無(wú)機(jī)建筑垃圾輕質(zhì)纖維混凝土圍墻板的研究

張喜紅，馬廣生，孟慶峰，徐玉春，丁少軍

（1.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.北京國(guó)金管理咨詢(xún)有限公司，北京 100089）

無(wú)機(jī)建筑垃圾輕質(zhì)纖維混凝土圍墻板的研究

張喜紅1，馬廣生1，孟慶峰1，徐玉春1，丁少軍2

（1.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.北京國(guó)金管理咨詢(xún)有限公司，北京 100089）

文章主要介紹了無(wú)機(jī)建筑垃圾輕質(zhì)纖維混凝土配合比的設(shè)計(jì)、圍墻板的抗彎和耐久性模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析，并將基本設(shè)計(jì)作了介紹。

垃圾再利用；輕質(zhì)混凝土；組合圍墻；研究

2001年，王毅飛發(fā)明的“組合式建筑工地圍墻”采用的是在底座上設(shè)置嵌槽，墻板下部卡在嵌槽內(nèi)，底座上設(shè)有立柱，墻板與立柱連接，可根據(jù)需要靈活拼裝，還可快速拆除移動(dòng)，具有周轉(zhuǎn)使用成本低等特點(diǎn)；2011年成都市雅健再生資源投資有限公司發(fā)明的“用于建筑施工的組合式圍墻”是一種設(shè)有底座、立柱橫梁和墻板組成的，所述墻板是由多個(gè)鋼扣板拼接而成，即兩層彩鋼板之間裝有填充物，可以周轉(zhuǎn)使用；合肥庭索環(huán)保材料有限公司的《一種摻雜無(wú)機(jī)垃圾的建筑砂漿》中所述,僅對(duì)砂漿的配比作了研究,并未制成成品；王西發(fā)明的“建筑再生資源墻體”所述的配比內(nèi)容與“建筑垃圾輕質(zhì)纖維混凝土復(fù)合圍墻板”中建筑垃圾最大利用量不符,其中有石膏等成分,不適用于室外使用；安徽頤鑫節(jié)能材料有限公司的葉照武《一種利用廢建筑垃圾制成的輕質(zhì)隔墻板及其制作方法》中所述：用玻璃纖維、沸石粉、甲基氫丙綸基纖維素醚、二甲苯等材料,均不符合環(huán)保要求；北京恒業(yè)材料有限公司的王麗發(fā)明的“采用建筑垃圾制成的保溫板”和四川省遠(yuǎn)程中博能源有限公司的張亮亮發(fā)明的“佛養(yǎng)鎂纖維輕質(zhì)墻板”等，與本研究?jī)?nèi)容有很大區(qū)別。

多年來(lái)，我國(guó)建筑工地大多使用磚砌圍墻，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，每年產(chǎn)生建筑垃圾約5億m3，“垃圾圍城”現(xiàn)象和破壞生態(tài)環(huán)境十分嚴(yán)重，為此，許多企業(yè)用彩鋼板、彩鋼夾芯板圍墻等替代磚體圍墻，但如何利用建筑垃圾制品制作圍墻板尚未突破。我公司針對(duì)如何充分利用建筑垃圾，于2015年初確定了《無(wú)機(jī)建筑垃圾輕質(zhì)纖維混凝土圍墻板的研究與應(yīng)用》這一課題，并通過(guò)了安徽省建筑行業(yè)科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目計(jì)劃立項(xiàng)。近半年來(lái)，該項(xiàng)目通過(guò)科研小組的不懈努力，研制成功并應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。所申請(qǐng)的“一種建筑垃圾板”和“一種建筑垃圾板和制造方法”已獲得專(zhuān)利局實(shí)用新型專(zhuān)利和發(fā)明專(zhuān)利受理，與其相配套的“一種墩板組合圍墻”也獲得專(zhuān)利局授權(quán)。

無(wú)機(jī)建筑垃圾輕質(zhì)纖維混凝土圍墻板，是由無(wú)機(jī)建筑垃圾、輕質(zhì)骨料、復(fù)合纖維布，通過(guò)水泥膠結(jié)材料混合制成的圍墻板。它是經(jīng)過(guò)對(duì)建筑垃圾的分類(lèi)、粉碎、輕骨料的選擇、水泥用量、復(fù)合纖維布的選擇和幾何尺寸的確定，以及優(yōu)化最佳配合比確定的，其主要技術(shù)指標(biāo)還綜合考慮了必須滿(mǎn)足其抗壓強(qiáng)度、抗彎、抗剪、耐久性性能，以及干容重、建筑垃圾利用量最大化、周轉(zhuǎn)次數(shù)和成本等因素。

2.2.1 無(wú)機(jī)建筑垃圾

無(wú)機(jī)建筑垃圾由混凝土（混凝土的標(biāo)號(hào)宜采用C15以上強(qiáng)度）、磚（100#機(jī)制紅磚、混凝土小型空心砌塊、灰砂磚等）、加氣混凝土砌塊（蒸壓砂或蒸壓粉煤灰）等材料的廢料組成。

2.2.2 輕質(zhì)骨料

陶粒：采用比重400kg/m3以下的陶粒作為輕質(zhì)骨料。

2.2.3 水泥

復(fù)合硅酸鹽水泥PC.32.5或普通硅酸鹽水泥PO.32.5。

2.2.4 復(fù)合纖維布

復(fù)合纖維布采用耐堿玻纖網(wǎng)格布，125g/m2。

2.2.6 鋼絲網(wǎng)、鋼板網(wǎng)或鋼筋

在圍墻板局部還設(shè)有鋼板網(wǎng)以提高圍墻板抗彎、抗裂等性能。

3.1.1 規(guī)格設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)文明施工及企業(yè)CI標(biāo)準(zhǔn)圖集對(duì)圍墻高度的要求，施工現(xiàn)場(chǎng)工地圍墻高度不應(yīng)小于1.8m，故圍墻板的高度選用2000mm，另考慮每個(gè)圍墻板單元便于制作、搬運(yùn)和安裝，其寬度選用500mm，圍墻板厚度80mm～100mm。

3.1.2 混凝土強(qiáng)度設(shè)定

綜合考慮圍墻板除承受制作、運(yùn)輸過(guò)程中自重產(chǎn)生的彎曲荷載、沖擊荷載、風(fēng)壓荷載，以及無(wú)機(jī)建筑垃圾及骨料成分和成本，設(shè)定混凝土強(qiáng)度大于5MPa。

3.1.3 無(wú)機(jī)建筑垃圾粉碎最佳粒徑設(shè)定

由于圍墻板的厚度在80mm～100mm，混凝土按細(xì)石混凝土的骨料粒徑試配，其粒徑范圍選用1mm～15mm。

3.1.4 輕骨料摻量設(shè)定

考慮到對(duì)成型后圍墻板的整體重量的控制，選用粒徑為5mm～15mm、比重在400kg/m3以下的陶粒，摻量≈300kg/m3。

3.1.5 建筑垃圾最大摻量設(shè)定

根據(jù)《綠色施工導(dǎo)則》相關(guān)要求，“建筑垃圾的再利用和回收率達(dá)到30%”，結(jié)合企業(yè)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)建筑垃圾回收利用率的要求，確定建筑垃圾最大摻量不小于60%。

3.1.6 水泥用量設(shè)定

根據(jù)C15混凝土常規(guī)商品混凝土配合比中的水泥用量，本混凝土中水泥用量控制在310kg/m3～325kg/m3之間。

3.1.7 抗彎性能設(shè)定

圍墻板應(yīng)能滿(mǎn)足其在運(yùn)輸、安裝過(guò)程中自重及施工荷載產(chǎn)生的荷載，以及12級(jí)臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)荷載，抗彎強(qiáng)度不小于0.85kN/m2。

綜上所述，設(shè)定主要技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

圍墻板主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)定一覽表 表1

3.2.1 原材料

①無(wú)機(jī)建筑垃圾的收集（垃圾成分）與粉碎：無(wú)機(jī)建筑垃圾可由混凝土、機(jī)制紅磚、灰砂磚、混凝土小型空心砌塊、蒸壓砂或蒸壓粉煤灰加氣混凝土砌塊等，按照分類(lèi)收集，現(xiàn)場(chǎng)粉碎。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，粉碎后的建筑垃圾比重為：4.716（混凝土廢料）∶1.7（磚廢料）∶1（加氣混凝土廢料）。

②輕質(zhì)骨料的選擇：輕骨料選用陶粒，粒徑范圍5mm～15mm，陶粒比重384kg/m3。

③細(xì)骨料的選擇：圍墻板所有的細(xì)骨料，不需要使用砂子，全部采用相同粒徑要求的建筑垃圾粉碎物代替。

④水泥的選擇：采用復(fù)合硅酸鹽水泥PC.32.5或普通硅酸鹽水泥PO.32.5，摻量控制在310kg/m3～325kg/m3之間。

⑤水的選擇：飲用水或達(dá)到飲水水標(biāo)準(zhǔn)的其他水。

3.2.2 配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

①配合比設(shè)計(jì)：為優(yōu)化配合比，設(shè)計(jì)混凝土配合比見(jiàn)表2。

配合比設(shè)計(jì)一覽表 表2

按照上述配合比，每種分別制作2組標(biāo)養(yǎng)試件。

3.2.3 混凝土試驗(yàn)

根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的配合比進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

配合比試驗(yàn)結(jié)果一覽表 表3

3.2.4 構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.2.4.1 圍墻板截面類(lèi)型

無(wú)機(jī)建筑垃圾輕質(zhì)纖維混凝土圍墻板主要采用3種截面型式：

1型等腰梯形截面，500mm（寬度）×（底部厚度為120mm，頂部厚為80mm）×2000mm（長(zhǎng)度），見(jiàn)圖1。

2型矩形截面，500mm（寬度）×80mm（厚度）× 2000mm長(zhǎng)度，見(jiàn)圖2。

3型矩形截面，500mm（寬度）×100mm（厚度）× 2000mm長(zhǎng)度，見(jiàn)圖3。

圖1 1型等腰梯形截面圍墻板示意圖（80mm～120mm）

圖2 2型矩形截面圍墻板示意圖（80mm厚）

3.2.4.2 復(fù)合纖維布的選擇與布置

復(fù)合纖維布采用耐堿玻纖網(wǎng)格布，約125g/m2；寬度：1000mm；長(zhǎng)度50m或100m；網(wǎng)眼尺寸：8×8mm、10×10mm、12×12mm。復(fù)合纖維布的布置位置：在圍墻板的上下雙面滿(mǎn)布。

圖3 3型矩形截面圍墻板示意圖（100mm厚）

3.2.4.3 加強(qiáng)構(gòu)造措施的選擇與布置

加強(qiáng)構(gòu)造措施采用鋼絲網(wǎng)、鋼板網(wǎng)或鋼筋網(wǎng)片等。

①鋼絲網(wǎng)規(guī)格選擇

直徑0.9mm，網(wǎng)眼尺寸12.7mm×12.7mm；直徑0.6mm，網(wǎng)眼尺寸10.6mm×10.6mm；直徑0.9mm，網(wǎng)眼尺寸16mm×16mm。

②鋼板網(wǎng)規(guī)格選擇

網(wǎng)眼尺寸：10mm×25mm，厚度：1.2mm，寬度：1.1m；網(wǎng)眼尺寸：12mm×30mm，厚度：1.2mm，寬度：1.5m。

③鋼筋網(wǎng)片規(guī)格選擇

φ4，200mm×200mm的鋼筋網(wǎng)片；采用φ6.5，200mm×200mm的鋼筋網(wǎng)片。

④布置范圍

雙面滿(mǎn)布或底部500范圍內(nèi)雙面布設(shè)。

3.2.5 試驗(yàn)板的制作和抗彎性能試驗(yàn)

3.2.5.1 試驗(yàn)板的制作

根據(jù)配合比試驗(yàn)結(jié)果（表3）和構(gòu)造設(shè)計(jì)（圖1～3），選擇3種配合比（②號(hào)、④號(hào)、⑤號(hào)實(shí)驗(yàn)配合比）和3種構(gòu)造設(shè)計(jì)（1型、2型、3型圍墻板）（鋼絲網(wǎng)規(guī)格選擇：直徑0.9mm，網(wǎng)眼尺寸12.7mm×12.7mm。復(fù)合纖維布采用耐堿玻纖網(wǎng)格布，約125g/m2；寬度：1000mm；長(zhǎng)度50m或100m；網(wǎng)眼尺寸：8×8mm。均為雙面滿(mǎn)布），分別制作9塊實(shí)驗(yàn)板，并分別留置標(biāo)養(yǎng)試件。

3.2.5.2 抗彎性能試驗(yàn)

①抗彎試驗(yàn)方法

抗彎試驗(yàn)采用模擬實(shí)驗(yàn)的方式，通過(guò)采用型鋼錨固支座模擬圍墻的墩板錨固支座，錨固長(zhǎng)度相同。通過(guò)型鋼錨固固定圍墻板，使圍墻板呈懸臂狀態(tài)。以圍墻板的自重荷載模擬風(fēng)荷載，并正反面反復(fù)試驗(yàn)，觀測(cè)圍墻板的變形、外觀變化等狀態(tài)。

②抗彎性能試驗(yàn)小結(jié)

經(jīng)過(guò)計(jì)算及數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)，圍墻板能滿(mǎn)足其在運(yùn)輸、安裝過(guò)程中自重及施工荷載產(chǎn)生的荷載，以及12級(jí)臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)荷載，抗彎強(qiáng)度不小于0.85kN/m2。符合設(shè)計(jì)預(yù)定的抗彎性能參數(shù)要求。

圖4 抗彎試驗(yàn)?zāi)M圖

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)選擇以下3種配合比（表4），作為墻板制作的參考配合比。

確定的配合比設(shè)計(jì)一覽表 表4

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)，矩形截面500mm（寬度）×80mm（厚度）×2000mm（長(zhǎng)度），加強(qiáng)鋼絲網(wǎng)規(guī)格為直徑0.9mm，網(wǎng)眼尺寸12.7mm×12.7mm。復(fù)合纖維布采用耐堿玻纖網(wǎng)格布為重量約125g/m2；寬度：1000mm；長(zhǎng)度50m或100m；網(wǎng)眼尺寸：8mm×8mm，均采用雙面滿(mǎn)布的圍墻板可以滿(mǎn)足抗彎等受力模擬實(shí)驗(yàn)的要求。

本為墻板可以根據(jù)實(shí)際需要量進(jìn)行量產(chǎn)。主要采取整體澆筑、分塊切割的方法。整體澆筑的面積可以根據(jù)需要量和場(chǎng)地大小靈活調(diào)整，一次澆筑宜為圍墻板單元尺寸500mm×2000mm的整數(shù)倍，保證切割之后無(wú)廢料。

主要施工步驟包括施工場(chǎng)地的硬化、鋪設(shè)隔離層、模板支設(shè)、鋪設(shè)底部耐堿玻纖網(wǎng)格布、鋪設(shè)底部鋼絲網(wǎng)、澆筑混凝土、鋪設(shè)上層鋼絲網(wǎng)、混凝土振搗、壓入上層耐堿網(wǎng)格布、混凝土表面收光、混凝土表面彈線(xiàn)、混凝土切割成塊。

組合圍墻由混凝土墩板、型鋼立柱、固定螺桿、無(wú)機(jī)建筑垃圾輕質(zhì)纖維混凝土圍墻板、圍墻板之間成品嵌縫條、圍墻頂部的彩鋼板收頭條等組成。

圖5 組合圍墻配件示意圖

6.2.1 基礎(chǔ)混凝土墩

每個(gè)圍墻混凝土墩板單元規(guī)格為600mm× 1000mm×100mm，混凝土標(biāo)號(hào)為C20。每3個(gè)混凝土墩板單元重疊組合成1組基礎(chǔ)。

圖6 基礎(chǔ)混凝土墩示意圖

6.2.2 連接抗風(fēng)柱

6.2.2.1 直線(xiàn)連接抗風(fēng)柱

直線(xiàn)連接抗風(fēng)柱為工字鋼，底部連接支座板，并與混凝土組合墩板采用螺桿連接固定，見(jiàn)圖7。

圖7 直線(xiàn)連接抗風(fēng)柱示意圖

6.2.2.2 轉(zhuǎn)角連接抗風(fēng)柱

轉(zhuǎn)角連接抗風(fēng)柱為兩個(gè)不同大小的角鋼，底部連接支座板，并與混凝土組合墩板采用螺桿連接固定，見(jiàn)圖8。

圖8 轉(zhuǎn)角連接抗風(fēng)柱示意圖

6.2.2.3 末端連接抗風(fēng)柱

末端連接抗風(fēng)柱為槽鋼，底部連接支座板，并與混凝土組合墩板采用螺桿連接固定，見(jiàn)圖9。

6.2.3 相關(guān)技術(shù)參數(shù)及安全驗(yàn)算

6.2.3.1 抗風(fēng)荷載參數(shù)

風(fēng)壓產(chǎn)生的水平均布荷載計(jì)算。

根據(jù)伯努利方程，風(fēng)的動(dòng)壓公式為：

式中：ωp為風(fēng)壓（kN/m2）；r=0.01225（kN/m3）（在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣壓為101.3kPa，溫度取平均溫度為15℃時(shí)）；g為重力加速度，9.8m/s2；v為風(fēng)速，風(fēng)力10級(jí)時(shí)查《風(fēng)力等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)表》，得v=24.5m/s～28.4m/s,取v=28.4m/s。將上述數(shù)據(jù)代入公式，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得：

圖9 末端連接抗風(fēng)柱示意圖

6.2.3.2 抗傾覆驗(yàn)算

已知圍墻尺寸高H1=2m，寬M1=2m，圍墻重量W1=464kg；圍墻墩重量W2=144kg（按1塊計(jì)算），圍墻墩長(zhǎng)L=1m，圍墻墩寬M2=0.6m，圍墻墩高H2=0.3m；風(fēng)力10級(jí)；型鋼立柱及附件：W3=3m×11.2kg/m=33.6kg。

根據(jù)已知得出圍墻柱所受風(fēng)力和圍墻墩+圍墻+型鋼立柱及附件的自重產(chǎn)生反力，見(jiàn)圖10。

根據(jù)已知得出：

圍墻所受風(fēng)力：F1=2H1ωp=4×0.504=-2.016kN

因：q1=1/2F1=1.008(kN/m)，l=H1

則：M風(fēng)=-1/2×q×l×l=0.5×1.008×2×2(m)= 2.016kN·m

M風(fēng)為風(fēng)壓對(duì)圍墻柱產(chǎn)生的彎矩,q1為作用在圍墻柱上的均布荷載（因圍墻高度僅有2m，故圍墻產(chǎn)生的風(fēng)荷載按均布荷載考慮）。

又因：組合圍墻重量（W總）=圍墻墩（W1）+圍墻自重（W2）+型鋼立柱及附件的重量（W3）

TU528.572

B

1007-7359（2016）05-0232-05

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.083

張喜紅（1985-），男，甘肅定西人，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，學(xué)士，工程師，國(guó)家注冊(cè)一級(jí)建造師。