海绵城市新型生态建筑材料性能及最优配比设计研究

2021-07-14王燕

水利技术监督 2021年7期

王燕

(临汾市水利勘测设计院，山西临汾 041000)

我国夏季降雨多、降雨强，给城市防洪和排水问题带来极大的挑战，严重危害城市经济发展与人民生命安全[1-3]。因此，促进我国海绵城市的建设，有效解决我国夏季城市内涝问题具有重要意义。

为响应国家发展绿色建筑、节能建筑的号召，我国学者积极展开了有关生态建筑材料的研究。杨锐文[4]等探讨了新型生态建筑材料在生态住宅建设中的应用前景和重要意义，并根据实际情况，分析了多种新型建筑材料的基本特性与具体应用方法，研究成果为建造生态住宅的过程中新型节能材料的应用提供了一定指导作用。刘德建等[5]深入研究生态建筑材料在房屋建筑工程中的应用，指出其能够有效提高建筑设计内容的节能性及建筑资源的利用率。杨新科[6]则深入发掘了生态建筑材料在水利工程中的应用，研究成果为水利工程绿色化建设提供了一定的思路。综上所述，现有关于市政工程尤其是湿地公园改造相关的生态建筑材料的研究较少[7-9]，而生态建筑材料对湿地公园生态环境保护具有重要意义。

本文依托山西省汾河文化生态景区管理处人工湿地水质净化工程改造项目，提出利用铜尾矿和膨润土制备一种新型生态建筑材料，并基于室内试验验证了材料的工程性能，研究成果为促进海绵城市建设和固体废物资源化提供了一定的借鉴作用。

1 工程背景

山西省汾河文化生态景区管理处人工湿地水质净化工程位于汾河某城区段，属尧都区。两侧大堤(治导线)间宽度为300～560m，主河槽宽180、260m，河道比降0.588‰左右，左岸为现城区，右岸为规划城区，两岸景观环境优美，特别适宜人类休闲和居住，如图1所示。两岸工农业比较发达，人口稠密，该段河道的防洪安全、生态环境问题极其重要。因此，引入海绵城市新型生态建筑材料并应用到该湿地公园改造工程中对改善区域生态环境具有重要意义。

图1 汾河景区示意图

2 材料制备与试验设计

2.1 原材料

制备新型生态建筑材料所用的原材料如下：①粗骨料，采用废弃烧结砖建筑材料，经过破碎、筛分并烘干后作为粗骨料使用，直径在2.00～5.00mm之间；②填充料，铜尾矿取自广西省桂林市某尾矿，细化后筛选出0.10～0.30mm粒级颗粒作为填充料；③膨润土为钠基膨润土，黄色粉末状，湿压强度为129kPa，膨润值为67，含水量达8.09%；④胶凝材料，采用海螺牌P.O42.5级水泥，标准抗压强度为50MPa，抗折强度为9MPa。

表1 铜尾矿主要成分单位：%

2.2 配比设计与材料制备

为研究填充料中铜尾矿掺量对新型生态建筑材料工程力学性能的影响，本次研究室内制备了4种不同铜尾矿掺量(0%、5%、10%和15%)条件下的新型生态建筑材料试样，并保持其他材料成分的含量不变，具体配比设计见表2。将配置好的材料搅拌均匀后在室温下养护28d后，试样尺寸为100mm×100mm×100mm。进一步根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》等相关规范[10]对养护28d后的新型生态建筑材料展开力学试验、渗透性试验以及吸水能力测试，以确定材料中铜尾矿的最优掺量，获得工程性能最佳的新型生态建筑材料。

表2 新型生态建筑材料配比设计单位：kg

3 试验结果分析

3.1 力学性能

基于室内单轴压缩试验结果得出的不同铜尾矿掺量条件下新型生态建筑材料的力学参数见表3。

表3 不同铜尾矿掺量条件下新型生态建筑材料的力学参数

由表3可知，随着铜尾矿掺量的逐渐增大，新型生态建筑材料的抗压强度逐渐增大，但其增大的速率越来越慢。当铜尾矿掺量为0%，新型生态建筑材料的抗压强度为4.86MPa，随着铜尾矿掺量的逐渐增大，其抗压强度分别相对增长幅度为8.06%、10.28%及11.53%。铜尾矿的掺量对材料的变形能力影响显著，不同铜尾矿掺量下新型生态建筑材料的峰值点应变分别为1.13%、1.08%、0.93%和0.88%，材料的塑性变形能力降低而应脆性特征增强。此外，随着铜尾矿掺量的增大材料的弹性模量也逐渐增大，不同铜尾矿掺量下新型生态建筑材料的弹性模量分别为0.38、0.49、0.58以及0.62GPa。综上，铜尾矿的掺量能够有效增强新型生态建筑材料的承载能力。

3.2 渗透性能

基于室内常水头渗透试验得到的新型生态建筑材料渗透系数随铜尾矿掺量的变化关系曲线，如图2所示。

图2 材料渗透系数随铜尾矿掺量的变化关系

由图2可知，随着铜尾矿掺量的逐渐增大，新型生态建筑材料的渗透系数呈现出逐渐增大的变化规律，但其增长速率逐渐减小。当铜尾矿材料掺量为0%时，材料的渗透系数为4.18cm/s，而当铜尾矿含量达到15%时，材料的渗透系数为4.51cm/s，渗透系数相对增大7.89%。由此可见，铜尾矿能够有效增大材料的渗透性。分析认为，由于膨润土的主要成分为蒙脱石，且其在与铜尾矿成分结合的过程中会形成硅氧四面体结构，在材料内部形成了小孔构造，增大了材料的渗透性；铜尾矿颗粒表面光滑度较差，且其与膨润土结合后会产生较多的裂缝，形成大量的可渗透通道，因而提升了材料的渗透性。

进一步分析新型生态建筑材料的渗透系数与铜尾矿掺量之间的关系并进行函数拟合，发现二者之间符合幂函数关系，函数拟合效果良好，线性相关系数达到0.9202，二者之间相关性强。

3.3 吸水性能

基于室内常水头渗透试验得到的新型生态建筑材料吸水率随铜尾矿掺量的变化关系曲线，如图3所示。

图3 材料吸水率随铜尾矿掺量的变化关系

由图3可知，随着铜尾矿掺量的逐渐增大，新型生态建筑材料的吸水率呈先增大后减小的变化趋势，二者之间符合二次函数关系。在不掺铜尾矿条件下，新型生态建筑材料的吸水率为20.12%；当铜尾矿掺量为10%时，材料的吸水性最强，此时吸水率达20.57%，较不掺铜尾矿条件下增大2.24%。此后，材料的吸水能力有所降低，当铜尾矿掺量为15%时，材料的吸水率为20.15%。

综上所述，新型生态建筑材料的抗压能力较强，且具有优良的吸、渗水能力，能够较好的应用到湿地公园生态建设与改造项目中。此外，当新型生态建筑材料中铜尾矿掺量为10%时，此时材料具备最佳工程性能，其抗压强度为5.36MPa，渗透系数为4.48cm/s，最大吸水率达20.57%。