0 引言

绿色可持续发展既是交通强国建设的重要抓手，也是现代交通业的重要特征。随着我国对绿色、生态、节能理念的进一步推进，海绵城市和海绵服务区的理念受到越来越多的重视，透水铺装是解决水资源利用、生态修复的有效措施之一^[1-2]。透水砖是透水铺装的一种形式，结构上的大量空隙使雨水能够顺利进入结构内部，从而达到雨水还原地下的目的，此外还能够吸收车辆行驶时产生的噪声。透水砖独特的自身优势，使其不断受到广泛关注，仅北京、上海等一线城市的总需求量已经超过1亿m²以上^[3-4]，具有较高的研究价值和广阔的应用前景。

透水砖从生产工艺上主要分为烧结型和免烧型^[5]。前者是经高温烧结得到；后者主要由混凝土材料制备，无需在高温条件下制得，又可以结合大量废旧材料，大大地降低了能源的损耗，成为新型绿色节能生态材料。

磷石膏是磷化工企业在湿法制造磷酸过程中排出的工业废渣，主要成分为二水石膏(CaSO₄·2H₂O)，以及少量未完全分解的磷矿、氟化合物、磷酸、重金属等杂质。我国磷石膏的年均排放量近8 000万t^[6]，加上历年堆积未处理的磷石膏，总量已超过5亿t^[7-8]。目前，仅有15%的磷石膏在水泥缓凝剂、建筑材料、农业土壤改良等领域内得到了资源循环利用^[9]，绝大部分磷石膏露天堆置、占据大片土地，且其中的酸性物质及其他有害重金属容易对周边环境造成污染。我国也相继发布政策指导文件，加快磷石膏综合治理与再利用工作^[10]。由此可见，对磷石膏减量化、资源化利用的需求越来越迫切。

本研究针对磷石膏的物理化学特性，将改性磷石膏应用到免烧透水砖中，设计试验研究改性磷石膏掺量在30%的条件下免烧透水砖，得到磷石膏pH值、磷石膏球磨时间及聚合物乳液掺量对透水砖性能指标的影响规律，在减轻生态负担的同时，对于工程实践及实际应用具有一定的借鉴和指导意义。

1 原材料与试验 1.1 原材料

(1) 水泥

选用P.O 42.5水泥，水泥质量符合国家标准^[11]。主要物理性能指标见表 1。

(2) 磷石膏

选用云南工业废渣磷石膏，淡黄色粉体，自然状态下含水率约4.5%，pH=3.6，主要化学成分见表 2。

(3) 集料

试验中筛取粒径为5~10 mm的集料备用，主要性能指标见表 3。

(4) 外加剂

选用KS-199聚羧酸减水剂，主要性能指标见表 4。推荐掺量为0.8%~1.5%，通过减水剂调整拌和物的工作状态，当拌和物用手能轻松攥成团，表面出现光泽，说明拌和物和易性好^[12]。

选用BC-01苯丙乳液，主要技术参数见表 5。

(5) 水

本试验所采用的拌和水均为普通自来水。

1.2 试验方案设计

(1) 配合比设计

设计目标空隙率为25%，水胶比为0.30，磷石膏掺量按胶凝材料总质量的30%采用内掺法计。通过体积法进行配合比设计优化，计算得到透水砖初步配合比见表 6。

(2) 影响因素

① 磷石膏pH值

未改性的磷石膏含有磷酸(H₃PO₄)和氢氟酸(HF)，pH值为3。为消除磷石膏中酸性缓凝杂质对试件的危害，将对磷石膏进行改性^[13]。通过掺加碱性物质，能中和磷石膏中的酸性，促进基体早期碱度的增长和水化反映的进程，从而提高基体强度^[14]。通过添加生石灰作为填料调整磷石膏的pH值，根据pH为8，10和12时的数值来确定生石灰的掺量。

② 磷石膏球磨时间

球磨使磷石膏中的规则而均匀的二水石膏晶体遭到破坏，使其颗粒形貌呈柱状、板状、粒状等多样化^[15]。磷石膏经球磨后颗粒粒度变小，比表面积进一步降低，增加胶结材料的流动性，颗粒较小的磷石膏充当细集料在凝胶材料中均匀分散，起到微集料效应^[16]，从根本上改善了硬化体结构疏松的缺陷。球磨时间过多或过少，会影响透水砖内部的连续空隙率，导致透水系数产生较大变化。因此，本研究选用磷石膏球磨时间的4个水平分别为：球磨0 min，球磨3 min，球磨5 min，球磨9 min的磷石膏，其比表面积分别为1 707，3 755，4 476，8 825 cm²/g。

③ 聚合物乳液掺量

本研究中选用苯丙乳液作为增强剂，作用是通过聚合物在胶材中的交联来提高骨料中点与点之间的黏结强度，使胶结体结构密实度更高，提升透水性能^[17-18]。本研究采用掺量为(以水泥用量为基准)：0，1%，2%，3%。

(3) 正交试验设计

采用磷石膏pH值、磷石膏球磨时间及聚合物乳液掺量作为正交试验的3个因素，每个因素设置4个水平，不考虑因素之间的交互作用以简化结果分析，查正交设计表^[19]，选用L16(3⁴)正交表安排16个试验，经试配后确定因素水平设置如表 7所示。

1.3 试件制备

搅拌工艺：按上述配合比称取原材料，采用砂浆搅拌机进行搅拌。先将集料与约50%的水搅拌均匀，当集料表面处于饱和面干状态后，加入胶凝材料及剩余的水和外加剂，继续拌和，拌和时间5 min。

成型工艺：将拌和物装入200 mm×100 mm×60 mm模具和Φ75 mm×60 mm模具中，插捣、振捣密实，静压工艺模压成型(30 MPa)，加载速率为1~3 kN/s，稳压20 s，脱模后置于20 ℃，90%RH下经过湿养护规定龄期，测试相关性能。

1.4 性能检测

(1) 劈裂抗拉强度

参照《透水路面砖和透水路面板》(GB/T 25993—2010)对透水砖的劈裂抗拉强度进行测定。采用WDW1020微控电子万能试验机，加载速率为1~3 kN/s。

(2) 透水系数

参照《透水路面砖和透水路面板》(GB/T 25993—2010)对透水砖的透水系数进行测定。

2 结果与讨论 2.1 极差分析

改性磷石膏免烧透水砖28 d劈裂抗拉强度及透水系数的试验结果详见表 8。由表 8可知，各因素不同水平掺量下：28 d的劈裂抗拉强度变化幅度范围为3.06~3.53 MPa。透水系数幅度变化范围为2.1×10^-2~ 2.8×10^-2 cm/s。

改性磷石膏免烧透水砖28 d劈裂抗拉强度及透水系数的极差分析计算结果详见表 9。从表 9中各因素R_j1的大小关系: 0.21(A)>0.15(B)＞0.09(C)，可以推导出影响劈裂抗拉强度的主次顺序是：磷石膏pH值>磷石膏球磨时间>聚合物乳液掺量。

从表 9中各因素R_j2的大小关系: 0.003(C)>0.002(B)>0.001(A)，可以推导出影响透水系数的主次顺序是：磷石膏球磨时间>磷石膏pH值>聚合物乳液掺量。

由此可以看出，磷石膏pH值对强度影响最大，磷石膏球磨时间对透水系数影响最大。

2.2 因素水平分析

采用正交试验，通过综合分析法从3个因素中找到最优组合，见图 1~图 3。

(1) 磷石膏pH值对透水砖性能的影响

由图 1可知，透水砖的强度随着磷石膏的pH值先增加后降低。当pH值调整为10时，透水砖的劈裂抗拉强度处于最优状态。这是因为未改性的磷石膏呈酸性，会大量消耗水泥水化产生的Ca(OH)₂从而影响试件的强度发展。通过掺加生石灰调整磷石膏的pH值，可以促进试件水化反应的进程和碱度的增长从而提高强度。对于透水系数而言，随着磷石膏的pH值升高逐渐降低，呈现先加速下降后逐渐平稳的趋势。我们发现，透水砖的力学性能和透水性是一对相互矛盾的指标：力学性能好，透水性就差，反之，透水性好，力学性能就会降低。综合考虑经济成本及透水砖相关性能，特选取pH值为10的磷石膏为最佳pH值。

(2) 磷石膏球磨时间对透水砖性能的影响

由图 2可知，透水砖的强度随着磷石膏球磨时间的增加先增大后减少，当磷石膏球磨3 min时，透水砖的劈裂抗拉强度处于最优状态。透水砖的透水系数随着磷石膏的球磨时间的增加先下降后趋于稳定，在球磨3 min后，磷石膏的透水系数降低不再明显。为了提高磷石膏水泥复合凝胶材料的性能，同时节约能源，磷石膏改性的最佳球磨时间设置在3 min。

(3) 聚合物乳液对透水砖性能的影响

由图 3可以看出，通过掺加聚合物乳液质量为胶凝材料的2%时，对透水砖的劈裂抗拉强度处于最优状态。透水系数随着聚合物乳液掺量的增加先加速下降后逐渐平稳，在聚合物乳液掺量为2%后，磷石膏的透水系数降低不再明显。为了提高磷石膏水泥复合凝胶材料的性能，同时提高经济效益，磷石膏改性的聚合物乳液含量设置为2%。

由验证性试验可知，掺入30%磷石膏的透水砖，其透水系数一直保持在2.1×10^-2 cm/s以上，满足规范要求，故透水系数在本研究中不作考量。综合考虑经济效益及透水砖相关性能，选择磷石膏pH值为10，球磨时间设置为3 min，聚合物乳液含量为2%为最佳组合。

2.3 生产验证

根据上述分析，选择磷石膏pH值为10，球磨时间设置为3 min，聚合物乳液含量为2%时进行改性磷石膏免烧透水砖的生产。批量生产抽样实测该透水砖28 d劈裂抗拉强度为3.57 MPa，透水系数为2.1×10^-2 cm/s，满足《透水路面砖和透水路面板》(GB/T 25993—2010)标准要求。

由于批量生产，试样拌和均匀性及压砖机的稳定性要优于试验室制备试样，透水砖骨料结合更加紧密牢固，故力学性能有少许提高及透水系数有略微降低。

3 结论

本研究以磷石膏pH值、磷石膏球磨时间及聚合物乳液掺量为影响因素设计正交试验，进行30%改性磷石膏取代胶凝材料制备透水砖及性能研究。通过极差分析、影响因素分析及生产验证，得出满足改性磷石膏透水砖性能的最优配合比。

(1) 磷石膏的pH值是改性磷石膏透水砖的劈裂抗拉强度影响最重要的因素，在磷石膏pH值相同的情况下，磷石膏的球磨时间和聚合物乳液含量也是决定透水砖强度的影响因素。

(2) 聚合物乳液含量是改性磷石膏透水砖的透水性能最重要的因素，其次是磷石膏的球磨时间和磷石膏的pH值。

(3) 通过因素水平分析与室内试验验证，得到改性磷石膏免烧透水砖的最佳配合比是磷石膏pH值为10，球磨时间设置为3 min，聚合物乳液含量为2%。

(4) 经生产验证，透水砖28 d劈裂抗拉强度为3.57 MPa，透水系数为2.1×10^-2 cm/s，满足《透水路面砖和透水路面板》(GB/T 25993—2010)标准要求。