建筑垃圾再生骨料透水混凝土的性能研究

周 宏 宋思宇 馬鴻斌 朱雨翀 張欣怡

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2021 年建筑業(yè)總產(chǎn)值高達(dá)293079 億元，同比增長11.0%。2020 年由于國家經(jīng)濟(jì)受疫情影響波動(dòng)較大，建筑業(yè)也受到較大的沖擊，但就近10 年來建筑行業(yè)總產(chǎn)值一直呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)來看，建筑業(yè)已成為推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)。但是與建筑業(yè)發(fā)展同時(shí)出現(xiàn)的是大量的建筑垃圾。截至2018 年,中國城市生活垃圾清運(yùn)量已達(dá)70 億t，可推算建筑垃圾總量為21 億t～28 億t,每年新產(chǎn)生建筑垃圾超過3 億t。隨著我國建筑行業(yè)和城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，可預(yù)見我國建筑垃圾產(chǎn)量還將繼續(xù)增長。因此，合理利用建筑垃圾資源，使其變成能再次利用的工業(yè)原料或其他產(chǎn)品已成為當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者的主要研究方向。再生骨料透水混凝土作為一種新興的環(huán)保型、生態(tài)型的道路材料，能有效改善傳統(tǒng)路面存在的弊端，為建筑垃圾處置問題提供了解決方法。既能將建筑垃圾回收利用，又能減少城市的積水，降低城市的噪聲和熱島效應(yīng)，還能應(yīng)用于海綿城市的建設(shè)，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

英國、德國、美國、日本等發(fā)達(dá)國家都較早開始對(duì)透水混凝土的研究。1970 年，英國開始嘗試使用透水混凝土鋪筑常規(guī)剛性路面，試驗(yàn)路段最初工作性能良好，后來可能由于凍融循環(huán)和水力抽吸，或這兩者的結(jié)合等因素構(gòu)成路面破壞。20 世紀(jì)70 年代后，隨著日本提出的“地下水還原政策”，透水混凝土在日本開始得到大量運(yùn)用，在2005 年全日本產(chǎn)生3200 萬t 的廢混凝土，其中再生利用了3100 萬t，其利用率達(dá)到95%。而在德國，截至2009 年市政道路中透水混凝土的應(yīng)用率已達(dá)到80%。

我國內(nèi)地對(duì)透水混凝土的研究開始較晚，但已開展研究工作的高校和科研院進(jìn)行了大量工作，也取得了一定成果。北京為迎接2008 年奧運(yùn)會(huì)，提高城市道路完好率，對(duì)36 條道路進(jìn)行了改造，將透水性混凝土應(yīng)用于步行道上。在工程應(yīng)用方面，北京城建混凝土公司研制的C25 透水混凝土已成功應(yīng)用于奧林匹克國家森林公園停車場(chǎng)、地面工程和人行通道等工程。南京幕府西路(靠近旭日景城)的300 米透水混凝土人行道，是我國首條彩色透水性混凝土市政道路；中建技術(shù)中心環(huán)境與材料應(yīng)用研究所所研究的透水混凝士已經(jīng)應(yīng)用于西安大明宮國家遺址公園和2011 西安世界園藝博覽會(huì)工程中，收到了很好的效果。

2 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

篩選出合適用作粗骨料的建筑垃圾；測(cè)試所選建筑垃圾主要性質(zhì)；制備部分建筑垃圾代替骨料的透水混凝土式樣；分析數(shù)據(jù)并挑選出性能最佳的透水混凝土。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程（圖1）

圖1

2.3 兩種建筑垃圾的吸水率、含水率及表觀相對(duì)密度測(cè)定實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)建筑垃圾進(jìn)行吸放水來測(cè)定其吸水率、含水率及表觀密度。因材料需要相似原因?qū)嶒?yàn)共選擇4 塊式樣,分別為紅磚式樣1，紅磚式樣2，混凝土磚式樣1，混凝土磚式樣2。

m1——干磚的質(zhì)量g；

m2b——磚在水中吸水飽和的質(zhì)量g；

m3——吸水飽和后水中的磚的質(zhì)量g；

m4——自然狀態(tài)下磚的質(zhì)量g；

在下面的計(jì)算中，假設(shè)1cm2水重1g，假設(shè)室溫下誤差在0.3%以內(nèi)。

吸水率：

計(jì)算每一塊磚的吸水率Eb，用干磚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，計(jì)算公式如下：

表觀相對(duì)密度：

計(jì)算試樣不透水部分的表觀相對(duì)密度T，計(jì)算公式如下：

計(jì)算試樣含水率Z，計(jì)算公式如下：

紅磚式樣1 與混凝土磚式樣1 進(jìn)行吸水率實(shí)驗(yàn)在用刷子清洗表面雜質(zhì)后，將兩塊式樣放入水中，水沒過磚頭，不斷有氣泡冒出由晚19：20 浸泡至另一晚19：20。準(zhǔn)時(shí)取出，用干毛巾擦干表面水分，進(jìn)行稱量吸水24 小時(shí)后紅磚式樣1 m=2234g 混凝土磚式樣1 m=1185g 待干燥后繼續(xù)稱量。紅磚式樣1m=2090g，混凝土磚式樣1m=1164g，由此可計(jì)算吸水率。

在用刷子清洗表面雜質(zhì)后，進(jìn)行多天自然風(fēng)干，稱得自然狀態(tài)下紅磚式樣2m=1246g，混凝土磚式樣2m=1270g，待輔助用吹風(fēng)機(jī)等烘干后測(cè)得紅磚式樣2m=1218g ，混凝土磚式樣2m=1266g。由此可測(cè)得含水率。

再將紅磚式樣2 與混凝土磚式樣2 泡入水中，有氣泡冒出，待氣泡停止冒出，即空隙被完全填滿。將其放出準(zhǔn)備好的容器中，刻下上升體積，再取出式樣，加水至刻度，運(yùn)用排液法，紅磚式樣2 排水為m=694g 混凝土磚式樣2 排水為m=633g，可換算為磚頭與間隙內(nèi)水體積，與干燥質(zhì)量一起可求表觀密度，見表1。

表1 測(cè)得兩種廢磚的相關(guān)物理性質(zhì)

混凝土磚的表觀密度大于紅磚，含水率吸水率均小于紅磚，實(shí)驗(yàn)中再?zèng)]入水中時(shí)紅磚所排氣泡密度與數(shù)量也明顯大于混凝土磚，可看出紅磚內(nèi)孔隙率會(huì)大一些，較高吸水率更利于發(fā)揮混凝土路面“蓄水池”功能。表觀密度與天然粗骨料接近，所以可以對(duì)其起到替代作用。

2.4 兩種廢磚作為粗骨料替代天然粗骨料在不同水灰比下的透水性研究實(shí)驗(yàn)

為測(cè)定兩種廢磚作為粗骨料制作的透水混凝土的透水系數(shù)，故將兩種廢磚進(jìn)行破碎，篩分出粒徑在5mm至15mm 之間的顆粒，查閱資料得到相關(guān)材料用量并用天平稱取，配制成不同水灰比的混凝土，其配料結(jié)果如表2 所示。

表2 不同水灰比的混凝土配料表（單位：g）

得到此表后將各組的原材料加入攪拌容器進(jìn)行攪拌，投入順序?yàn)橄燃蛹?xì)骨料和水泥，再加粗骨料。骨料等拌合均勻后分多次加入水，每加一次水進(jìn)行一次攪拌，攪拌均勻后再進(jìn)行下一次水的添加。攪拌均勻后將六組混凝土注入事先準(zhǔn)備好的直徑160mmPVC 管材中。PVC管材取80mm 劃線處理，將80mm 部分靠上放置，下方倒入碎石鋪墊中砂找平，放入與管材截面積相等的硬紙板，上面涂抹1 比20 配比肥皂水做隔離劑后倒入拌合均勻混凝土，并用灰刀找平。PVC 管材需要24 小時(shí)后在自然條件下進(jìn)行7 天的灑水養(yǎng)護(hù)，達(dá)到養(yǎng)護(hù)期齡后將PVC管材豎直提起，漏出下方碎石與中砂，取出硬紙板，將PVC 管材倒置，準(zhǔn)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。透水系數(shù)是透水混凝土最重要的指標(biāo)之一，目前，對(duì)透水系數(shù)的測(cè)定方法大致分為兩大類：固定水位法和固定水量法，本次透水實(shí)驗(yàn)采用固定水量法。

固定水量法的測(cè)試步驟為：

(1) 將PVC 套筒底部邊緣與透水混凝土試件頂部邊緣密封，使水只能通過透水混凝土試件；

(2)在PVC 套筒中劃線標(biāo)記，向PVC 套簡內(nèi)注滿水，待水位下降到劃線處后開始計(jì)時(shí)，測(cè)試套筒中水位由h降至0mm 所用時(shí)間t；

(3)根據(jù)公式v=h/t 計(jì)算透水系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)如表3。

表3

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4。

表4

透水系數(shù)定義v=h/t 可知，當(dāng)水位h 保持不變時(shí)，時(shí)間t 越短，其透水系數(shù)v 越大，透水性能越明顯。由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得如下結(jié)論：

（1）當(dāng)建筑垃圾骨料為15%紅磚粗骨料時(shí)，透水系數(shù)隨水灰比的增加先減少后增大，由數(shù)據(jù)可知，當(dāng)水灰比選擇為0.25 時(shí)，其透水系數(shù)最大，透水性能最強(qiáng)。

（2）當(dāng)建筑垃圾骨料為15%混凝土磚粗骨料時(shí)，透水系數(shù)隨水灰比的增加急劇減少，由數(shù)據(jù)可知，當(dāng)水灰比選擇為0.25 時(shí)，其透水系數(shù)最大，透水性能最強(qiáng)。

3 結(jié)論

紅磚與混凝土磚作為建筑垃圾中廣泛存在的種類，通過對(duì)其含水率、吸水率以及表觀密度進(jìn)行探究有著作為透水混凝土骨料的潛質(zhì)。在15%骨料代替比中水灰比為0.25 的透水混凝土透水性能表現(xiàn)良好，因紅磚骨料更加多孔的緣故其吸水率高，故水灰比在0.25 時(shí)其透水性能優(yōu)于混凝土磚骨料，但在強(qiáng)度上混凝土磚骨料更勝一籌。將兩者作為部分代替骨料添加進(jìn)透水混凝土中，變廢為寶。既助力垃圾分類，又能節(jié)約建筑用料。透水混凝土作為一種新型環(huán)保建筑材料，能夠減少城市熱島效應(yīng)，孔隙也可以吸收部分城市噪音，同時(shí)防汛防洪，聯(lián)通地下水加快海綿城市建設(shè)。經(jīng)過對(duì)典型建筑垃圾含水率，透水率表觀密度等進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)其破碎后作為透水混凝土骨料的可行性。經(jīng)過研究，運(yùn)用建筑垃圾做代替骨料運(yùn)用與透水混凝土中透水系數(shù)能夠達(dá)到超過1mm/s 的透水系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而且大大降低了生產(chǎn)成本，有較好的應(yīng)用前景。考慮到骨料代替后對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，可以多用于城市公園景觀道路等，并可加入各色顏料劑達(dá)到與景觀相呼應(yīng)的效果。考慮其隨時(shí)間透水系數(shù)的下降，路面需要及時(shí)的檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)。很多地方已經(jīng)開始大規(guī)模鋪設(shè)透水混凝土路面，作為建筑路面的一種大趨勢(shì)，透水混凝土具有著廣泛的發(fā)展前景。代替骨料做透水混凝土，透水性與強(qiáng)度之間有著相互矛盾的關(guān)系，如何在兩者之間保持平衡并同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)值得深究的問題。