建筑垃圾再生骨料透水混凝土的性能研究

周 宏 宋思宇 马鸿斌 朱雨翀 张欣怡

（中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

据国家统计局统计，2021 年建筑业总产值高达293079 亿元，同比增长11.0%。2020 年由于国家经济受疫情影响波动较大，建筑业也受到较大的冲击，但就近10 年来建筑行业总产值一直呈现递增的趋势来看，建筑业已成为推动国家经济发展的支柱型产业。但是与建筑业发展同时出现的是大量的建筑垃圾。截至2018 年,中国城市生活垃圾清运量已达70 亿t，可推算建筑垃圾总量为21 亿t～28 亿t,每年新产生建筑垃圾超过3 亿t。随着我国建筑行业和城市化建设进程的不断推进，可预见我国建筑垃圾产量还将继续增长。因此，合理利用建筑垃圾资源，使其变成能再次利用的工业原料或其他产品已成为当前国内外学者的主要研究方向。再生骨料透水混凝土作为一种新兴的环保型、生态型的道路材料，能有效改善传统路面存在的弊端，为建筑垃圾处置问题提供了解决方法。既能将建筑垃圾回收利用，又能减少城市的积水，降低城市的噪声和热岛效应，还能应用于海绵城市的建设，符合可持续发展的理念，具有重要的社会和经济效益。

1 国内外研究现状

英国、德国、美国、日本等发达国家都较早开始对透水混凝土的研究。1970 年，英国开始尝试使用透水混凝土铺筑常规刚性路面，试验路段最初工作性能良好，后来可能由于冻融循环和水力抽吸，或这两者的结合等因素构成路面破坏。20 世纪70 年代后，随着日本提出的“地下水还原政策”，透水混凝土在日本开始得到大量运用，在2005 年全日本产生3200 万t 的废混凝土，其中再生利用了3100 万t，其利用率达到95%。而在德国，截至2009 年市政道路中透水混凝土的应用率已达到80%。

我国内地对透水混凝土的研究开始较晚，但已开展研究工作的高校和科研院进行了大量工作，也取得了一定成果。北京为迎接2008 年奥运会，提高城市道路完好率，对36 条道路进行了改造，将透水性混凝土应用于步行道上。在工程应用方面，北京城建混凝土公司研制的C25 透水混凝土已成功应用于奥林匹克国家森林公园停车场、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，是我国首条彩色透水性混凝土市政道路；中建技术中心环境与材料应用研究所所研究的透水混凝士已经应用于西安大明宫国家遗址公园和2011 西安世界园艺博览会工程中，收到了很好的效果。

2 项目实验研究目标及主要内容

2.1 实验目标

筛选出合适用作粗骨料的建筑垃圾；测试所选建筑垃圾主要性质；制备部分建筑垃圾代替骨料的透水混凝土式样；分析数据并挑选出性能最佳的透水混凝土。

2.2 实验流程（图1）

图1

2.3 两种建筑垃圾的吸水率、含水率及表观相对密度测定实验

本实验通过对建筑垃圾进行吸放水来测定其吸水率、含水率及表观密度。因材料需要相似原因实验共选择4 块式样,分别为红砖式样1，红砖式样2，混凝土砖式样1，混凝土砖式样2。

m1——干砖的质量g；

m2b——砖在水中吸水饱和的质量g；

m3——吸水饱和后水中的砖的质量g；

m4——自然状态下砖的质量g；

在下面的计算中，假设1cm2水重1g，假设室温下误差在0.3%以内。

吸水率：

计算每一块砖的吸水率Eb，用干砖的质量分数表示，计算公式如下：

表观相对密度：

计算试样不透水部分的表观相对密度T，计算公式如下：

计算试样含水率Z，计算公式如下：

红砖式样1 与混凝土砖式样1 进行吸水率实验在用刷子清洗表面杂质后，将两块式样放入水中，水没过砖头，不断有气泡冒出由晚19：20 浸泡至另一晚19：20。准时取出，用干毛巾擦干表面水分，进行称量吸水24 小时后红砖式样1 m=2234g 混凝土砖式样1 m=1185g 待干燥后继续称量。红砖式样1m=2090g，混凝土砖式样1m=1164g，由此可计算吸水率。

在用刷子清洗表面杂质后，进行多天自然风干，称得自然状态下红砖式样2m=1246g，混凝土砖式样2m=1270g，待辅助用吹风机等烘干后测得红砖式样2m=1218g ，混凝土砖式样2m=1266g。由此可测得含水率。

再将红砖式样2 与混凝土砖式样2 泡入水中，有气泡冒出，待气泡停止冒出，即空隙被完全填满。将其放出准备好的容器中，刻下上升体积，再取出式样，加水至刻度，运用排液法，红砖式样2 排水为m=694g 混凝土砖式样2 排水为m=633g，可换算为砖头与间隙内水体积，与干燥质量一起可求表观密度，见表1。

表1 测得两种废砖的相关物理性质

混凝土砖的表观密度大于红砖，含水率吸水率均小于红砖，实验中再没入水中时红砖所排气泡密度与数量也明显大于混凝土砖，可看出红砖内孔隙率会大一些，较高吸水率更利于发挥混凝土路面“蓄水池”功能。表观密度与天然粗骨料接近，所以可以对其起到替代作用。

2.4 两种废砖作为粗骨料替代天然粗骨料在不同水灰比下的透水性研究实验

为测定两种废砖作为粗骨料制作的透水混凝土的透水系数，故将两种废砖进行破碎，筛分出粒径在5mm至15mm 之间的颗粒，查阅资料得到相关材料用量并用天平称取，配制成不同水灰比的混凝土，其配料结果如表2 所示。

表2 不同水灰比的混凝土配料表（单位：g）

得到此表后将各组的原材料加入搅拌容器进行搅拌，投入顺序为先加细骨料和水泥，再加粗骨料。骨料等拌合均匀后分多次加入水，每加一次水进行一次搅拌，搅拌均匀后再进行下一次水的添加。搅拌均匀后将六组混凝土注入事先准备好的直径160mmPVC 管材中。PVC管材取80mm 划线处理，将80mm 部分靠上放置，下方倒入碎石铺垫中砂找平，放入与管材截面积相等的硬纸板，上面涂抹1 比20 配比肥皂水做隔离剂后倒入拌合均匀混凝土，并用灰刀找平。PVC 管材需要24 小时后在自然条件下进行7 天的洒水养护，达到养护期龄后将PVC管材竖直提起，漏出下方碎石与中砂，取出硬纸板，将PVC 管材倒置，准备进行实验。透水系数是透水混凝土最重要的指标之一，目前，对透水系数的测定方法大致分为两大类：固定水位法和固定水量法，本次透水实验采用固定水量法。

固定水量法的测试步骤为：

(1) 将PVC 套筒底部边缘与透水混凝土试件顶部边缘密封，使水只能通过透水混凝土试件；

(2)在PVC 套筒中划线标记，向PVC 套简内注满水，待水位下降到划线处后开始计时，测试套筒中水位由h降至0mm 所用时间t；

(3)根据公式v=h/t 计算透水系数。

实验原始数据如表3。

表3

实验数据处理结果如表4。

表4

透水系数定义v=h/t 可知，当水位h 保持不变时，时间t 越短，其透水系数v 越大，透水性能越明显。由上述实验数据分析可得如下结论：

（1）当建筑垃圾骨料为15%红砖粗骨料时，透水系数随水灰比的增加先减少后增大，由数据可知，当水灰比选择为0.25 时，其透水系数最大，透水性能最强。

（2）当建筑垃圾骨料为15%混凝土砖粗骨料时，透水系数随水灰比的增加急剧减少，由数据可知，当水灰比选择为0.25 时，其透水系数最大，透水性能最强。

3 结论

红砖与混凝土砖作为建筑垃圾中广泛存在的种类，通过对其含水率、吸水率以及表观密度进行探究有着作为透水混凝土骨料的潜质。在15%骨料代替比中水灰比为0.25 的透水混凝土透水性能表现良好，因红砖骨料更加多孔的缘故其吸水率高，故水灰比在0.25 时其透水性能优于混凝土砖骨料，但在强度上混凝土砖骨料更胜一筹。将两者作为部分代替骨料添加进透水混凝土中，变废为宝。既助力垃圾分类，又能节约建筑用料。透水混凝土作为一种新型环保建筑材料，能够减少城市热岛效应，孔隙也可以吸收部分城市噪音，同时防汛防洪，联通地下水加快海绵城市建设。经过对典型建筑垃圾含水率，透水率表观密度等进行探究，发现其破碎后作为透水混凝土骨料的可行性。经过研究，运用建筑垃圾做代替骨料运用与透水混凝土中透水系数能够达到超过1mm/s 的透水系数标准。而且大大降低了生产成本，有较好的应用前景。考虑到骨料代替后对混凝土强度的影响，可以多用于城市公园景观道路等，并可加入各色颜料剂达到与景观相呼应的效果。考虑其随时间透水系数的下降，路面需要及时的检测与养护。很多地方已经开始大规模铺设透水混凝土路面，作为建筑路面的一种大趋势，透水混凝土具有着广泛的发展前景。代替骨料做透水混凝土，透水性与强度之间有着相互矛盾的关系，如何在两者之间保持平衡并同时兼顾经济性是一个值得深究的问题。