建筑結構廢棄材料性能及其回收利用研究

李 昕

(河北工業職業技術學院 宣鋼分院，河北 張家口 075100)

近年來我國建筑行業發展呈現為線性增長趨式，資源消耗過量，導致社會與環境承受了巨大壓力。而循環利用建筑結構廢棄材料，既能夠節約資源，保護生態環境，又能夠節省材料成本，降低施工成本，以此以綠色節能回收利用方式最大程度上滿足現代化綠色建筑建設要求[1]。而且我國提出了循環經濟發展戰略，將建設資源節約型社會放置于戰略層面，建筑行業可持續健康發展已是必然趨勢。建筑結構廢棄材料中包含許多混凝土與鋼筋結構元素，建筑強度性能良好，以其回收利用建設建筑物，可切實強化墻體強度[2]。據此本文針對建筑結構廢棄材料力學性能分析，進行了材料回收利用研究。

1 建筑結構廢棄材料力學性能及其回收利用

為分析建筑結構廢棄材料力學性能，對實際廢棄材料結構件模型進行內部結構與力學性能分析，根據有限元分析軟件測試應力結構。

1.1 力學性能分析

建筑結構廢棄材料試樣結構件[3]具體如圖1所示。

圖1 建筑結構廢棄材料試樣結構件

基于建筑結構廢棄材料試樣結構件，以本體模型和應力屈服機制響應分析，得到材料彈性變形增量和應力增量，以單軸受壓條件對剩余抗拉強度靜力加以分析，具體即

Ief(x,y)=I*G(x,y,?e)

Iev(x,y)=I*stdfilt(x,y,qe)

式中：G(x,y,?e)為廢棄材料建筑徐變同性線性強度；?e代表高斯核函數；qe為材料力學損失衰減量，即切線彈性模應力評估尺度；*代表卷積。

基于建筑結構廢棄材料的極限承載力學評估機制，得到其力學屈服機制彈塑荷載分布[4]，即

Fp=εFg

式中：Fp為積分截面數；ε為屈服機制貢獻權重。以等效隨機應力補償，構建剩余抗拉強度評估模型[5]，即

式中：B(x)為基于破壞模式的建筑結構廢棄材料結構件受損變換矩陣。

基于循環回收利用機制，獲取建筑結構廢棄材料力學性能分析模型[6]，即

式中：wb為剩余抗拉強度與承載力之間的關聯系數。

1.2 回收利用分析

就建筑結構廢棄材料剩余抗拉強度的材料循環回收利用評估，進行材料再生利用管理優化，可防止材料破壞土壤與環境，還可提升綜合效益[7]。在建筑結構廢棄材料處理領域，通常材料的回收處理利用主要選擇三層級破碎模式，以此可切實節省物料消耗與工時消耗。此外，在材料回收處理利用的時候，還應科學合理配置收塵封、云塵封、抑塵機等，這樣一來不僅可有效降低生產消耗，還可提高材料再利用能力，從而促使廢棄材料實現資源化再利用。

1.2.1 舊建筑改造回收利用

所謂原真性的本意是真的、原本的、非復制的、忠實的。一些建筑材料在人們的潛意識中就是廢棄的，沒有價值的，但是就其生命周期來講，其性能可持續利用，無需經過拆除破壞再回收利用，只需加固并修復結構，保障整體結構穩定即可，這些加固修復在很大程度上推動了廢舊建筑的循環利用發展[8]。例如日本建筑村井正誠美術館是私人藝術收藏館，以東京郊區居住區的老舊木質建筑為主體，呈現為兩個盒子，其中村井正誠的畫室被完美保留，在此基礎上在外部籠罩了具備其他多功能的盒子，建筑雖然沒有保留老舊建筑形式，但是卻保留了物質，即建筑外墻百葉立面所用的木材，都是由舊建筑結構上拆除的，室內也沿用了舊建筑結構廢棄材料加以裝飾，以期促使人們由古樸建筑結構材料了解美術館的歷史發展進程。國內建筑結構廢棄材料再利用相關研究也實現了一定發展，許多建筑設計師都在不斷嘗試利用舊材料建設建筑物。例如內蒙古工業大學建筑館的教學實訓基地便是由鑄工車間改造而成的，大體保留了舊建筑的整體格局，局部則以回收的廢棄鋼板以不規則形式拼接覆蓋在新墻面上，使得立面風格統一立體，通過既有天窗創造了豐富的自然光環境，經過改造地下生產線通道構成了完善的室內通風體系，以既有沖天爐強化室內通風設置，基于既有大型機器轉化成室內外景觀，充分結合綠色生態理念與開放式場所建設改造理念，使得廢棄建筑結構與廢棄材料實現了循環回收利用，改造前、后分別如圖2、圖3所示。

圖2 內蒙古工業大學建筑館改造前

圖3 內蒙古工業大學建筑館改造后

1.2.2 建筑廢棄材料回收利用

由不可再利用建筑上拆除的建筑結構材料可基于重構方式應用于新型建筑建設，廢棄材料和新形式的有機結合可創造出獨特的建筑意向[9]。例如寧波博物館便是建筑結構廢棄材料回收利用規模最大的建筑，以隨地搜集的碎磚瓦建設外墻，工藝與細節部分加以創新(見圖4)。廢棄碎磚瓦構成的獨特紋路與竹條混合混凝土建造的墻面鮮明對比，給欣賞者帶來一種時空交錯的視覺感受，而且磚瓦色調與周圍環境高度融合，絲毫不突兀。由殘磚碎瓦可聯想到城市的更迭交替，此具備地域性的建筑物放置于其他地方都會顯得突兀，建筑材質由根本上明確了建筑物的歸屬與特征。

圖4 寧波博物館

混凝土材料的回收再利用相關技術起步晚，發展慢，盡管在很久之前，西方國家便開始嘗試在公路建設中將廢棄混凝土壓碎為礫石應用其中，但是需要消耗大量燃料。而作為從事建筑材料循環利用研究最早的國家，德國早已研發了元素回收革新技術，保留了Plattenbau建筑板材，并應用于新住宅建筑。Plattenbau是一個大型預制混凝土住宅，在城市結構不斷優化調整與住宅標準逐步提高的形勢下，Plattenbau建筑結構廢棄材料資源的循環再利用引起了高度重視。致力于相關循環再利用研究的建筑師經過不斷努力，設計了梅赫勞小鎮，一座兩層平頂式住宅，證明了循環再利用技術的可行性。在建造時，建筑師選定了“Plattenbau”建筑，取出了一些建筑板材，切割為既定規格，運輸于新基地，然后耗費近7d裝配完成了新建筑主體(見圖5)。

圖5 “Plattenbau”材料及構成的建筑主體

木材是典型的建筑材料，生長受自然環境直接性影響，大肆砍伐極易造成生態破壞，因此怎樣實現木材資源化再利用始終備受關注。就所選方式不同，舊建筑木材的直接再利用，包含回收復用或者應用于室內、建筑裝修等各種方式。美國建筑師愛德華花費了20年一直在嘗試利用廢舊木材重新建造新屋，其通過風格獨特的方式方法，將廢舊木材進行除蟲、熏蒸、打磨處理之后，涂上保護漆，或者保留原樣，以作為裝飾梁木、地板、家具。

2 有限元測試分析

為測試建筑結構廢棄材料力學性能分析模型在材料力學性能分析中的實踐應用，通過有限元軟件加以分析[10]，以得到材料力學性能分析結果具體如圖6所示。

圖6 材料試樣有限元分析結果

由圖6可以看出，以此模型分析建筑結構廢棄材料力學性能，可精確且真實地仿真模擬材料的內部應力特征，從而確保材料力學性能分析的精確性。

以混凝土建筑材料為對比，通過建筑結構廢棄材料與其的抗拉強度關系，分析廢棄材料的力學性能。測試結果具體如表1所示。

表1 建筑結構廢棄材料和混凝土建筑材料之間的抗拉強度關系

由表1可知，建筑結構廢棄材料和混凝土建筑材料具備同等應力抗拉強度，抗拉能力良好，這就表明材料力學性能較好，回收利用效能非常好，可實現循環再利用。

3 結 論

綜上所述，本文基于建筑結構廢棄材料力學性能分析，根據力學分析法分析廢棄材料特征，以指導廢棄材料循環回收再利用。通過建筑結構廢棄材料應力評估機制，構建力學性能分析模型，以分析廢棄材料力學性能。結果表明，以建筑結構廢棄材料力學性能分析模型分析材料力學性能，可精確真實模擬材料內部應力特征，保障材料力學性能分析精確度；建筑結構廢棄材料和混凝土建筑材料具備同等應力抗拉強度，抗拉能力良好，這就表明材料力學性能較好，回收利用效能非常好，可實現循環再利用。