一種榫卯結(jié)構(gòu)混合纖維再生混凝土透水磚研究

干唯健 雷 豪 孫 明

湖南科技學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院

1 引言

高速的城市化進(jìn)程讓城區(qū)地面被吸熱率高、透水率低的瀝青、混凝土等硬質(zhì)材料所覆蓋，由此引發(fā)城市內(nèi)澇、熱島效應(yīng)等一系列環(huán)境問(wèn)題，如何將雨水就地利用和消納，建設(shè)綠色生態(tài)的海綿城市成為當(dāng)前城市市政建設(shè)的熱點(diǎn)。透水磚就是建設(shè)海綿城市必不可少的一種路面鋪裝材料。

2 研究背景

透水磚按制造材料不同可以分為陶瓷透水磚、混凝土透水磚、石材透水磚、砂基透水磚和鋼渣透水磚等種類[1]，由于透水磚可以將工業(yè)界產(chǎn)生的固體廢棄物、建筑垃圾等原料廢物利用[2]，滿足了國(guó)家對(duì)建筑材料綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的需求，成為再生建材的首選發(fā)展方向。其中陶瓷透水磚以工業(yè)廢料為主要材料，再生混凝土透水磚以建筑垃圾為主要材料。再生混凝土相對(duì)陶瓷透水磚和普通透水磚而言，保水性能好，吸水性能差，滲透性能差；陶瓷透水磚保水性能相對(duì)較差，吸水性能一般，滲透性能好[3]。伴隨著城市發(fā)展，混凝土建筑物與構(gòu)筑物拆舊建新成為常態(tài)，為了將建筑垃圾有效地重復(fù)利用，根據(jù)透水原理改進(jìn)再生混凝土透水磚勢(shì)在必行。

透水磚按透水原理可以分為兩種，一種是通過(guò)構(gòu)成材料自身的孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滲透功能的普通透水磚，另一種是不依靠材料，通過(guò)磚體結(jié)構(gòu)將水流導(dǎo)入基層的構(gòu)造透水磚[4]。由于透水磚是在露天環(huán)境使用，普通透水磚孔隙率小則容易被灰塵、泥土堵塞，孔隙率大則會(huì)導(dǎo)致骨料之間連接不緊密，強(qiáng)度低、耐久性差[5]，構(gòu)造透水磚相對(duì)普通透水磚具有不易堵塞、下滲速度快、吸聲降噪等優(yōu)點(diǎn)，制作難度更大，成本更高。

同時(shí)，由于雨水對(duì)基層的沖刷及施工技術(shù)問(wèn)題，使得透水磚下部容易產(chǎn)生凹坑，進(jìn)而導(dǎo)致相鄰的透水磚之間連接不夠緊密，鋪裝路面整體也不平整，在雨季，雨水會(huì)聚集在磚下凹坑中，一旦受到踩踏或其他外力作用，就會(huì)飛濺而出，影響行人。

考慮到透水磚使用中遇到的各種問(wèn)題，可以考慮以混合纖維再生混凝土為材料，參考傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)，研制一種榫卯結(jié)構(gòu)混合纖維再生混凝土透水磚。

3 材料選擇

廢棄混凝土破碎后得到的再生骨料棱角過(guò)多、針狀物所占比例過(guò)大，從而導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度低，所以可以對(duì)再生骨料進(jìn)行酸化處理。清除廢棄混凝土中的鋼筋、雜物后，將再生骨料破碎后放置于1%的醋酸中浸泡12h，再次進(jìn)行粉碎和篩分，使再生骨料表面包裹的水泥砂漿基本脫落，性能與天然骨料接近，提升透水磚的抗壓強(qiáng)度。

然后再加入低彈性模量的聚丙烯復(fù)合竹纖維和高彈性模量的普通鋼纖維，以鋼纖維抑制裂縫的擴(kuò)展，提升材料的抗拉強(qiáng)度和韌性，以聚丙烯復(fù)合竹纖維抑制微裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)展，二者形成合理搭配，在不同尺度阻礙裂縫發(fā)育，最終提升再生混凝土制成的透水磚強(qiáng)度和耐久性。

4 造型設(shè)計(jì)

將透水磚設(shè)計(jì)為榫卯結(jié)構(gòu)，包括磚的主體和榫頭，主體為長(zhǎng)方體形結(jié)構(gòu)，榫頭為十字塊狀結(jié)構(gòu)，榫頭凸起的設(shè)置在磚體主體的前端面上，且榫頭與磚體主體一體成型，如圖1所示。榫頭的十字塊狀結(jié)構(gòu)的橫塊寬度、豎塊寬度與主體的前端面寬度、高度相等；主體的后端面上設(shè)有用于與榫頭相卯合的十字槽體卯眼，卯眼向主體的內(nèi)部凹陷。

透水磚之間可通過(guò)相鄰的榫頭和卯眼進(jìn)行拼接，榫卯結(jié)構(gòu)能夠提升相鄰?fù)杆u之間的貼合強(qiáng)度，既保證磚體穩(wěn)定結(jié)合，又能夠使鋪裝后的路面達(dá)到迅速透水，具備透水效果好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特性，從而解決透水磚因?yàn)樗蓜?dòng)而導(dǎo)致的一系列問(wèn)題。

圖1 透水磚形狀

透水磚側(cè)面設(shè)置了長(zhǎng)方體形的連接凸塊，連接凸塊與主體一體成型；同時(shí)在另一側(cè)面相對(duì)位置設(shè)有用于與所述連接凸塊相卯合的矩形槽體，矩形槽體向主體的內(nèi)部凹陷。這樣可以使左右相鄰的兩塊磚體主體之間能夠更貼合、不松動(dòng)。由于連接凸塊設(shè)置在中部，能夠起到參照物的效果，使用時(shí)便于將透水磚進(jìn)行切割使用，從而不會(huì)影響到道路四周的透水和穩(wěn)定效果，十分便捷。

當(dāng)這一榫卯結(jié)構(gòu)透水磚鋪設(shè)至路面邊緣處時(shí)，如圖2所示，以連接凸塊和矩形槽體的連線為界，將本榫卯結(jié)構(gòu)透水磚切斷使用，即磚塊的榫頭部分或另一端的矩形槽體部分平切，使透水磚的外側(cè)面為平面，與路面邊緣貼合。多個(gè)排水通孔以矩陣式排列形式縱向的貫穿于主體的中，能夠快速的排水。

圖2 透水磚拼接示意

5 結(jié)束語(yǔ)

相比普通的再生混凝土透水磚，混合纖維再生混凝土透水磚通過(guò)加入鋼纖維和聚丙烯復(fù)合竹纖維提升磚體抗拉強(qiáng)度和耐久性，通過(guò)將再生骨料進(jìn)行酸化處理，提升磚體的抗壓強(qiáng)度。相比傳統(tǒng)的長(zhǎng)方體透水磚，用榫卯結(jié)構(gòu)原理制作透水磚，施工鋪裝工序簡(jiǎn)單，提高了施工效率，并且相鄰?fù)杆u之間的貼合強(qiáng)度增加，既保證了磚體穩(wěn)定，又能夠使鋪裝后的路面達(dá)到迅速透水，具有透水效果好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特性，在雨水滲入地基后，磚體依然能夠穩(wěn)定保持與地面貼合，避免了磚體下部被雨水侵蝕形成的凹坑而使透水磚在被踩踏時(shí)會(huì)發(fā)生翹起的現(xiàn)象，同時(shí)也避免了雨水聚集在凹坑中，人們踩踏上去之后雨水四處飛濺的問(wèn)題，保證了人行道交通順暢。

再生混凝土透水磚是建筑垃圾回收再利用的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，既可以消耗大量廢棄混凝土，減少自然資源的消耗，又能夠有力地支持海綿城市的建設(shè)，是消除城市內(nèi)澇，減輕熱島效應(yīng)的重要建筑材料。尤其在《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》發(fā)布后，“綠水青山就是金山銀山”理念深入人心，綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展已成為建設(shè)生態(tài)文明的必經(jīng)途徑，將建筑垃圾資源化利用，發(fā)展再制造和再生利用產(chǎn)品，是完善再生資源回收體系，構(gòu)建覆蓋全社會(huì)的資源循環(huán)利用體系的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以有必要繼續(xù)對(duì)再生混凝土透水磚進(jìn)行深入研究，提升透水磚技術(shù)性能和實(shí)用性，降低生產(chǎn)成本，使其擁有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。