海綿城市新型生態(tài)建筑材料性能探討

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摘要:利用銅尾礦和膨潤土為填充料制備了一種新型生態(tài)建筑材料，并對不同配比的建筑材料展開了工程性能試驗。研究發(fā)現(xiàn)，當新型生態(tài)建筑材料中銅尾礦摻量為10%時，材料的抗壓強度達到5.36MPa，滲透系數(shù)為4.48cm/s，吸水率達20.57%，其抗壓能力較強，且具有優(yōu)良的吸、滲水能力。研究成果為促進海綿城市建設和固體廢物資源化提供了一定的借鑒作用。

關鍵詞:海綿城市;生態(tài)材料;室內(nèi)試驗;最佳配比;廢物資源化

我國夏季降雨多、降雨強，給城市防洪和排水問題帶來極大的挑戰(zhàn)，嚴重危害城市經(jīng)濟發(fā)展與人民生命安全［1-3］。因此，促進我國海綿城市的建設，有效解決我國夏季城市內(nèi)澇問題具有重要意義。為響應國家發(fā)展綠色建筑、節(jié)能建筑的號召，我國學者積極展開了有關生態(tài)建筑材料的研究。楊銳文［4］等探討了新型生態(tài)建筑材料在生態(tài)住宅建設中的應用前景和重要意義，并根據(jù)實際情況，分析了多種新型建筑材料的基本特性與具體應用方法，研究成果為建造生態(tài)住宅的過程中新型節(jié)能材料的應用提供了一定指導作用。劉德建等［5］深入研究生態(tài)建筑材料在房屋建筑工程中的應用，指出其能夠有效提高建筑設計內(nèi)容的節(jié)能性及建筑資源的利用率。楊新科［6］則深入發(fā)掘了生態(tài)建筑材料在水利工程中的應用，研究成果為水利工程綠色化建設提供了一定的思路。綜上所述，現(xiàn)有關于市政工程尤其是濕地公園改造相關的生態(tài)建筑材料的研究較少［7-9］，而生態(tài)建筑材料對濕地公園生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。本文依托山西省汾河文化生態(tài)景區(qū)管理處人工濕地水質(zhì)凈化工程改造項目，提出利用銅尾礦和膨潤土制備一種新型生態(tài)建筑材料，并基于室內(nèi)試驗驗證了材料的工程性能，研究成果為促進海綿城市建設和固體廢物資源化提供了一定的借鑒作用。

1工程背景

山西省汾河文化生態(tài)景區(qū)管理處人工濕地水質(zhì)凈化工程位于汾河某城區(qū)段，屬堯都區(qū)。兩側大堤(治導線)間寬度為300～560m，主河槽寬180、260m，河道比降0.588‰左右，左岸為現(xiàn)城區(qū)，右岸為規(guī)劃城區(qū)，兩岸景觀環(huán)境優(yōu)美，特別適宜人類休閑和居住，如圖1所示。兩岸工農(nóng)業(yè)比較發(fā)達，人口稠密，該段河道的防洪安全、生態(tài)環(huán)境問題極其重要。因此，引入海綿城市新型生態(tài)建筑材料并應用到該濕地公園改造工程中對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

2材料制備與試驗設計

2.1原材料

制備新型生態(tài)建筑材料所用的原材料如下:①粗骨料，采用廢棄燒結磚建筑材料，經(jīng)過破碎、篩分并烘干后作為粗骨料使用，直徑在2.00～5.00mm之間;②填充料，銅尾礦取自廣西省桂林市某尾礦，細化后篩選出0.10～0.30mm粒級顆粒作為填充料;③膨潤土為鈉基膨潤土，黃色粉末狀，濕壓強度為129kPa，膨潤值為67，含水量達8.09%;④膠凝材料，采用海螺牌P.O42.5級水泥，標準抗壓強度為50MPa，抗折強度為9MPa。

2.2配比設計與材料制備

為研究填充料中銅尾礦摻量對新型生態(tài)建筑材料工程力學性能的影響，本次研究室內(nèi)制備了4種不同銅尾礦摻量(0%、5%、10%和15%)條件下的新型生態(tài)建筑材料試樣，并保持其他材料成分的含量不變，具體配比設計見表2。將配置好的材料攪拌均勻后在室溫下養(yǎng)護28d后，試樣尺寸為100mm×100mm×100mm。進一步根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》等相關規(guī)范［10］對養(yǎng)護28d后的新型生態(tài)建筑材料展開力學試驗、滲透性試驗以及吸水能力測試，以確定材料中銅尾礦的最優(yōu)摻量，獲得工程性能最佳的新型生態(tài)建筑材料。

3試驗結果分析

3.1力學性能

基于室內(nèi)單軸壓縮試驗結果得出的不同銅尾礦摻量條件下新型生態(tài)建筑材料的力學參數(shù)見表3.由表3可知，隨著銅尾礦摻量的逐漸增大，新型生態(tài)建筑材料的抗壓強度逐漸增大，但其增大的速率越來越慢。當銅尾礦摻量為0%，新型生態(tài)建筑材料的抗壓強度為4.86MPa，隨著銅尾礦摻量的逐漸增大，其抗壓強度分別相對增長幅度為8.06%、10.28%及11.53%。銅尾礦的摻量對材料的變形能力影響顯著，不同銅尾礦摻量下新型生態(tài)建筑材料的峰值點應變分別為1.13%、1.08%、0.93%和0.88%，材料的塑性變形能力降低而應脆性特征增強。此外，隨著銅尾礦摻量的增大材料的彈性模量也逐漸增大，不同銅尾礦摻量下新型生態(tài)建筑材料的彈性模量分別為0.38、0.49、0.58以及0.62GPa。綜上，銅尾礦的摻量能夠有效增強新型生態(tài)建筑材料的承載能力。

3.2滲透性能

基于室內(nèi)常水頭滲透試驗得到的新型生態(tài)建筑材料滲透系數(shù)隨銅尾礦摻量的變化關系曲線，如圖2所示。由圖2可知，隨著銅尾礦摻量的逐漸增大，新型生態(tài)建筑材料的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的變化規(guī)律，但其增長速率逐漸減小。當銅尾礦材料摻量為0%時，材料的滲透系數(shù)為4.18cm/s，而當銅尾礦含量達到15%時，材料的滲透系數(shù)為4.51cm/s，滲透系數(shù)相對增大7.89%。由此可見，銅尾礦能夠有效增大材料的滲透性。分析認為，由于膨潤土的主要成分為蒙脫石，且其在與銅尾礦成分結合的過程中會形成硅氧四面體結構，在材料內(nèi)部形成了小孔構造，增大了材料的滲透性;銅尾礦顆粒表面光滑度較差，且其與膨潤土結合后會產(chǎn)生較多的裂縫，形成大量的可滲透通道，因而提升了材料的滲透性。進一步分析新型生態(tài)建筑材料的滲透系數(shù)與銅尾礦摻量之間的關系并進行函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)二者之間符合冪函數(shù)關系，函數(shù)擬合效果良好，線性相關系數(shù)達到0.9202，二者之間相關性強。

3.3吸水性能

基于室內(nèi)常水頭滲透試驗得到的新型生態(tài)建筑材料吸水率隨銅尾礦摻量的變化關系曲線，如圖3所示。由圖3可知，隨著銅尾礦摻量的逐漸增大，新型生態(tài)建筑材料的吸水率呈先增大后減小的變化趨勢，二者之間符合二次函數(shù)關系。在不摻銅尾礦條件下，新型生態(tài)建筑材料的吸水率為20.12%;當銅尾礦摻量為10%時，材料的吸水性最強，此時吸水率達20.57%，較不摻銅尾礦條件下增大2.24%。此后，材料的吸水能力有所降低，當銅尾礦摻量為15%時，材料的吸水率為20.15%。綜上所述，新型生態(tài)建筑材料的抗壓能力較強，且具有優(yōu)良的吸、滲水能力，能夠較好的應用到濕地公園生態(tài)建設與改造項目中。此外，當新型生態(tài)建筑材料中銅尾礦摻量為10%時，此時材料具備最佳工程性能，其抗壓強度為5.36MPa，滲透系數(shù)為4.48cm/s，最大吸水率達20.57%。

4結論

本文依托山西省汾河文化生態(tài)景區(qū)工程改造項目，提出利用銅尾礦和膨潤土制備新型生態(tài)建筑材料并基于室內(nèi)試驗展開了驗證。得出主要結論如下。(1)利用銅尾礦和膨潤土制備的新型生態(tài)建筑材料具有抗壓強度大、吸滲水能力好等優(yōu)勢。當新型生態(tài)建筑材料中銅尾礦摻量為10%時，材料的綜合工程性能最佳，在水利工程建設具有良好應用前景。(2)新型生態(tài)建筑能夠合理回收利用銅尾礦材料，實現(xiàn)了固體廢棄物資源化回收利用。(3)本文未研究膨潤土的影響，后續(xù)研究可以考慮正交試驗綜合分析銅尾礦與膨潤土摻量的影響。

參考文獻

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［10］GB/T50081—2002．普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］

作者：王燕 單位：臨汾市水利勘測設計院