1. 引言
中国城市化的快速发展进程中，越来越多的地面被城镇建筑和混凝土路面等覆盖，据统计 [1]，北京市地面硬化面积已超过市中心地面面积的80%，这种“硬化路面”的形成使得自然降水难以渗流，破坏了自然水文循环，加之部分城市极端暴雨天气频发，中国内涝问题已非常严重 [2]；同时，地表径流峰值增加，排水不足造成的“城市高温化现象”愈加严重 [3]，有数据分析表明 [4]，二十世纪80年代中后期，高温化现象已使城市年平均气温增加了0.65℃，占气候变暖增温的147.7%。透水砖因其良好的透水性和蓄水、净水等作用 [5]，对改善水生态、减少地面硬化问题有重要作用，成为构建“海绵城市”的重要技术之一，已受到广泛关注。
另一方面，中国正处于建设期，每年都产生大量的建筑垃圾，预计到2020年，中国建筑垃圾年产量高达20亿吨 [6]，受多种因素的影响，目前，国内对建筑垃圾主要的处置方式仍为垃圾场堆积或填埋，造成了严重的土地资源浪费、环境污染等问题 [7]。特别地，中国是产煤大国，煤矿开采过程中产生的固体废料——煤矸石累积总量已达70亿多吨 [8]，2017年，仅山西省就产出煤矸石1.3千万吨。为促进资源再利用，改善城市生存环境，响应中央提出的绿色“海绵城市”概念，国内外已开展了利用固废制备透水砖的研究，较多研究 [9] [10] 侧重于将废旧混凝土作为骨料制备透水砖；也有研究显示 [11]，将废旧砖进行强化后制备的透水砖也能满足正常使用；此外，也有关于煤矸石作为骨料的免烧透水砖制备方法及其性能方面的试验探究 [12] [13]。本试验主要以三种不同废弃物作为骨料制备免烧透水砖，采用四因素三水平的正交试验设计，探讨不同骨料对免烧透水砖性能的影响。
2. 原材料及试验方案
2.1. 原材料
水泥：山西省阳泉市冀东水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥P·O42.5。其性能见表1。
Table 1. Performance index of ordinary portland cement P·O42.5
表1. 普通硅酸盐水泥P·O42.5性能指标
再生骨料分别为城中村改造产生的废旧砖块、混凝土以及山西太原西山煤区洗煤所产煤矸石，破碎筛分后，粒径5~10 mm为粗骨料，粒径2.5~5 mm为细骨料，其物理性能见表2；外加剂：太原市鸿泽玉有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率为35%；试验用水为自来水。
Table 2. Physical properties of recycled aggregate
表2. 再生骨料物理性能
2.2. 正交试验方案设计
本试验拟研究不同固废作为骨料时对透水砖抗压强度、开口孔隙率和透水性等性能的影响，大量研究显示，影响透水砖上述性能的因素主要为水灰比、骨胶比和骨料级配。为分析不同因素对透水砖性能的影响程度，采用正交试验设计方法，其中骨料分别为煤矸石、废旧砖废旧混凝土；水灰比的三水平为0.25、0.3、0.35；骨胶比(骨料与胶凝材料质量比)选取3、4、5三个水平；骨料级配选取三水平，为粗骨料(5~10 mm)和细骨料(2.5~5 mm)之比10:0、8:2、7:3。试验因素和水平如表3，具体正交试验设计方案如表4所示。
Table 4. Orthogonal experimental design
表4. 正交试验设计
2.3. 试件制作
本试验中所用透水砖试件均采用静压成型工艺。具体过程如下：将不同种类骨料破碎、筛分后进行预湿处理，随后以水泥裹石法进行搅拌。使拌合物达到手捏成团、落地分散的状态；将拌合物自然平铺满模具(加入拌合物至溢满状态，多次振捣后用刮刀铺平)，成型压力为4.5 MPa，定荷30 s，脱模，在室温静置1 d后放入养护室，在20 (±5)℃，相对湿度90%条件下养护28 d后进行性能试验。透水砖制作流程如图1所示。
Figure 1. Flow chart of permeable brick manufacturing process
图1. 透水砖制作工艺流程图
2.4. 性能试验
本试验制作试件为尺寸200 mm × 100 mm × 60 mm透水砖用于抗压强度试验，250 mm × 250 mm × 60 mm透水砖进行钻芯取样用于开口孔隙率试验和透水系数试验，取芯试件尺寸为Ø75mm × 60 mm。
透水砖抗压强度试验按照JC/T95-2005《透水砖》，在STYE-3000C型全自动混凝土压力试验机上进行，实验室自制尺寸为120 mm × 60 mm × 30 mm钢制垫压板，硬度大于HB200；开口孔隙率试验根据ASTM C1688/C1688M-2011《新拌透水混凝土密度和孔隙量的标准试验方法》规定进行，先通过蜡封排液法测出试件实际体积V0，称量绝干透水砖的质量后计算其表观密度；对烘干冷却的试件进行30 min真空处理和20 min饱水处理，测出完全浸水时试件浮重W1和沥干表面水分后在空气中湿重W2，以公式(1)计算开口孔隙率P。
(1)
透水砖透水系数试验在浙江上虞探矿仪器厂生产的透水系数测试装置中进行，其原理参照文献 [14]，透水系数KT计算公式如式(2)所示。
(2)
式中：KT——水温为T℃试件的透水系数，cm/s；
Q——试件t秒内的渗出水量，ml；
L——试件的厚度，cm；
A——试件的上表面面积，cm2；
H——水位差，cm；
T——时间，s。
3. 结果与讨论
3.1. 正交试验结果与极差分析
正交试验的正交性和综合性减少了繁杂的试验次数，表5为本试验所设计的四因素三水平数据处理结果。A (水灰比)因素在第i水平下试验数据和值的平均数为KAi，其数据的变化就可以大体代表A因素在不同水平下对该性能试验数据的影响结果，所以RA (因素A的极差)可以看作是A因素的水平变化对该物理性能影响程度的大小，RA越大说明A因素影响程度越大。
Table 5. Orthogonal test results of permeable bricks
表5. 透水砖正交试验结果
注：A、B、C和D分别为水灰比、骨胶比、骨料级配和骨料种类；Ki为第i水平下该因素所做试验的数据之和的平均数，极差R是Ki最大值与最小值的差值。
由表5可知，在抗压强度试验中，骨料种类的极差最大，说明骨料种类对再生透水砖抗压强度影响程度最大，其中采用废弃混凝土作为骨料时的抗压强度K值为38.7 MPa，是废旧砖作骨料透水砖抗压强度K值15.8 MPa的2.45倍，这与成高立 [15] 试验研究结果相同，其它对透水砖抗压强度影响显著因素依次分别为水灰比、骨胶比和骨料级配，图2为不同因素不同水平下抗压强度变化图，由图2可知，随着水灰比的增加，抗压强度先增大后减小，随着骨胶比的增加抗压强度先减小后增大。根据试验结果，最优水灰比为0.3，骨胶比为5，骨料粗细比例为7:3，骨料为废旧混凝土效果最佳。
Figure 2. Compressive strength of permeable bricks under different factors
图2. 不同因素下透水砖的抗压强度
根据表5，各因素对透水砖开口孔隙率影响显著程度依次为：水灰比 > 骨胶比 > 骨料级配 > 骨料种类。图3为不同因素影响下透水砖的开口孔隙率，从图3可以看到，透水砖的开口孔隙率随着骨胶比的增大而增大，随着骨料粗细比例的减小和骨料种类的变化而减小。另外，骨料种类对开口孔隙率的影响最小。
Figure 3. Openings porosity of permeable bricks under different factors
图3. 不同因素下透水砖开口孔隙率
各因素对透水砖透水系数的影响程度顺序为：骨料种类 > 骨胶比 > 骨料级配 > 水灰比，由图4可知，透水系数随着水灰比的增加而减小，极差值最小，说明水灰比对透水系数影响较小；随着骨胶比和骨料级配的水平变化呈先增大后减小的趋势，且骨料种类对透水系数影响最大。
Figure 4. Permeability coefficient of permeable bricks under different factors
图4. 不同因素下透水砖的透水系数
3.2. 影响因素分析
抗压强度和透水系数是透水砖主要性能指标，其中骨料种类对抗压强度影响最大，其原因主要是废旧混凝土破碎而成的骨料与新水泥砂浆之间物理契合性高，而且新水泥砂浆可能会引起旧水泥砂浆产生新的水化反应，提高骨料之间的摩擦强度而提高混凝土的抗压强度，水灰比和骨胶比主要对骨料之间粘结的强度有影响，由此可知：再生混凝土透水砖的抗压强度主要受骨料与水泥砂浆粘结强度的影响。
从图3和图4可以看出，在本试验中开口孔隙率与透水系数没有表现出相关性，可能是因为开口孔隙率高不代表透水砖内的连通开口孔多，如前所述，开口孔受到水灰比及骨胶比的影响显著。这是因为在其他因素不变的情况下，胶凝材料的减少使水泥砂浆与骨料之间结合界面的厚度发生了变化，并且骨料之间可能由原来的通过水泥砂浆的面接触粘结发展为通过点接触粘结，生成了新的空隙，从而提高了开口孔隙率；而骨料粗细比例的减小提高了拌合物中细骨料(2.5~5 mm)的相对占有率，进一步降低了骨料之间的空隙，并且骨料表面的部分开口孔也会因骨料彼此间接触面积的增加以及水泥砂浆的填充而变为闭口孔。
3.3. 数据的方差分析
为进一步确定在极差分析中各因素对透水砖各项性能的影响是否显著，对试验数据进行了方差分析，结果如表6所示。
Table 6. Analysis of variance of permeable brick performance
表6. 透水砖性能方差分析
由表6可知，透水砖抗压强度中F比最大值FD = 9.4，开口孔隙率试验中F比最大值FA = 27，与显著水平临界值F(2,2)0.10 = 9.0和F(2,2)0.05 = 19.0相比，抗压强度试验中FD = 9.4 > F(2,2)0.10 = 9.0，说明在0.10的水平上(90%可信度)骨料种类对抗压强度试验的影响显著；在开口孔隙率试验中FA = 27.0 > F(2,2)0.10 = 9.0且FA = 27.0 > F(2,2)0.05 = 19.0，由此可见，水灰比对开口孔隙率的影响无论在0.10水平上还是0.05水平上(95%可信度)都具有显著性，而FB = 14.5只大于F(2,2)0.10，可以确定水灰比为开口孔隙率的主要影响因素；在透水系数试验中，骨料种类为最大影响因素，但得到的F比都小于F(2,2)0.10，因此各因素在0.10水平上都不具有显著。
4. 结论
1) 影响再生混凝土透水砖抗压强度的主要因素为骨料种类，且与骨料和水泥砂浆粘结强度大小有关，不同骨料种类的再生骨料与砂浆之间的粘结能力不同。为使透水砖达到良好的抗压强度，宜采用废旧混凝土作为骨料，且本试验范围内，最优水灰比为0.3，骨胶比为5，骨料级配为7:3。
2) 开口孔隙率的最大影响因素是水灰比，骨料种类是影响透水系数的关键因素，开口孔隙率大小与透水系数无直接关系。骨料种类、水灰比和骨胶比是影响再生混凝土透水砖抗压强度、开口孔隙率与透水系数的主要因素，且抗压强度与透水系数有较好相关性。
影响再生混凝土透水砖使用的主要指标为抗压强度和透水系数，本研究得出骨料种类是影响两种指标的关键因素，且都在第三水平(废旧混凝土作为骨料)达到最大值，因此，宜将废旧混凝土作为骨料制备透水砖，并对影响其性能的主要参数进行深入分析。
参考文献
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。