 矿物组成以石英、正长石、微斜长石和云母为主要成分。 其中,长石含量为 40%~60%,石英含量为 20%~40%。二氧化硅含量较高,属于酸性岩石,花岗岩是建材行业所用的天然石材中最硬的建筑材料。吉林市周边加工、生产花岗岩石板材的企业不计其数,花岗岩石材加工后废弃的边角废料堆积如山,不仅侵占了耕地,而且还污染环境。 花岗岩可以制成碎石,是配制混凝土和水泥制品的优良集料,此外,花岗岩的化学及矿物组成使其更适合制作砖一类的产品。 利用花岗岩边角废料为主要原料进行透水砖的开发,进行废物资源化的合理利用,推广和应用透水砖这种新型的绿色环保建材,将产生良好的经济效益和社会效益。
 
1 试验部分
1.1 试验原材料
水泥:P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥。
粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰,细度(45μm 筛)为 8.2%。
生石灰:一级生石灰。
天然粗骨料:花岗岩石材加工厂的边角废料。
外加剂:FDN-I 型高效减水剂(粉状),减水率17%~27%。
颜料:氧化铁红颜料。
拌合水:自来水。
 
原材料的主要性能指标见表 1 和表 2, 

花岗岩
骨料的主要性能指标见表 3。
1.2 试验方法
按照 JC 446—2000《混凝土路面砖》的规定进行试件抗压强度和抗折强度的测试。 试件制作成两种尺寸,200mm×100mm×60mm 的试件,用于测定抗压强度、抗折强度。100mm×100mm×100mm 的试件,用于测定透水砖的透水性能。抗压强度和抗折强度测试使用的仪器分别为:YES-2000 型压力试验机和 H74212 型抗折试验机 。透水砖孔隙率和透水系数测试方法:有效孔隙率测定方法按照下式计算公式进行。p= {1-<m3-(m2-m1)>}/V×100% (1)式中:V 为试件的体积;m1为金属丝筒在水中的质量;m2为金属丝筒和试件在水中的质量;m3为试件干状态的质量;p 为孔隙率。
 
透水系数的测定依照 JC/T 945—2005《透水砖》的“固定水位透水性测定法”进行测定。
2 结果与讨论
2.1 正交试验设计
设计了试验方案 L16(44)正 交表 (表 4),选取四个影响因素
、四个水平。 集灰比取值分别为 3.0、3.5、4.0、4.5; 花 岗岩碎石骨料粒径取值范围分别为 2~5mm、5~10mm、10~15mm15~20mm; 水灰比取值分别为0.25、0.28、0.30、0.32;
 
生石灰替代胶凝材料掺量取值分别为 0、2%、5%、8%。透水砖配合比采用体积法设计, 以 1m3花岗岩碎石的质量、 目标孔隙率取 20%、 选择粒径 15~20mm 为 标 准 、 水 灰 比 分 别 取 为 
0.25、0.28、0.30、0.32,堆积密度为 1600kg/m3,折减系数为 0.97,空 隙率为 44%的花岗岩碎石来计算配合比。 具体配合比参数见表 5。
 
按上述配合比参数制备试块,自然养护到 28d,测试孔隙率和透水性能,试验结果见表 6。
 
根据表 5、表 6,探讨集灰比、水灰比、碎石粒径和生石灰掺量四因素对透水砖的孔隙率和透水系数的影响,分析结果见表 7。

 
由分析结果可见,影响透水砖孔隙率的重要性因素排列顺序是集灰比、 花岗岩碎石粒径大小、水灰比、生石灰掺量。 影响透水砖透水系数的重要性因素排列顺序依次是花岗岩碎石粒径大小、 集灰
比、水灰比、生石灰掺量。 因此,影响透水系数最重要的因素就是花岗岩碎石骨料粒径的大小。
 
2.2 透水砖的主要影响因素与透水性能和强度的关系[
 
2.2.1 
花 岗岩碎石粒径大小对透水砖孔隙率 、透水系数以及强度的影响
 
花岗岩碎石骨料粒径大小决定了单位体积粗骨料中颗粒数量的多少,粒径越大则单位体积中的粗骨料数量就越少,成型后的硬化浆体间的接触点也就会越少,承受力的接触点也就越少。 因 此 ,大
粒径的粗骨料会使透水砖的强度降低。 图 1、图 2 是骨料粒径对透水砖 28d 抗压强度、抗折强度、孔隙率和透水系数关系的影响曲线。

 
由图 1 可以看出, 随着花岗岩骨料粒径的增大,透水砖的抗压强度和抗折强度都减小,粒径从2~5mm 增 大到 5~10mm 时 ,28d 抗 压强度值下降的幅度不是很大, 而从 5~10mm 增10~15mm 
时,降幅变得更小。 而抗折强度虽在前期降低得大些,但随着粒径的增大,降幅也变得平缓。 从图 2 看出,随着粒径的减小,孔隙率和透水系数都减小,而且降幅很同步,其原因是:粒径越小、
单位体积中颗粒数量就越多,那么颗粒间黏结点的数量就越多,形成的透水砖的孔隙就越少,孔隙率就越小,必然导致透水系数的减小。 从图 2 可见,只要粒径在 5mm 以上时,制备的透水砖的透水系数都在 1mm/s 以上。
 
2.2.2 集灰比对透水砖孔隙率 、透水系数以及强度的影响
 
集灰比大小反映的是骨料与胶凝材料的比值大小,选择适宜的集灰比,会使制备的透水砖有较高强度和适当的孔隙率以及良好的透水系数。 集灰比对28d 抗压强度和抗折强度的影响见图 3, 集灰比对孔隙率和透水系数的影响见图 4。
 
由图 3、图 4 可见,随着集灰比的增大,28d 抗压强度和抗折强度值都在减小。 而孔隙率和透水系数随集灰比的增大,变化趋势是逐渐增大。 原因在于随着集灰比的增大,骨料的相对含量增大
,胶凝材料相对含量降低,导致孔隙率变大,透水系数就增大。相反,随着集灰比的增大、胶凝材料的量相对减少,导致抗压强度和抗折强度的减少,透水系数也增大,但再大的透水系数,没有足够的强度做保证也是无法使透水砖得到实际应用的。 因此,足够大的强度和适当的透水系数才是使透水砖得以现实应用的关键。 从图 3 和图 4 可看出,本试验的最佳集灰比为 4。
 
2.2.3 水 灰比对透水砖孔隙率 、透水系数以及强度的影响
 
由于透水砖强度受孔隙率影响很大,所以配合比设计的关键是确定水灰比,水灰比既影响强度又影响透水性。 水灰比对抗压强度和抗折强度的影响见图 5,对孔隙率和透水系数的影响见图 6。
 

由图 5、图 6可以看出,28d 抗压强度值随水灰比的增大而减小, 
而 28d 抗折强度存在一个最佳值;相反,孔隙率和透水系数却随着水灰比的增大而增大,水灰比不仅影响强度的高低更影响透水性能。 当粗骨料形状、粒径都确定后,水灰比过小,配制的水泥浆体便会过稠,过稠的浆体很难均匀包裹在粗骨料的表面;水灰比太大,制备的浆体便会过稀,稀浆体流动性大,会堵塞透水空隙部分,导致强度下降和透水性能减小。 因此,胶凝材料浆体既能均匀包裹住粗骨料颗粒表面,又不产生下滴现象的水灰比便是最合理的水灰比。 由图可知,本试验合理的最佳水灰比值为 0.3。
 
2.2.4 生 石灰掺量对透水砖孔隙率 、透水系数以及强度的影响
透水砖制备除了采用花岗岩碎石、水泥、水等最基本的原材料之外,通常还需要掺入一些其它辅助材料。 生 石灰的掺入起到一定的增强 、减水 、和易的作用。 生石灰掺量对透水砖抗压强度、抗折强度、孔隙率和透水系数的影响见图 7 和图 8。
 
由图 7、图 8 可以看出,生石灰的掺量为水泥质量的 5%最为合适。 该掺量无论是 28d 抗压强度还是 28d 抗折强度几乎都达到了最大值,而孔隙率和透水系数也达到了令人比较满意的数值,随着生石灰掺量超过 5%, 无论孔隙率还是透水系数值都变化甚微。
 
2.2.5 粉煤灰掺量对透水砖孔隙率 、透水系数以及强度的影响
 
透水砖中掺入粉煤灰,可利用粉煤灰的微集料填充效应和火山灰效应。 粉煤灰掺量对透水砖强度、孔隙率和透水系数的影响见图 9 和图 10。


 
由图 9、图 10 可以看出,随着粉煤灰掺量的增大,透水砖的孔隙率和透水系数都减小。 原因是粉煤灰的掺入使浆体密实度、厚度都增加,流水通道部分被堵塞,造成有效孔隙率减小,透水系数就减小。 但粉煤灰可以提高胶凝材料的流动性、黏聚性及和易性。 
因此,随着粉煤灰掺量的增加,透水砖28d 抗压强度、抗折强度呈增强态势,但粉煤灰掺量存在一个最佳值, 在粉煤灰掺量达到 20%左右时,28d 抗压强度 、28d 抗折强度达到最大值 ,掺量继续增加时,抗压强度和抗折强度反而呈下降趋势。
 
2.2.6 静压成型方法对透水砖孔隙率 、透水系数以及强度的影响测试静压成型方法对透水砖孔隙率、透水系数和强度的影响,基准配合比为花岗岩碎石骨料粒径10~15mm、 水灰比 0.30、 集 灰比 
4、 生 石灰和粉煤灰等量取代水泥量分别为:5%和 20%、 减水剂 0.7%。结果见图 11 和图 12。

 
由图 11、图 12 可见,静压成型的孔隙率和透水系数都随着静压压力的增加而迅速下降。 相反静压成型的 28d 抗压强度、28d 抗折强度却随着静压压力的增加而大幅度增大。 原因是静压压力的增加会使骨料间结合更紧密。 由图看出,静压压力选择在4MPa 左右时 , 制成的透水砖的孔隙率和透水系数可 达 到 设 计 要 求, 而 且 28d 抗 压 强 度 也 可 达 到30MPa 以上、28d 抗折强度达到 6.5MPa 以上。
 
2.2.7 振动成型时间对透水砖孔隙率 、透水系数以及强度的影响
 
测试振动成型时间对透水砖孔隙率、透水系数和强度的影响,基准配合比同上。 试验结果见图 13和图 14 所示。


 
由图 13 和图 14 可以看出,振动成型时间大于10s 后孔隙率基本稳定 , 而透水系数变小趋势也趋缓,当振动时间达到 20s 后,透水系数处在 1mm/s 左右。 而抗压强度和抗折强度都随振动时间的增加而增大,振动时间达到 15s 后,抗压强度和抗折强度值基本上都达到了稳定值。
2.3 透水砖配合比参数确定及透水砖制备
依据上述透水砖设计过程中各种因素影响分析得出最佳配合比为:粒径 10~15mm 和 15~20mm、集灰比为 4、水灰比为 0.30、生石灰掺量为 5%、粉煤灰掺量为 20%、成型方法为静压成型法,静压压力为 4MPa。
 
基层材料配合比:基层采用 15~20mm 粒径的花岗岩碎石、水泥、水、粉煤灰 20%、生石灰 5%、减水剂0.7等材料组成,集灰比 4.0,水灰比 0.30,设计孔隙率 20%, 生石灰和粉煤灰等量取代水泥用量,表 8 为基层用原材料的单位体积用量。
 
面层材料配合比:面层材料采用 10~15mm 花岗岩碎石颗粒、水、水泥、粉煤灰 20%、生石灰 5%、减水剂 0.7%和氧化铁红(黄、绿)料。 集灰比为 4.0,水灰比为 0.28,设计孔隙率为 15%,粉煤灰和生石灰等量取代水泥用量,表 9 为面层用原材料的单位体积用量。
 
3 结论
(1)影 响透水砖孔隙率的重要性因素 , 依次顺序为集灰比、花岗岩碎石粒径大小、水灰比、生石灰掺量。 而影响透水砖透水系数的重要性因素,依次顺序排列为花岗岩碎石粒径大小、集灰比、
水灰比、生石灰掺量。 因此,影响透水系数最重要的因素就是花岗岩碎石集料颗粒粒径的大小。
(2) 当 面层粒径取 10~15mm、 基 层粒径取 15~20mm、集灰比取 4.0、水灰比取 0.30、生石灰、粉煤灰等量取代水泥的量分别取为 5%、10%、 减水剂掺入量为 胶凝材 料 的 0.7%、 采 用 静 压 成 型 的 压 力 取4MPa、保 压时间为 2min,即 可制备出 28d 抗 压强度值达到 25MPa 以上,28d 抗折强度达到 6MPa 
以上,孔隙率为 20%以上, 透水系数达到 1.5mm/s 以上的透水砖。
 


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