一种水泥基材料功能梯度砖及其制备方法与流程

本发明属于建筑工程材料技术领域，涉及一种水泥基材料功能梯度砖及其制备方法。

背景技术：

近十几年来，随着我国城市现代化进程的不断加快及环境美化要求的不断提高，人行道和广场的地面大都采用水泥混凝土方砖或石材地砖铺贴。基于当前的施工技术和质量管理现状，以及地砖之间需要预留伸缩缝的工艺要求和一般无路床施工工序的特征，导致人行路面基层出现不均匀沉降、积水，路面砖松动、翘曲、沉陷、断裂、表面冻融破坏等常见病害，影响道路的美观和城市形象，也给行人带来一定的安全隐患，自修建后即开始劣化-修复的恶性循环，降低了经济效益和社会效益。我国正在进行大规模的城镇化建设，人行路面的病害也不断地困扰着城市建设者和管理者。

通过改进施工工艺或采取严格的质量控制措施，固然可以减少人行路面病害，但这需要一个复杂的过程，且施工工人的专业素质难以在短时间内全面提高。然而，基于材料科学研究的进步，通过改善路面砖的设计可以立竿见影的降低人行路面病害，解决工程难题。

功能梯度材料是一种新颖的材料设计思想，因其优异的材料性能，一经提出立即引起世界各国材料科学工作者的高度重视并对其展开研究。中国专利授权公告号CN102134660B、授权公告日是2012年7月4日，名称为“表面富立方相的功能梯度硬质合金及制备方法”，中国专利授权公告号CN101565791B，授权公告日是2011年11月23日，名称为“一种隔热功能梯度材料及其制备方法”，分别从改善材料硬度和隔热性能角度制备功能梯度材料，满足工程需求，但其所采用的材料与建筑工程领域广泛用于制作路面砖的水泥基材料完全不同，不能广泛应用于建筑工程领域。中国专利授权公告号CN102561532B、授权公告日是2014年2月19日，名称为“一种功能梯度泡沫混凝土保温材料及其制备方法”，该方法公开了一种解决建筑保温的方案。

水泥基材料砖制作成本低，在未来一段时间内仍将是建筑工程材料的主流，且水泥基材料从搅拌完成的流体状物质变成人造石材是一个化学反应过程，材料性能可以人为设计，将具有不同材料性能的水泥基材料分层浇筑在一起，可以实现两种或多种材料间的完美粘结，形成整体。

技术实现要素：

为了克服已有功能梯度砖的路面不均匀沉降较大、路面水分向路基渗透较大、抗断裂、抗表面冻融破坏性能较差的不足,本发明提供一种减轻路面不均匀沉降、保持路面伸缩性能的同时减少路面水分向路基渗透、抗断裂、抗表面冻融破坏性能较好的功能梯度砖及其制备方法，适于工业化生产，从而降低路面病害。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种水泥基材料功能梯度砖，所述功能梯度砖具有上下两个功能梯度层，分别为水泥基材料增韧层和水泥混凝土基层，所述的纤维水泥基材料增韧层为纤维砂浆层，所述的水泥混凝土基层为细石混凝土层，所述功能梯度砖的竖直方向为Z形断面；

所述纤维砂浆层的材料包括胶凝材料、细骨料、水、减水剂和纤维，其中胶凝材料、细骨料、水和减水剂按重量计为：胶凝材料100份，细骨料10～65份，水20～50份，减水剂0.8～1.5份，纤维掺量按照所配制水泥基材料增韧层总体积的1％～2.5％计，胶凝材料包括水泥15～50份、粉煤灰40～85份、硅灰0～5份、粒化高炉矿渣粉0～10份，胶凝材料总量控制为100份。

进一步，所述细石混凝土层的原料包括胶凝材料、粗骨料、细骨料和水，所述胶凝材料、粗骨料、细骨料和水按重量计为：胶凝材料100份，粗骨料250～350份，细骨料200～250份，水40～60份，橡胶粉掺量按照细骨料体积的0～10％计取代细骨料，胶凝材料所包含的各种材料的比例关系为：水泥50～100份，粉煤灰0～40份，粒化高炉矿渣粉0～50份，且控制总量为100份。

再进一步，上下两层形成错位，错位尺寸10～30mm，砖与砖之间形成相互搭接。

更进一步，所述的错位根据路面铺设要求，设置上下功能梯度层单向错位、双向错位、上层单向缩进、上层双向缩进或上层悬臂。

所述的功能梯度砖表面设置凹凸状防滑纹饰或条形、圆形凸起盲道导引标志。

所述的纤维种类为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等任何一种或多种的混合物。

所述的水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、铝酸盐水泥任何一种或多种的混合物。

所述的纤维砂浆增韧层用细骨料为最大粒径0.5mm的天然砂或机制砂，混凝土用细骨料为级配良好的中砂或砂与橡胶粉的混合物，橡胶粉最大粒径为5mm，级配良好。

所述的粗骨料为花岗岩碎石、玄武岩碎石、石灰岩碎石或再生粗骨料，粒径为5～10mm；所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

一种水泥基材料功能梯度砖的制备方法，步骤为：

1)选择功能梯度砖面层模板的纹饰，准备异型模具，涂刷隔离剂；

2)在模具下层压入纤维砂浆，振捣成型，成型的纤维砂浆层的胶凝材料、细骨料、水、减水剂和纤维，其中胶凝材料、细骨料、水和减水剂按重量计为：胶凝材料100份，细骨料10～65份，水20～50份，减水剂0.8～1.5份，纤维掺量按照所配制水泥基材料增韧层总体积的1％～2.5％计，胶凝材料包括水泥15～50份、粉煤灰40～85份、硅灰0～5份、粒化高炉矿渣粉0～10份，胶凝材料总量控制为100份；

3)待纤维砂浆层终凝后，浇筑上层混凝土，振捣成型抹平；成型的细石混凝土层的的原料包括胶凝材料、粗骨料、细骨料和水，所述胶凝材料、粗骨料、细骨料和水按重量计为：胶凝材料100份，粗骨料250～350份，细骨料200～250份，水40～60份，橡胶粉掺量按照细骨料体积的0～10％计取代细骨料，胶凝材料所包含的各种材料的比例关系为：水泥50～100份，粉煤灰0～40份，粒化高炉矿渣粉0～50份，且控制总量为100份；

4)拆模养护至达到预定时间。

本发明的有益效果主要表现在：本发明应用于铺设人行道路面的水泥基材料功能梯度砖，充分发挥功能梯度材料的优良特性，在砖的上层采用抗断裂性、抗冲击性、抗开裂性、耐磨性和抗冻融破坏耐久性优异的纤维砂浆，下层采用细石混凝土，利用水泥水化这个化学反应的特性，将功能梯度层不同性能的材料形成完美的粘结，保证了砖的整体性；砖体上下层原材料材料都可以掺入粉煤灰等废弃物，可以采用机制或再生粗、细骨料，下层混凝土细石混凝土中还可加入废旧橡胶颗粒，保证材料性能的前提下，最大化利用废弃物，绿色环保；功能梯度砖上下功能层错位使砖的竖直断面形成Z形截面，砖块之间可以相互搭接，减少水分渗入路基、降低不均匀沉降、避免产生路面积水，且砖块上部“悬臂”部分为高韧性纤维砂浆，不宜掉角、断裂；在砂、石等天然材料日益短缺的情况下，采用再生骨料代替天然材料，保证可持续发展的前提下，有效抵消少量纤维增加带来的成本提高。由于采用该功能梯度砖铺设人行路面可以有效避免路面病害，大大降低维护费用并延长使用寿命，具有可预见的工业生产和工程应用前景，将会产生非常可观的经济效益。

附图说明

图1为单向错位功能梯度砖示意图，其中，1为上层、2为下层，a为水泥基材料增韧层、b为水泥混凝土基层。

图2为双向错位功能梯度砖示意图。

图3为上层单向缩进功能梯度砖示意图。

图4为上层双向缩进功能梯度砖示意图。

图5为上层单向悬臂功能梯度砖示意图。

图6为带凸点导盲功能梯度砖示意图。

图7为功能梯度砖铺筑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种水泥基材料功能梯度砖，所述功能梯度砖具有上下两个功能梯度层，分别为水泥基材料增韧层a和水泥混凝土基层b，所述的纤维水泥基材料增韧层a为纤维砂浆层，所述的水泥混凝土基层b为细石混凝土层，所述功能梯度砖的竖直方向为Z形断面；

所述纤维砂浆层的材料包括胶凝材料、细骨料、水、减水剂和纤维，其中胶凝材料、细骨料、水和减水剂按重量计为：胶凝材料100份，细骨料10～65份，水20～50份，减水剂0.8～1.5份，纤维掺量按照所配制水泥基材料增韧层总体积的1％～2.5％计，胶凝材料包括水泥15～50份、粉煤灰40～85份、硅灰0～5份、粒化高炉矿渣粉0～10份，胶凝材料总量控制为100份。

进一步，所述细石混凝土层的原料包括胶凝材料、粗骨料、细骨料和水，所述胶凝材料、粗骨料、细骨料和水按重量计为：胶凝材料100份，粗骨料250～350份，细骨料200～250份，水40～60份，橡胶粉掺量按照细骨料体积的0～10％计取代细骨料，胶凝材料所包含的各种材料的比例关系为：水泥50～100份，粉煤灰0～40份，粒化高炉矿渣粉0～50份，且控制总量为100份。

再进一步，上下两层形成错位，错位尺寸10～30mm，砖与砖之间形成相互搭接。

更进一步，所述的错位根据路面铺设要求，设置上下功能梯度层单向错位、双向错位、上层单向缩进或上层双向缩进。

所述的功能梯度砖表面设置凹凸状防滑纹饰或条形、圆形凸起盲道导引标志。

所述的纤维种类为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等任何一种或多种的混合物。

所述的水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、铝酸盐水泥任何一种或多种的混合物。

所述的纤维砂浆增韧层用细骨料为最大粒径0.5mm的天然砂或机制砂，混凝土用细骨料为级配良好的中砂或砂与橡胶粉的混合物，橡胶粉最大粒径为5mm，级配良好。

所述的粗骨料为花岗岩碎石、玄武岩碎石、石灰岩碎石或再生粗骨料，粒径为5～10mm；所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

一种水泥基材料功能梯度砖的制备方法，步骤为：

1)选择功能梯度砖面层模板的纹饰，准备异型模具，涂刷隔离剂；

2)在模具下层压入纤维砂浆，振捣成型，成型的纤维砂浆层的胶凝材料、细骨料、水、减水剂和纤维，其中胶凝材料、细骨料、水和减水剂按重量计为：胶凝材料100份，细骨料10～65份，水20～50份，减水剂0.8～1.5份，纤维掺量按照所配制水泥基材料增韧层总体积的1％～2.5％计，胶凝材料包括水泥15～50份、粉煤灰40～85份、硅灰0～5份、粒化高炉矿渣粉0～10份，胶凝材料总量控制为100份；

3)待纤维砂浆层终凝后，浇筑上层混凝土，振捣成型抹平；成型的细石混凝土层的的原料包括胶凝材料、粗骨料、细骨料和水，所述胶凝材料、粗骨料和细骨料按重量计为：胶凝材料100份，粗骨料250～350份，细骨料200～250份，水40～60份，橡胶粉掺量按照细骨料体积的0～10％计取代细骨料，胶凝材料所包含的各种材料的比例关系为：水泥50～100份，粉煤灰0～40份，粒化高炉矿渣粉0～50份，且控制总量为100份；

4)拆模养护至达到预定时间。

实施例1

本实施例中，纤维砂浆层(纤维水泥基材料增韧层)包括胶凝材料、细骨料、水、减水剂和纤维，其中胶凝材料、细骨料、水和减水剂按重量计为：胶凝材料，掺量为100份，细骨料采用人工砂，掺量为10份，最大粒径为0.5mm，水掺量为20份，聚羧酸减水剂用量为胶凝材料重量的1.2％，纤维采用聚乙烯醇纤维，掺量为所配制水泥基材料增韧层总体积的1％；所述胶凝材料选用P.O 425普通硅酸盐水泥和粉煤灰，其中，水泥15份、粉煤灰85份；

采用的聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径0.039mm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa，极限伸长率为6％。

下部细石混凝土层的原料包括胶凝材料、粗骨料、细骨料和水，所述胶凝材料、粗骨料和细骨料按重量计为：胶凝材料选用P.O 425普通硅酸盐水泥，掺量为100份；最大粒径为10mm的粗骨料掺量250份，细骨料200份，水40份。粗骨料采用再生混凝土粗骨料，最大粒径为10mm。细骨料采用级配良好的机制中砂。

制作单向错位的功能梯度导盲砖，如附图6所示。选择单向错位模板，上下错位尺寸为30mm，选择具有圆形凹坑的底模板，组装模板并涂刷脱模剂；按照配合比称量上部功能梯度层原材料，先搅拌水泥浆体，待均匀后加入砂进行搅拌，最后加入聚乙烯醇纤维，并加入减水剂搅拌至均匀。将搅拌好的纤维砂浆注入模板底部，与错位线齐平并初步抹平；搅拌基层橡胶混凝土，待下层已浇筑纤维砂浆初凝后，搅拌好的橡胶混凝土注入模具剩余空间，将顶面抹平后进行养护1天，拆模后继续养护至14天即可用于路面铺筑。

实施例2

本实施例中，纤维砂浆层(纤维水泥基材料增韧层)包括胶凝材料、细骨料、水、减水剂和纤维，其中胶凝材料、细骨料、水和减水剂按重量计为：胶凝材料，掺量为100份，细骨料采用人工砂，掺量为30份，最大粒径为0.5mm，水掺量为40份，聚羧酸减水剂用量为胶凝材料重量的1.5份，纤维采用聚乙烯醇纤维，掺量为所配制水泥基材料增韧层总体积的1％；所述胶凝材料选用P.O 425普通硅酸盐水泥和粉煤灰，其中，水泥40份、粉煤灰50份、硅灰3份、粒化高炉矿渣粉7份；

采用的聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径0.039mm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa，极限伸长率为6％。

下部细石混凝土层的原料包括胶凝材料、粗骨料、细骨料和水，所述胶凝材料、粗骨料和细骨料按重量计为：胶凝材料掺量为100份；最大粒径为10mm的粗骨料掺量250份，细骨料200份，水40份。胶凝材料所包含的各种材料的比例关系为：水泥选用P.O 425普通硅酸盐水泥，50份，粉煤灰20份，粒化高炉矿渣粉30份；采用再生混凝土粗骨料，最大粒径为10mm。细骨料采用级配良好的机制中砂。

本实施例的其他方案与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，纤维砂浆层(纤维水泥基材料增韧层)包括胶凝材料、细骨料、水、减水剂和纤维，其中胶凝材料、细骨料、水和减水剂按重量计为：胶凝材料，掺量为100份，细骨料采用人工砂，掺量为65份，最大粒径为0.5mm，水掺量为50份，聚羧酸减水剂用量为胶凝材料重量的1.5份，纤维采用聚乙烯醇纤维，掺量为所配制水泥基材料增韧层总体积的1.5％；所述胶凝材料选用P.O 425普通硅酸盐水泥和粉煤灰，其中，水泥45份、粉煤灰40份、硅灰5份、粒化高炉矿渣粉10份；或者是：水泥50份、粉煤灰50份。

采用的聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径0.039mm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa，极限伸长率为6％。

下部细石混凝土层的原料包括胶凝材料、粗骨料、细骨料和水，所述胶凝材料、粗骨料和细骨料按重量计为：胶凝材料选用P.O 425普通硅酸盐水泥，掺量为100份；最大粒径为10mm的粗骨料掺量350份，细骨料250份，水60份；胶凝材料所包含的各种材料的比例关系为：水泥选用P.O 425普通硅酸盐水泥，50份，粉煤灰40份，粒化高炉矿渣粉10份；或者是；水泥选用P.O 425普通硅酸盐水泥，50份，粒化高炉矿渣粉50份；粗骨料采用再生混凝土粗骨料，最大粒径为10mm。细骨料采用级配良好的机制中砂。

本实施例的其他方案与实施例1相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。