【摘要】本文介紹使用正交法設(shè)計高強(qiáng)混凝土透水磚，以磚的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)為指標(biāo)，分析研究骨料粒徑、水灰比、骨灰比等因素，及其不同因素對透水磚性能指標(biāo)的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用正交設(shè)計法可以獲得符合性能要求的高強(qiáng)混凝土透水路面磚的最優(yōu)配合比。同時，介紹了透水磚在環(huán)境改善中的應(yīng)用，以及路面鋪裝工藝設(shè)計原理。
【關(guān)鍵詞】透水磚；抗壓強(qiáng)度；透水系數(shù)；正交法；鋪裝工藝
【中圖分類號】TU522.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】1003- 5273(2007)02- 0025- 03
前言
隨著城市水資源的不斷匱乏，以及城市環(huán)境人性化的追求，透水性路面磚技術(shù)的研發(fā)[1~3]引起了研究混凝土制品的學(xué)者、專家和社會的關(guān)注。國內(nèi)部分學(xué)術(shù)報刊，已刊登了很多有實(shí)際意義的文章，部分技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，已有廠家相繼投產(chǎn)。然而，此類產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中存在抗壓強(qiáng)度偏低的問題，這是生產(chǎn)廠家面臨的主要難題之一；同時如何進(jìn)行合理鋪裝工藝設(shè)計，是有效利用其透水功能的關(guān)鍵所在。
根據(jù)在試驗(yàn)過程中的體會，本文闡述了制備高強(qiáng)混凝土透水磚的諸多影響因素、城市鋪裝材料的應(yīng)用前景，以及鋪裝工藝設(shè)計中的注意事項(xiàng)，以供交流、探討。
1 試驗(yàn)研究
高強(qiáng)混凝土透水磚[3~4]，是指具有較高抗壓強(qiáng)度的混凝土鋪地磚，并能夠承受較大的載荷，同時還能使水經(jīng)過混凝土磚表面滲透到下面乃至地下。它是以水泥和特殊級配的骨料為主要原料，摻加適量的化學(xué)外加劑，通過混合、攪拌，經(jīng)振動加壓或其它成型工藝制成，在具有較高強(qiáng)度的同時，又具有較理想的連通孔隙（一般約為15%）。其抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于30MPa，透水系數(shù)應(yīng)不小于0.0lcm/s，面層料可有可無。
1.1 試件的制備
1）水泥：普通42.5級硅酸鹽水泥。
2）骨料：本試驗(yàn)中采用三種石英砂骨料，見表1。
3）化學(xué)外加劑：具有提高混凝土的強(qiáng)度等性能。
試件的制備采用標(biāo)準(zhǔn)試模，以100mm×100mm×100mm的尺寸制備抗壓試體以及透水試體；將一定量的混合料攪拌均勻后裝入試模中，經(jīng)振動、壓制成型，成型24h后脫模，然后在室溫3±2℃、濕度50%以上的條件下養(yǎng)護(hù)7d，隨后自然養(yǎng)護(hù)至28d齡期，進(jìn)行測試。
1.2 性能測試[5]
1.2.1 抗壓強(qiáng)度
用壓力試驗(yàn)機(jī)按照《透水磚》JC/T945- 2005標(biāo)準(zhǔn)中抗壓強(qiáng)度方法檢測試體，受壓面積為100mm×100mm，加荷速率為0.4MPa/s~0.6MPa/s，均勻連續(xù)加荷，直至試體破壞，記錄試體破壞時的荷載?？箟簭?qiáng)度取6塊試體結(jié)果的平均值。
1.2.2 透水系數(shù)
根據(jù)JC/T945- 2005標(biāo)準(zhǔn)中混凝土透水測試原理，自行設(shè)計制作透水系數(shù)測試儀。測試時將預(yù)先浸泡的滾蠟試體置入測試儀中，然后用橡皮泥密封測試儀與試體之間的接縫；測試時給測試儀中加水至一定水位，并控制水的流入量，維持一定的水位，透過試體滲水，待滲透水流量穩(wěn)定后，用量筒測定一定時間段的透水量。
透水系數(shù)按照下式計算：
KT =（Q·L）（/ A·H·t）
式中：KT—（溫度T為15℃）試體的透水系數(shù)，cm/s；
Q—時間t秒內(nèi)的滲水量，ml；
L—試體的厚度，cm；
A—試體的上表面積，cm2；
H—水位差，cm；
t—時間，s。
結(jié)果以3塊試體的平均值表示，計算精確至1.0×10- 3cm/s。
2 結(jié)果與討論
以下實(shí)驗(yàn)方案采用正交法[6] 設(shè)計高強(qiáng)混凝土透水磚的配合比。
2.1 確定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)
抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)。
2.2 挑選因素、選取水平
考察三個因素：水灰比、骨灰比、骨料粒徑。每個因素取三個水平：水灰比：0.22、0.24、0.26。骨灰比：3.2、3.5、3.8。骨料粒徑：0.63mm ～1.25mm、1.25mm ～2.5mm、2.5mm～5.0mm。因素、水平表見表2。
2.3 確定正交表
根據(jù)水平及因素個數(shù)，本試驗(yàn)選取4因素3水平的正交表L9（34），見表3。
2.4 實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)方案見表4。
2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
將試驗(yàn)分析結(jié)果列于表5。表6中K1、K2、K3為表5中1、2、3列因素在相同水平值所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的和；K01、K02、K03是與K1、K2、K3值相對應(yīng)的平均值；R為該列的極差，其計算方法可參閱文獻(xiàn)[6]。由表不難看出：
1）根據(jù)各列的極差R分析，制備高強(qiáng)透水磚時，骨灰比是主要影響因素，其次是骨料粒徑，再次是水灰比。各因素的主次關(guān)系是：
2）從K0值可見：在一定范圍內(nèi)，隨著水灰比的增大，透水磚的強(qiáng)度也是增大的，透水系數(shù)的趨勢則相反；水灰比在0.25～0.26之間時滿足透水性能要求。隨著骨灰比的增大其強(qiáng)度降低，透水系數(shù)則增大；骨灰比3.2時，強(qiáng)度達(dá)到最大值。隨著骨料粒徑的增大則其強(qiáng)度先增大后減小，透水系數(shù)隨骨料粒徑的增大逐漸增大，粒徑為2.5mm～5.0mm時出現(xiàn)了強(qiáng)度最大值。
綜合分析：①為了制作出滿足透水要求且強(qiáng)度較高的透水磚，水灰比的選擇僅在一定范圍內(nèi)有作用，其大小既要符合能夠完全潤濕水泥，使其較好的包裹骨料，又要保證水泥漿體不流淌、保留孔隙即可。②骨灰比的確定在提供強(qiáng)度上具有相當(dāng)重要的地位，骨灰比的大小決定了透水磚是否能夠達(dá)到相當(dāng)大的抗壓強(qiáng)度，而抗壓強(qiáng)度是由水泥漿是否能夠在骨粒間形成厚度適中的黏結(jié)層決定的，但其對透水系數(shù)的影響是相互矛盾的；較小的骨灰比使單位體積中水泥用量大大提高，產(chǎn)生的漿料會形成密實(shí)封閉的整體從而不透水或透水很小。因此合適的骨灰比在配合比設(shè)計中尤為重要。③三個因素中，骨料粒徑是提供較大的孔隙率的充分條件，只有在骨料滿足能夠提供較大的孔隙率的前提下，才能確保在水泥摻入量較大的同時，仍能使制品具有較高的連通孔隙率?？梢缘贸鼋Y(jié)論：制造出滿足各項(xiàng)性能要求的透水磚，三者的合理搭配是成功的關(guān)鍵所在。
2.6 試驗(yàn)結(jié)論
從以上試驗(yàn)結(jié)果得出，在合理的骨料粒徑、水灰比、骨灰比等條件下，可以制作出滿足要求的混凝土透水磚；在本試驗(yàn)條件下，通過驗(yàn)證獲得的最優(yōu)化條件為：水灰比0.26，骨灰比3.2，骨料粒徑2.5mm～5.0mm。測試結(jié)果為：28d抗壓強(qiáng)度35.90MPa，透水系數(shù)0.02cm/s。
3 透水磚的應(yīng)用
3.1 透水磚的應(yīng)用前景
隨著城市化的加快和城市人口的迅速增長，改變
了城市的原生態(tài)地表特征，加劇了城市的熱島效應(yīng)[7]，導(dǎo)致了城市氣候的變化，并進(jìn)一步影響城市的污染擴(kuò)散能力，削弱了城市的環(huán)境承受能力。
以杭州市為例，歷年平均氣溫變化在15.5℃~18.0℃之間，氣溫呈逐步上升的趨勢，杭州城市熱島效應(yīng)越來越明顯，最強(qiáng)時可達(dá)4℃~5℃，在夏秋晴朗的午夜尤為突出，已經(jīng)嚴(yán)重影響到城市正常的四季輪回，進(jìn)一步影響了人們的生活質(zhì)量和身體健康。
作為一種能緩解城市環(huán)境惡化壓力的新型生態(tài)產(chǎn)品———透水磚，其良好的透水性能可以保證城市的雨水以及路面其它原因造成的積水順利下行，直接滲透到地表下，減少了路面徑流的影響；路面磚本身較大的孔隙率，也能在城市降噪中發(fā)揮作用；在干燥的氣候環(huán)境下，也可以通過蒸發(fā)的形態(tài)使地下水分散發(fā)到空氣中，從而改善了城市的溫度氣候環(huán)境。
圖1為夏季時鋪裝材料對降低城市地表溫度的影
響變化。
圖1表明，采用透水磚鋪裝的地面明顯降低了地面溫度，數(shù)據(jù)證明了該產(chǎn)品在改善城市地表溫度方面具有良好的效果。
隨著透水磚鋪地材料的廣泛應(yīng)用，在城市綠化方面的貢獻(xiàn)也會越來越突出。作為一種具有良好孔隙率的鋪裝材料，在園林管理方面一定程度上解決了人工定點(diǎn)灌溉中造成的給水率不均勻、潤濕土體積小等難題；其良好的透氣性能又為植物創(chuàng)造了一定的生長環(huán)境條件，對植物的根系也起到了保護(hù)作用。
3.2 鋪裝工藝
透水磚鋪裝工藝同普通路面磚有很大的區(qū)別，在鋪裝中特別要注意的是保持其特殊的透水特性。能否達(dá)到最佳透水效果很大程度上取決于鋪裝工藝的合理性。圖2為透水磚鋪裝剖面圖。
需要注意的事項(xiàng)：為了獲得較好的透水效果，其緩沖層直接采用中砂，具有較好的受壓緩沖能力；下層采用開放式透水性路基，使用窄級配（骨料粒徑大致在7mm～40mm）、高骨灰比和低水灰比的混凝土。其主要作用表現(xiàn)為：①在鋪裝中采用壓實(shí)的方法能夠獲得一定強(qiáng)度（28d達(dá)20MPa）的混凝土路基，減少在地下蓄水層儲藏一定的積水后造成路面下沉的現(xiàn)象（壓實(shí)過程注意的事項(xiàng)為：需要找平碾壓密實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不得低于95%）；②這種特殊的混凝土具有較大的連通孔隙率，能夠起到引導(dǎo)通過透水磚的滲透水快速下行的效果，減少因長時間落雨或雨量偏大時路面徑流的出現(xiàn)，同時可以滿足較大的蓄水功能；③在空氣干燥的環(huán)境下，可以通過蒸發(fā)作用使該層蓄含的水分透過路面散發(fā)到空氣中，達(dá)到增大空氣濕度、降低地面溫度、調(diào)節(jié)周圍環(huán)境的效果。
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