废固堆石混凝土工作性能及工程技术应用研究

姜佩弦 王海超,2 严桂凤 吴 旭 张灵灵 翁 煜

(1.南通理工学院,江苏 南通 226002;2.江苏明润交通科技有限公司,江苏 南通 226002)

1 引 言

城市废弃固体垃圾包括废弃的橡胶、玻璃、旧建筑拆除和工程建设中产生的建筑垃圾等，由于其体量大和难以处理等特点，单纯靠掩埋不仅占用土地，更污染环境.但这些材料几何形状不规则，材料力学性能差异较大，用于结构混凝土的粗细骨料其指标远不及天然砂石.虽然用废弃固体垃圾作为再生骨料用于混凝土制备的研究工作已比较广泛，但大多集中在以可靠的工程应用为前提，改善再生骨料力学性能，追求材料性能的均质性和提高材料的强度指标等.

对于传统混凝土制备的原料所造成的资源消耗以及环境污染等问题，许多学者提出了他们的解决方案.Blessen Skariah Thomas等[4]印度学者提出采用废弃汽车轮胎作为混凝土的粗骨料、铜废渣颗粒作为细骨料制备新型环保混凝土，试验结果表明该新型混凝土的抗压、抗弯能力得到提高，但其自重也相应增加.沙特学者Shahid Kabir等[5]将不同类别的建筑垃圾处理为碎石并充当混凝土骨料，并将不同建筑废料骨料的混凝土进行了试验研究对比；王利夫[6]也在其硕士论文中探讨了建筑废料掺量、水灰比等因素对再生混凝土的强度以及回弹值的影响；赵祥冉[7]在建筑垃圾骨料再生混凝土的制备前期利用碱激发剂激发粉煤灰活性，制备透水混凝土，并通过试验研究获得其最佳掺量.由于固体废弃物其本身存在很大不确定性，其试验结果不尽可靠.Ashwini Manjunath B T[8]将电子废弃物颗粒代替粗、细骨料掺入含硫混凝土中并进行试验研究，此举可解决电子塑料垃圾问题，并提高了混凝土抗压强度，但电子废弃物掺量为10%时混凝土性能最优，因此对于电子塑料垃圾的消耗效率较低.瞿晓玲和赵旭光[9]以及魏小军等[10]利用陶瓷抛光砖废料制备非蒸压加气混凝土，并给出了最佳制备工艺参数.对于堆石混凝土的性能研究，尚峰和周虎[11]两位学者采用早龄期超声波对大尺寸自密实混凝土和堆石混凝土进行对比测试，为混凝土检测提供参考方案.

废弃固体垃圾用于强度要求不高的混凝土构配件，如挡墙、围堰、护坡、台基、路缘石乃至于混凝土隔离墩等，不仅可行，还具有广泛的工程应用前景，可以大量取代普通混凝土.这类构件强度指标要求不高，C20-C30的强度等级就可以达到相关标准，按照目前混凝土制作技术完全可以实现.采用堆石混凝土技术具有很多优点，其一，水泥材料用量比普通混凝土节省水泥将近40%，间接地做到节能环保；其二，水泥用量的减少最大限度地避免了大体积混凝土的水化温升，可有效避免混凝土开裂，提高构件力学性能；更重要的是，大量消耗城市废弃固体垃圾对环境保护具有重大意义.

采用大直径再生骨料的堆石混凝土，制作墙体试件，其力学性能与普通混凝土材料相似，标准试件墙体测试结果表明，比普通毛石墙的承载力高1倍以上，可达到4-6MPa[1-2].其中，应用的堆石混凝土技术是由清华大学金峰教授团队提出的新型混凝土制备技术，大量文献资料证明了新型混凝土制备技术的先进性和工程应用的可靠性，在国内大型水利水电工程中已有广泛应用[3].

目前的道路安全护栏，包括组合型中央分隔带波形梁护栏、混凝土隔离墩刚性护栏、缆索式柔性护栏、绿化带中央分隔护栏、高缘石绿化带护栏等样式.总体来看，柔性护栏对车辆阻力有限，可以减轻车辆撞击的伤害，但是容易被人为移动，刚度较小，容易在较大风荷载作用下产生大面积的倾覆，造成二次伤害；如果是金属柔性护栏则需要经常维护，且维护成本较高[12-13].混凝土材料制作的隔离带，其自重较大，刚性较好，对于自然荷载作用有较大的承受能力，且可以有效阻止车辆的任意翻越，强度要求不高，工程造价较低[14].

但是一般混凝土隔离墩护栏，由于墙面封闭，使得沿途视觉效果差，路面噪音大.在交通护栏的工程应用实践中，还有一个十分重要的问题就是夜间行车在没有照明的路段行车时，需要设置安全警示标志，这些标志往往设定在隔离带的混凝土墙面上，需要占有一定的体外空间，伸出体外的安全警示标识，由于驾驶员的下意识躲避，会影响路面的有限宽度，且设施暴露在外部环境，容易损毁，需要经常维护，因此传统的混凝土隔离墩一定程度的存在着使用效果不好、功能性较差等缺点[15].

鉴于上面的分析，设计了一种功能性较强的安全护栏，并进行了产品的试制，验证了该产品具有十分友好的用户环境，同时大量处理了城市废弃固体垃圾，功能性得到了提高，为处理城市废弃固体垃圾、保护环境及交通工程设施提出了有效解决方案.

2 废固自密实堆石混凝土的工作性能及基本力学性能试验

2.1 水泥适应性试验、灌筑砂浆与自密实混凝土的制备

废固自密实堆石混凝土，原理与堆石混凝土的工艺相似，由于废固是拆除的废弃物等，其来源复杂、表面缺陷很多，材料质量离散性很大，不仅是材质，几何形状也无法挑选，使其力学性能差异很大，因此不建议用在比较重要的结构中.制作废固自密实堆石混凝土，为避免废弃骨料含水率的影响，应使其应处于表干状态.在制作工艺上浇筑用自密实混凝土或自密实砂浆，其工作性能很重要，需要通过试验加以确定.

2.1.1 外加剂于水泥的适应性试验

本实验采用江苏磊达P.O 42.5水泥，实测砂子含水率2.8%.外加剂采用日照海景建材有限公司生产的聚羧酸减水剂和羧酸保塌剂母液，按照1:1配合，然后掺入消泡剂搅拌、再加入引气剂，搅拌均匀.取水泥300g，清水87g，其中加入1.87g外加剂，在净浆搅拌机中搅拌3分钟即可，水泥净浆的扩展度可以达到250mm及以上.由于水泥品种不同，成分有所不同，所以必须通过多次试配才能确定外加剂的用量.外加剂与水泥的适应性试验参数见表1所示，试验结果如图1所示.自流平砂浆及自密实混凝土的情况如表2、3和图2、3所示.

表1 外加剂复配表

表2 灌筑砂浆配比(kg)

表3 自密实混凝土配比(kg)

图1 外加剂适应性试验扩展度

图2 自流平砂浆的扩展度 图3 自密实混凝土扩展度

2.2 堆石混凝土的制作与强度测试

制备大流动性砂浆或自密实混凝土后用于灌筑堆石混凝土.采集的废弃骨料如图4所示，将表干状态的废弃骨料随机码入模板内，为了防止漏浆，在模板内侧铺敷塑料薄膜，注意不要人为摆放，以免影响实际工程中堆石的随机骨架结构.

图4 废弃骨料 图5 浇筑入模

2.2.1 废固堆石混凝土基本力学性能测试

按照预定设计为C15的强度指标值，通过测试，得到的结果如表4所示，采用150×150×150mm3立方体试件、150×150×300mm3的棱柱体试件，粗骨料粒径约50-80mm.废固堆石混凝土28天的强度测试结果如表4、表5所示.

表4 废固堆石混凝土立方体抗压强测试结果

表5 废固堆石混凝土棱柱体抗压强测试结果

实验结果表明，实验结果有效，符合规范规定.同时从破形检查的结果发现，均属于粘结破坏.

3 废弃固体混凝土制作道路隔离墩的工程应用技术分析

废弃固体自密实堆石混凝土安全隔离墩，可用于郊外的高等级高速公路和城乡道路等，具有阻挡拦截和防止车辆翻越等功能.预制隔离墩方便更换，移开隔离墩后，宽阔的高速公路可作为临时机场等.对于破损的隔离墩，可再行拆除重新制作以实现再利用，做到废弃固体垃圾处理的良性循环.

如前所述，水泥混凝土制品，不应停留在承载力、刚度和表面质量等传统性能要求方面，应该着眼于其功能的完善性设计.目前水泥隔离墩有如下四个主要问题：水泥隔离墩表现为实体墙面，十分死板；在冗长的路段上，形成凹形隧道窑的半封闭状态(从驾驶员的座驾高度来观察)，不通透且有压抑感，传达着强烈的阻挡信息；在城市与近郊联系的部分道路，整体形象上表现力差，没有城市主题呈现；在外部环境上没有逐渐进入城市的引导作用，视觉传达的信息不足.

除上述问题外，隔离墩体外设置的安全警示标志在空间设置上都需要专门的设备和材料，成本较高，且处在室外环境需要经常维护或更换等.如果安装方向处在隔离墩的宽度方向做成向外侧伸展的样式，驾驶员会下意识地躲开且保持一定的距离，影响道路有效使用宽度.如果做成间隔式的混凝土栏杆隔离带，虽有较好的通透性和友好的驾驶环境，但夜间行车时会发生强弱不等的眩光，存在安全隐患，且生产制作麻烦，自身的强度和刚度都难以保证.

为了较好地解决上述问题，鉴于新型混凝土制品的市场需求，有针对性地在使用功能方面，以简捷、新颖的产品形式，设计防眩光功能型混凝土隔离墩，寻求环境保护和产品功能的双赢，其设计形式见图6.

(1)原理图 (2)产品图

在现有隔离墩标准图纸的设计基础上，沿着设计形体的中间部分用三个直径100mm的圆管分别与隔离墩纵向轴线成30度角、45度角、50度角相贯，旋转中心位于纵轴中心，形成三个贯通孔，贯通孔的垂直位置错开50mm，形成倾斜错落的镂空.

(1)靠右行车60度观测试角 (2)靠右行车45度观测视角

(3)靠右行车30度观测视角 (4)靠左行车观测视角锁闭

图7的1、2、3图中分别表示30度、45度、60度的镂空设计，这一组设计可以通过设计镂空位置的间隔，展现通视效果.

图8 每秒16帧画质 图9 每秒24帧画质

图10 每秒60帧(4K)画质

图8、图9、图10分别表示每秒16帧、24帧、60帧画面的清晰度.人大脑处理图像信息的暂留时间是100毫秒到400毫秒，当画面在15到24帧时，视觉感觉会是连续的，因此当行车速度分别为80公里、100公里、120公里时，可列出镂空间隔的距离计算在表2中.

表2 车速、镂空间隔距离与对应的画面帧数

当驾驶员位于隔离墩右侧行车时，在确保隔离墩镂空间隔在1.4米左右和车速80公里/小时以上的条件下，不仅可以近似得到每秒16到24帧的连续画面效果，而且三个不同镂空角度展现不同镂空状态，当车速达到120公里/小时时，间隔1.4米的斜孔会形成一个连续的外景空间，即：速度越快，画面连续性越好，画面感觉越好.驾驶员在行车时，也就是回眸一瞥，不会关注具体的外景如何，只要隔离墩镂空通透且有空间感，就会减轻驾驶疲劳，增强驾驶愉悦感.

当驾驶员位于沿隔离墩左侧行车时，反向斜孔不再通透，夜间驾驶车辆时，可阻挡货车大灯的强光干扰，防止出现眩光，避免产生视觉盲区，减少安全隐患，如图4(4)所示.

图9 隔离带警示标志的布置

在部分隔离墩的镂空孔内测涂刷红色和黄色光敏材料，当车灯照射到隔离墩墙面上时，可以获得警示信号，确保安全行车.同时，由于警示提示隐藏在隔离墩体内，不易损毁且方便维护，不需要电源及辅助光源，节能环保，有警示标志的隔离墩可以沿路段每隔15m-20m设置一处，以免出现视觉干扰，原理如前所述(图9孔内涂红色的部分).

如上述，隔离墩设置镂空斜孔不仅能避免夜间行车眩光影响，起到交通警示作用，另外比较密集的斜孔还具有消声作用，减轻路燥.经计算，三个镂空斜孔体积约为0.012立方米，按照100公里长的路段考虑，中央隔离墩加两排外侧隔离墩，总计30万延长米，与普通水泥混凝土隔离墩比较，可节省混凝土2400立方.同时采用城市废弃固体材料制作大直径骨料，应用自密实堆石混凝土技术，按照1.5米延米1立方混凝土量计算，30万延长米总共可以节约3.6万吨水泥，可处理城市固体垃圾12万立方，经济效益和社会效益十分显著.图10为江苏明润交通科技有限公司试制的新型隔离墩产品.

图10 新型混凝土隔离墩及模板

4 结 语

城市废弃固体垃圾应该在处理和应用两个方面去进行考量，具有经济效益、社会效益的产品是处理废固有效的解决方案，研究其工程应用具有重要的意义，且城市废弃固体垃圾不限于废弃混凝土.

试验研究表明，采用常规的聚羧酸外加剂并进行合理的复配，可以制做出符合规范要求的废固自密实堆石混凝土材料，用于制作诸如混凝土隔离墩之类的配件具有可行性，同时为废固的处理提供了一个很好的方案.由于废弃材料的来源具有十分复杂的背景，废弃固体材料的应用不应局限于追求制作高性能混凝土，应该本着物尽其用的原则加以使用.同时，混凝土水泥制品的研究也不应局限于传统构配件的常规功能及用途，复制原有产品虽然可行，但还应不断扩展产品的功能，有利于在更多的领域应用废弃固体堆石混凝土材料，对于大量普通混凝土构配件，应在优化产品设计的前提下，实现功能先进、成本降低、保护环境的目的.