砂基透水砖的研制

砂基透水砖的研制

0道路材料和风积沙随着城市化进程的加快，越来越多的城市被非透水建筑和道路覆盖，导致城市热岛效应、城市防洪风险增加，加剧了城市干旱和缺水。通过在城市铺设大量透水砖可以有效缓解上述负面影响。杨静和蒋国梁采用小粒径骨料,矿物细掺料和有机增强剂等方法,研制出了力学性能和透水性能符合国家建材行业标准要求的混凝土道路材料。张艳娟等采用粉煤灰和硅灰替代部分水泥,降低了混凝土透水砖的造价。已有的研究多集中在高抗压强度、高透水、低造价的混凝土透水砖。但混凝土透水砖因其骨料间空隙较大,存在易被堵塞问题,使其透水能力在使用2年后就显著降低。混凝土透水砖易堵塞现象降低了其适用性,因此,寻找新型骨料研制高效透水砖促进城市生态建设是非常必要的。风积沙在力学性能上能够满足道路铺设的要求,且透水性能卓越。我国沙漠化严重,沙化面积高达173.11万km2,其中储藏着大量的风积沙,这些风积沙具有颗粒细小、含水率低的特点,为砂基透水砖的研制提供了廉价的原料。本文采用风积沙为骨料,研制适用于生产的高效透水砖,不仅能够促进城市建设,也能缓解沙漠化,从而带来巨大的社会经济和生态效益。1试验材料和方法1.1影响砂基透水砖性能的因素试验设计包含3个阶段。第1阶段,探讨石英粉添加量对环氧树脂强度的影响,寻找合理的添加量范围;第2阶段,研究环氧树脂添加量对砂基透水砖强度的影响,寻找合理的环氧树脂添加量;第3阶段,通过正交试验设计寻找最优配合比和制作工艺参数。利用正交试验方法,制备砂基透水砖,分析配比和制备工艺对透水砖强度、透水系数的影响。对砂基透水砖性能产生影响的因素:(1)环氧树脂添加量。环氧树脂添加量过低,环氧树脂不能充分包裹骨料表面,虽然孔隙大、透水性能好,但不利于砖体的强度;反之,过量的环氧树脂可能把透水空隙部分或全部堵死,虽然强度大大提高,但透水性急剧降低,同时存在造价太高问题。(2)振动时间。振动时间过短,骨料不能密实堆积,不利于强度的提高;反之,振动时间过长可能使环氧树脂沉积在砖体底部,既不利于强度的提高,同时可能使透水性能降低。(3)置重块质量。置重块越重,对骨料施加的压力越大,可能使骨料过分密集,不利于提高透水性;置重块过轻,骨料不能密实堆积,不利于强度提高。根据前期试验,选用的3个因素为环氧树脂添加量、置重块质量及振动时间,各因素水平为3个,故选用L9(34)即4因素3水平的正交表安排第3阶段试验。1.2石英砂及环氧树脂(1)烘干沙:辽宁省彰武县兆峰硅砂有限公司的烘干沙,是沙漠中风积沙经过筛洗烘干后的成品,各项性能跟风积沙相似。浅黄色,成分主要为石英砂,粒径0.3~0.6mm为主,多为球形,表观密度2637kg/m3,堆积密度1719kg/m3,孔隙率达35%,含泥量小于0.04%,含水率小于0.2%。(2)环氧树脂:昆山绿盾化工双组份环氧树脂,其中A组分为双酚环氧树脂,无色透明液体;B组分为胺类固化剂,蓝色透明液体。该环氧树脂在常温条件下,24h固化强度可以达到最大值的80%。(3)填料:200目精制石英粉。1.3水泥胶砂的制备环氧树脂添加量参考环氧树脂混凝土典型配比及厂家提供的配比资料,试样制备工艺参考普通水泥胶砂的制备过程。(1)环氧树脂按m(A组份)∶m(B组份)=100∶30,置于行星胶砂搅拌机中搅拌均匀;(2)将烘干沙加入混合均匀的环氧树脂中,搅拌均匀,装入模具,捣实振动成型;(3)24h后脱模,试块室内干燥养护7d。1.4测试的性能试验结束7d养护期后,按照JC/T945—2005《透水砖》对所制备的砂基透水砖进行力学性能和透水系数测试。2结果与讨论2.1石英粉添加量对环氧树脂砂浆抗压强度的影响石英粉具有改善环氧树脂混合料强度的性能,可以降低砂基透水砖中环氧树脂添加量的比例,从而降低制备透水砖的成本。其中制备的小试样为直径6cm、高5cm的圆柱体,环氧树脂添加量为5%(A、B双组分质量占总骨料质量的百分数,下同),石英粉添加量(石英粉占环氧树脂的百分比)对环氧树脂砂浆抗压强度的影响见图1。由图1可知,环氧树脂砂浆的强度随着石英粉添加量的增加先提高后降低、最后趋于稳定。未添加石英粉的试样抗压强度为12.6MPa,当石英粉添加量为2%~4%时,试样的抗压强度大于15MPa,增强作用明显;当石英粉添加量超过4%时,试样的抗压强度小于12.6MPa。因此,石英粉添加量的合理范围为2%~4%。2.2环氧树脂添加量对透水砖力学性能的影响环氧树脂添加量是影响砂基透水砖力学性能的重要因素,砂基透水砖从成型到检测依据标准JC/T945—2005进行,试样尺寸为200mm×100mm×60mm,振动时间为30s,置重块的质量为3200g。因边长/厚度<5,故不进行抗折强度的性能测试。环氧树脂用量对砂基透水砖抗压强度的影响见图2。由图2可见,随着环氧树脂添加量的增加砂基透水砖的强度不断增大,具体表现在以下几个方面:(1)当环氧树脂添加量≤3%时,由于环氧树脂量过少,不能充分润湿骨料表面,环氧树脂固化后不能在骨料颗粒之间形成高强度的胶结层,砂基透水砖的抗压强度低于15MPa。(2)当环氧树脂添加量≥7%时,由于环氧树脂量过多,除了充分润湿骨料表面外,在拌合料底部开始有多余的环氧树脂混合料渗出,环氧树脂固化后在骨料之间形成高强度的胶结层,砂基透水砖的抗压强度高于40MPa,超过透水砖标准要求。(3)当环氧树脂添加量从3%提高到4%时,由于环氧树脂添加量的增加,开始充分润湿骨料表面,骨料之间的胶结层变厚,力学性能变化大,砂基透水砖的抗压强度从12.5MPa提高到24.6MPa。(4)当环氧树脂添加量从4%开始,每提高1%,砂基透水砖的抗压强度增大值约为5MPa,当环氧树脂添加量为6%时,透水砖抗压强度已达到35.5MPa。但考虑到成本和实用问题,制备砂基透水砖的环氧树脂添加量合理范围在4%~6%。2.3砂基透水砖的力学性能从前期试验,当环氧树脂添加量小于3%时,砂基透水砖强度太低,当添加量大于7%时,强度大于40MPa,远远超过标准要求,但透水性能差。环氧树脂添加量的合理范围在4%~6%。为进一步研究环氧树脂添加量、置重质量及振动时间对砂基透水砖性能的影响,采用L9(34)正交试验设计。正交试验因素水平见表1,试验结果与极差分析分别见表2和表3。从表2的试验结果及表3的极差分析可以看出:(1)当环氧树脂添加量为4%~6%,置重质量为2200~4400g,振动时间为15、30、45s时,各因素对砂基透水砖的抗压强度影响顺序为:环氧树脂添加量A→置重质量B→误差列D→振动时间C,并且环氧树脂添加量和置重质量的影响比较大,而振动时间的影响较小。(2)对于砂基透水砖的透水系数,各因素的影响顺序为:环氧树脂添加量A→振动时间C→误差列D→置重质量B,环氧树脂添加量的影响最为显著,振动时间和置重质量的影响相对较弱,与强度的影响因素及其水平值相比,影响顺序恰好相反,由此可以得出,砂基透水砖的强度和透水性是一对相互制约的性能指标;抗压强度值高,透水性能就差;反之,透水性能提高,则抗压强度值则降低。(3)分析最优配合比和成型工艺参数,砂基透水砖首先应满足抗压强度大于30MPa的要求,而透水系数能满足一定的要求即可,故最优配比按照强度兼顾透水性进行选取,为A3B2C1,其试验强度为41.1MPa,透水系数为2.1×10-2cm/s。实验结果表明,8号配比和制备工艺是最优方案,推荐用8号配比方案作进一步的研究和生产。3砂基透水砖的性能采用沙漠中的风积沙和环氧树脂为主要原料,通过捣实振动成型工艺制备砂基透水砖是可行的。(1)石英粉添加到环氧树脂中,可以提高环氧树脂砂浆的力学性能,从而可以减少环氧树脂的用量,降低生产成本,试验结果表明,合理的石英粉添加量为2%~4%。(2)砂基透水砖的抗压强度随着环氧树脂添加量的增加而提高,从降低成本和使用的角度考虑,环氧树脂添加量的合理范围为4%~6%。(3)砂基透水砖的透水性能和抗压强度是一对相互制约的性能指标。根据不同的使用要求,调整配比和制备工艺参数。通过正交试验设计,寻找到最优的配比和制备工艺:环氧树脂添加量为6%,配重质量3200g,振动时间15s,制备的砂基透水砖的抗压强度为41.1MPa,透水系数为