织物组成对复合透水砖性能的影响

织物组成对复合透水砖性能的影响

近年来，雨季以来，不同大城市的“看海”现象频繁发生。透水性地面由于具有缓解城市排水系统泄洪压力基于此,本课题采用涤棉混纺(P/C)和涤纶(PE)废弃织物增强水泥基透水砖,在改善透水砖性能的同时,为含涤废弃织物寻求有效的回收利用途径。采用机械方法从废弃织物中提取纤维不仅会增加加工成本,而且会造成严重的粉尘污染,因此,本课题直接采用不同尺寸的废弃织物增强水泥基透水混凝土砖,测试该复合透水砖(CompositePermeableBrick,简写为CPB)的抗压性能、透水性和保水性,并对废弃织物增强砖和再生纤维增强砖的性能进行比较。1实验材料和方法1.1粉碎型cod材料所用原料包括:42.5级普通硅酸盐水泥,唐山市天路水泥有限公司;骨料,采用粒径5~10mm的碎石,市售;涤棉织物、涤纶织物边角料,天津鸿星服装厂;高效早强减水剂,北京海岩兴业混凝土外加剂技术有限公司;TFF-5型纤维改性剂,天津工业大学纺织纤维界面处理技术工程中心。1.2废弃织物拉伸性能分别对废弃织物进行剪切和撕松处理,获得不同尺寸(3mm×3mm、6mm×6mm、10mm×10mm)的织物碎片和3mm再生纤维。采用YG141型织物厚度分析仪(宁波纺织仪器厂)测试织物厚度,并称重计算其平方米克重;采用YG026D型多功能电子织物强力机(宁波纺织仪器厂)测定织物拉伸断裂性能,夹持长度为200mm,拉伸速度为100mm/min,预张力为2N;采用中段切断称重法测试再生纤维线密度;采用YG001A型单纤维电子强力仪(太仓纺织仪器厂)测试再生纤维的拉伸断裂性能,夹持长度为10mm,拉伸速度为10mm/min,预张力夹150mg。废弃织物与再生纤维性能参数如表1和表2所示。采用TFF-5型纤维改性剂对织物碎片和再生纤维进行表面亲水性处理,将待处理试样放入含油率为0.2%的水中,搅拌4~5min,静置20min,取出试样,挤压至试样质量为未处理前质量的2倍,放入(100±5)℃烘箱中烘干2h,取出备用。1.3整理织物的制备设定水灰比为0.3,骨灰比为4.0,减水剂用量为2%(与水泥质量之比),首先将骨料和经过预处理的织物(纤维)在无水状态下搅拌均匀,加入总用水量20%的水预拌,使骨料和织物(纤维)表面都被完全润湿,织物(纤维)彼此之间没有粘附而是均匀分布在骨料之间;然后相继加入水泥和外加剂,继续搅拌,使水泥均匀分布在粗骨料之间,没有明显的水泥团聚现象发生;再加入剩下的80%水继续搅拌,使得织物(纤维)均匀分布在混合体之间,保证水泥浆能充分包裹每粒骨料,且包裹层均匀;将拌合物倒入试模内,用一端平整的木棒轻轻插捣,整平表面,在压强4MPa条件下压制成型,静压90s;密封养护28d后,获得了尺寸为100mm×100mm×60mm的复合透水砖,对其进行性能测试。为考察废弃织物作为增强体时其形态和用量对复合透水砖性能的影响,制备了3组样品,其中,采用涤棉织物或涤棉再生纤维制备的复合透水砖简写为PC-CPB,采用涤纶织物或涤纶再生纤维制备的复合透水砖简写为P-CPB:(1)分别选取3mm×3mm的涤棉织物和涤纶织物,以体积分数V(2)分别选取3mm×3mm、6mm×6mm、10mm×10mm尺寸的涤棉织物和涤纶织物均以体积分数2%掺入水泥基体中制备透水砖,考察织物尺寸对复合透水砖性能的影响;(3)分别将体积分数0.5%的3mm×3mm织物和同等质量的长度为3mm的再生纤维掺入水泥基体中制备透水砖,考察织物增强透水砖和纤维增强透水砖的性能区别。同时在相同配合比、相同实验条件下制备不掺加织物或纤维的普通透水砖(OrdinaryPB)作为对照。1.4抗压试验采用AG250kNE型万能材料试验机(日本岛津公司),参考JC/T945—2005标准式中:R1.5试样透水系数的测定采用自制的透水系数测试仪,依据JC/T945—2005标准将透水砖试样的四周用密封材料密封,将试样在水中浸泡20min;将浸泡过的试样装入自制透水系数测试仪底部的砖加固件中固定,在试样及加固件四壁的缝隙中填充密封材料,确保水仅从试样的上下表面进行渗透;将加固件与透水圆筒采用螺栓连接密封好,打开供水阀门;等水槽的出水口有水流出时,调整进水量,使透水圆筒保持一定的水位,待水槽的出水口和透水圆筒的溢水口流出水量稳定后,用量筒从出水口接水,记录5min流出的水量(Q),测量3次,取平均值。采用钢直尺测量透水圆筒的水位与水槽的水位之差,精确至0.1cm。透水系数计算公式为式中:K为试样的透水系数,cm/s;Q为时间t秒内的渗出水量,mL;L为试样厚度,cm;A′为试样的上表面积,cm1.6保水性能试验依据JC/T945—2005标准式中:B为保水系数,g/cm2结果与讨论2.1宏观堆聚结构复合材料的制备普通透水砖和含涤废弃织物增强透水砖的数码照片如图2所示。将废弃织物切割成碎片状或撕松成再生纤维,经过与骨料、水泥加水拌合,并经过一定条件养护所制备的复合透水砖,可以看做是由水泥石、骨料及织物碎片(再生纤维)组成的宏观堆聚结构复合材料。骨料在混凝土中杂乱、随机取向分布构成了透水砖的骨架结构;而水泥石和纺材的结合体则填充于骨料堆聚体之间。在透水砖成型过程中,织物碎片(短纤维)降低了水泥浆体的流动性,避免其向下流动阻塞骨料之间的连通孔隙,阻止骨料沉降2.2结构的变形不一致由于水泥石和骨料的弹性模量不同,当温度和湿度发生变化时,水泥石和骨料的变形不一致,致使在过渡区形成细微裂缝。在载荷作用下,复合透水砖内部原有的微裂缝受力后在端部出现微裂缝区,随着载荷的增加,微裂缝区内裂缝数量不断增加,微裂缝逐渐变成肉眼可见的裂缝,缝端前移,又出现新的微裂缝区2.2.1复合透水砖的拉伸性能掺加不同体积分数的织物后含涤废弃织物增强水泥基透水砖的抗压性能如表3所示。可以看出,随着织物掺加体积分数的增加,复合透水砖的抗压强度先增大后减小,在体积分数为2%时达到最大值,涤棉织物复合透水砖抗压强度为28.20MPa,涤纶织物复合透水砖抗压强度为26.20MPa,和未掺加织物的普通透水砖相比,分别提高了21.8%和13.2%;随着织物体积分数增加,复合透水砖的压缩韧性指数和最终消耗能量先增大后减小,在体积分数为5%时达到最大值,与普通透水砖相比,涤棉复合透水砖压缩韧性指数I比较掺加2种不同织物所制备复合透水砖的抗压性能。可以看出:随着织物体积分数增加,涤棉织物复合透水砖抗压强度的变化幅度明显大于涤纶织物复合透水砖;当织物掺加体积分数≤2%时,涤棉织物复合透水砖抗压强度大于涤纶织物复合透水砖,当织物掺加体积分数>2%时则反之;而压缩韧性指数和受压至最终破坏时所需能量始终大于涤纶复合透水砖。这是由于涤棉织物亲水性强,和水泥基体黏结力更大,因而掺加适量时更有助于提高复合透水砖的抗压性能;本文所采用的涤棉织物厚度小于涤纶织物,则在同等体积分数条件下,掺入的涤棉织物碎片多于涤纶织物碎片,在透水砖中掺加过量时引入的缝隙也更多,因而当织物掺加体积分数>2%时,涤棉织物复合透水砖抗压强度小于涤纶织物复合透水砖,但由于涤棉织物掺加碎片数量始终大于涤纶织物数量,受压时能够吸收更多能量,因而涤棉织物复合透水砖受压后的压缩韧性指数和最终耗能大于涤纶织物复合透水砖。2.2.2复合透水砖抗压强度织物体积分数为2%时,掺加不同尺寸的织物后含涤废弃织物增强水泥基复合透水砖的抗压性能如表4所示。可以看出,当织物体积分数为2%时,随着织物尺寸增大,复合透水砖抗压强度呈现下降趋势。这是由于在同等体积分数条件下,织物尺寸越大,则织物单体数量越少,因而受力时内部应力分布不匀,甚至出现分层,导致其抗压强度下降。随着织物尺寸增大,复合透水砖的韧性指数呈增大趋势,说明其韧性增加,延展性增强。织物尺寸越大,在复合透水砖内部织物覆盖面积越大,受压时对于骨料的承托作用越显著,因而越不容易变形破坏。随着织物尺寸增大,复合透水砖的最终耗能先增大后减小,但变化幅度不大。2.2.3复合透水砖的抗压性能前期实验过程中发现,当织物体积分数≥1%时,同等质量的再生纤维比表面积大大增加,更易于粘附水泥胶凝材料,导致混凝土基体中骨料相互分离,粘结性降低,从而成型较为困难。当织物体积分数为0.5%时,掺加同等质量的织物和再生纤维后,织物复合透水砖与纤维复合透水砖的抗压性能比较如表5所示。可以看出,在掺加同等质量纺织材料条件下,织物复合透水砖抗压强度>普通透水砖抗压强度>纤维复合透水砖抗压强度,而纤维复合透水砖受压破坏最终耗能大于织物复合透水砖和普通透水砖。这是因为纤维比织物具有更大的比表面积,在同等实验条件下,水泥浆体更容易被纤维缠裹,和骨料接触的水泥浆体减少,骨料和水泥、纤维之间的黏结力较小,因而纤维复合透水砖强度较低,但由于大量纤维的存在使得其最终破坏需要吸收更多的能量。将废弃织物经过撕松处理获得再生纤维,不仅要进一步消耗能源,而且容易造成粉尘污染等环境问题。而采用再生纤维增强水泥基透水砖,其抗压性能并不具有优势,在此过程中消耗的再生纤维量也非常小。相比较而言,采用废弃织物直接增强水泥基透水砖,制作工艺简单,耗能少,所获得的透水砖性能优良,而且可以消耗更多废弃织物,是值得推广的废弃织物回收再利用方法。2.3复合透水砖透水系数织物尺寸为3mm×3mm时,掺加不同体积分数的织物后含涤废弃织物增强水泥基复合透水砖的透水系数如图3所示。可知,随着织物体积分数的增加,复合透水砖的透水系数呈增大趋势;当V随着织物掺加体积分数的增加,越来越多的水泥浆体被织物所吸附,骨料之间的水泥胶结层减薄,孔隙增大,透水系数增大。当V不同增强体形态的含涤废弃织物增强水泥基复合透水砖的透水系数如表6所示。可以看出,掺加织物或者纤维后,复合透水砖透水系数均有所增加;随着织物尺寸的增加,复合透水砖透水系数呈下降趋势;在掺加质量相等时,纤维复合透水砖的透水系数大于织物复合透水砖。这是由于,织物尺寸越大,同等体积分数条件下织物碎片数量越少,对复合透水砖内部孔隙结构的改善效果越不明显,因而透水系数下降;同等质量的纤维与织物相比,纤维对于水泥浆体的吸附能力更强,导致纤维复合透水砖中的孔隙更多更大,因此掺加质量相等时纤维复合透水砖的透水系数大于织物复合透水砖。2.4织物尺寸的影响织物尺寸为3mm×3mm时,掺加不同体积分数的织物后含涤废弃织物增强水泥基复合透水砖的保水系数如图4所示。可以看出,随着织物体积分数的增加,复合透水砖的保水性呈现不断增大的趋势;当织物体积分数≤2%时,涤棉复合透水砖的保水系数与涤纶复合透水砖接近;当织物体积分数>2%时,随着织物体积分数的增加,涤棉复合透水砖保水系数大于涤纶复合透水砖,且差距逐渐增大。保水系数考察透水砖吸纳水的能力,不仅和透水砖内部的孔隙结构有关,也和透水砖这一混合体中各个组成部分的物性有关。其他物料用量相同,同等织物体积分数条件下涤棉复合透水砖内部的孔隙更多,且涤棉织物的亲水性远大于涤纶织物,所以涤棉复合透水砖的吸水能力大于涤纶复合透水砖,体积分数越大,则差异越明显。织物体积分数为2%时,掺加不同尺寸的织物后含涤废弃织物增强水泥基复合透水砖的保水系数如表7所示。可以看出,当织物体积分数为2%时,随着织物尺寸增大,复合透水砖的保水系数呈下降趋势,但变化幅度不大,且涤棉织物透水砖的保水性始终大于涤纶织物透水砖。这是由于同等体积分数条件下,增大织物尺寸对于透水砖孔隙结构影响不大,但由于涤棉织物对于水分的吸附和约束能力更强,所以涤棉复合透水砖的保水性始终大于涤纶复合透水砖。综上所述,采用废弃含涤织物增强水泥基透水砖,可改善透水砖性能,并为难降解的含涤废弃织物特别是涤棉混纺废弃织物提供行之有效的回收利用途径。3复合透水砖的性能采用废弃涤和涤纶复合透水砖,分析复合透水砖的结构特性,考察织物掺加体积分数、种类、尺寸及形态对复合透水砖抗压性能的影响。(1)废弃纺材