基于園林廢棄物再生利用的生態(tài)混凝土性能研究

崔恒香，王本耀，史亞儒，崔 鵬，楊瑞卿

（1.上海江葉園林景觀工程有限公司，上海市 200331；2.上海市綠化管理指導站,上海市 200020；

3.上海市普陀區(qū)社區(qū)綠化管理所，上海市 200331；4.上海城市樹木生態(tài)應用工程技術研究中心，上海市 200020）

0 引言

近年來，我國的各大城市綠化建設發(fā)展迅猛，而在城市綠化美化過程中產(chǎn)生的諸如枯枝、落葉及綠化修剪物等園林廢棄物產(chǎn)生量也在不斷增多，這無疑增大了城市的垃圾處理總量。而受限于目前經(jīng)濟、技術及認識水平等的不足，我國的園林廢棄物大多隨生活垃圾一并進行填埋或焚燒處理，這不僅浪費了資源，也破壞了生態(tài)環(huán)境[1-2]。目前的大量研究表明，將園林廢棄物破碎后進行直接覆蓋或堆肥處理能夠有效提高土壤肥力，改善土壤性能，是現(xiàn)代處理園林廢棄物的重要發(fā)展方向[3-6]。但此類處理方式在我國還尚處于起步階段，無法完全消納目前所產(chǎn)生的大量園林廢棄物。因此積極探索園林廢棄物再生利用的其他方式顯得尤為重要。

海綿城市是通過加強城市規(guī)劃建設管理，充分發(fā)揮建筑、道路和綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展方式。透水鋪裝是海綿城市建設重要的低影響開發(fā)技術之一，具有很好的透水功能；從園林廢棄物的組成上來看，修剪所產(chǎn)生的樹枝及樹干占據(jù)了園林廢棄物的重要部分，且這些廢棄物的碳氮比高，發(fā)酵難度大[2]，該類廢棄物破碎后還具有較好的吸水性與保水性。因此考慮園林廢棄物與混凝土結合，更好地實現(xiàn)對雨水的蓄存和緩釋作用。

基于此，本文利用破碎后的園林廢棄物作為原材料摻入到混凝土中，制備生態(tài)混凝土，并測試了此類生態(tài)混凝土的力學性能及耐久性，為園林廢棄物的再生利用提供新的思路。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 原材料選擇與試樣制備

該試驗選用42.5級硅酸鹽水泥、細度模數(shù)為2.6的河砂、連續(xù)級配碎石、粉碎后的園林廢棄物及自來水為原材料，制備了園林廢棄物摻量（相對于水泥的質量百分數(shù)）分別為7%、8.5%及10%三組生態(tài)混凝土，并命名為C-7、C-8.5及C-10。

1.2 試驗方法

1.2.1 生態(tài)混凝土的力學性能測試方法

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2002）規(guī)定的方法成型試件，測試生態(tài)混凝土的抗壓強度與抗折強度。

1.2.2 生態(tài)混凝土的孔隙率及保水率測試方法

（1）將混凝土立方試件置于烘箱中，并在（105±5）℃的條件下烘至恒重，再置于干燥器中冷卻至室溫，用直尺量出試件尺寸后計算其體積，記為V。

（2）將上述試件浸入水中，待無氣泡出現(xiàn)時測量試件在水中的質量，記為m1。

（3）從水中取出試件，用擰干后的柔軟濕毛巾快速擦拭試件表面水（不得吸走孔隙內(nèi)的水），稱取試件的表干質量（m3）。注意：從試件由水中取出到稱重的過程不宜超過3s，且稱量過程中流出的水不得再次擦拭。

（4）將上述試件置于60℃烘箱中烘至24h后再次稱重，記為m2。

（5）按下式計算試件的孔隙率P及保水率B：

式中：ρ為水的密度。

1.2.3 生態(tài)混凝土透水性能測試方法

試驗方法參照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTGE60—2008）中的路面透水系數(shù)測試方法。

1.2.4 生態(tài)混凝土的抗干濕循環(huán)性能測試方法

取兩組相同配比的生態(tài)混凝土試件并放入電熱鼓風干燥箱內(nèi)，在（65±2）℃溫度下烘至恒重。隨后取其中一組三塊試件并浸入水溫為（20±5）℃的凈水中，使試件上表面距水面不小于30mm，浸泡5min后取出，放在室內(nèi)晾干30min，隨后繼續(xù)放入（65±2）℃的干燥箱內(nèi)烘干7h，至此完成一次干濕循環(huán)，并如此反復30次為止。最后對比兩組試件的抗壓強度差異，以此評價生態(tài)混凝土的抗干濕循環(huán)性能。

1.2.5 生態(tài)混凝土的抗凍融循環(huán)性能測試方法

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082—2009）規(guī)定的慢凍法對試塊進行了25次凍融循環(huán)，并通過凍融循環(huán)前后試塊的強度損失率與質量損失率來評價生態(tài)混凝土的抗凍融循環(huán)性能。

2 試驗結果分析

2.1 生態(tài)混凝土的力學性能

本文研究了園林廢棄物摻量對生態(tài)混凝土28d齡期時的力學性能影響，包括抗壓強度與抗折強度，試驗測試如圖1與圖2所示，測試結果如圖3所示。

圖1 抗壓強度測試

圖2 抗折強度測試

圖3 生態(tài)混凝土的抗壓強度與抗折強度

由圖3試驗結果可知，隨著園林廢棄物摻量的增加，生態(tài)混凝土的抗壓強度與抗折強度均不斷降低。當園林廢棄物摻量為10%時，生態(tài)混凝土的抗壓強度為11.2MPa，抗折強度也為1.4MPa，超過10MPa。為了解園林廢棄物摻入混凝土中對混凝土力學性能的不利影響，試驗觀察了C-10組生態(tài)混凝土受壓破壞后的破壞狀態(tài)，結果如圖4所示。

圖4 C-10組混凝土受壓破壞后的狀態(tài)

由圖4可知，生態(tài)混凝土試塊受壓達到臨界抗壓點后迅速破壞，破壞后的混凝土碎塊呈松散狀，且園林廢棄物碎片易分辨出，碎片表面漿體含量較少，即表明園林廢棄物碎片與水泥漿體膠結能力差，混凝土受壓時易在園林廢棄物碎片與水泥漿體界面產(chǎn)生應力集中，并最終受壓破壞，導致生態(tài)混凝土力學性能較差，因此混凝土中摻加園林廢棄物用量應進行控制。根據(jù)其強度指標，可用于公園步道、人行道、廣場、綠道等透水鋪裝中。

2.2 生態(tài)混凝土的孔隙率及保水率

考慮到破碎后的園林廢棄物質地相對疏松且具有較好的吸水性與保水性，為此本文考慮了園林廢棄物摻量對生態(tài)混凝土孔隙率及保水率的影響，測試結果如圖5所示。

圖5 園林廢棄物摻量對生態(tài)混凝土孔隙率及保水率的影響

由圖5可知，隨著園林廢棄物摻量的增加，生態(tài)混凝土的孔隙率及保水率均不斷增加，兩者呈正相關性。這一結果與上述生態(tài)混凝土的力學性能變化規(guī)律相吻合，即隨著園林廢棄物摻量的增加，生態(tài)混凝土孔隙率增大，孔隙率可達20%，保水率相應提高，可達到0.2g/cm3，具有很好的保水性。

2.3 生態(tài)混凝土的透水性能

測定不同摻量園林廢棄物生態(tài)混凝土的透水性能，如圖6所示，試驗結果如圖7所示。生態(tài)混凝土具有較好的透水性能，可達到800ml/min以上，但是相對于透水鋪裝可以達到800ml/15s的透水系數(shù)，透水速度相對較低，而具有更好的對雨水的蓄存和緩釋作用。

圖6 透水性能測定

圖7 生態(tài)混凝土透水系數(shù)

2.4 生態(tài)混凝土的抗干濕循環(huán)性能

為探究生態(tài)混凝土的耐久性能，該研究測試了生態(tài)混凝土的抗干濕循環(huán)性能，結果如圖8所示。

圖8 生態(tài)混凝土的抗干濕循環(huán)性能

由圖8可知，三組生態(tài)混凝土在經(jīng)歷30次干濕循環(huán)作用后，混凝土的抗壓強度幾乎不損失，甚至有略微增長。這是由于在干濕循環(huán)作用過程中，生態(tài)混凝土在浸濕后經(jīng)歷了高溫作用，促進了水泥的水化，進而提高了生態(tài)混凝土的強度。因此水的長期循環(huán)作用對生態(tài)混凝土性能沒有影響。

2.5 生態(tài)混凝土的抗凍融性能

該研究測試了三組生態(tài)混凝土在經(jīng)歷了25次凍融循環(huán)后的質量損失情況與抗壓強度損失情況，結果如圖9所示。

圖925 次凍融循環(huán)試驗后生態(tài)混凝土的質量損失情況與強度損失情況

由圖9a可知，凍融循環(huán)對三組生態(tài)混凝土的質量損失影響較小，三組生態(tài)混凝土的質量損失率僅為1.5%左右。而圖9b的結果表明，凍融循環(huán)對三組生態(tài)混凝土的抗壓強度產(chǎn)生了不利影響，C-7、C-8.5及C-10三組試樣在25次凍融循環(huán)后的強度損失率分別為24.7%、25.0%及24.9%。因此摻加園林廢棄物的生態(tài)混凝土抗凍融循環(huán)性能需要進一步提高。

3 結語

（1）通過一系列試驗分析，摻加園林廢棄物的混凝土具有較好的保水性能、透水性能，可以更好地實現(xiàn)對雨水的蓄滲和緩排，同時實現(xiàn)了園林廢棄物的再生利用。

（2）隨著園林廢棄物摻量增加，混凝土強度逐漸降低，使用中應控制園林廢棄物摻量。

（3）從生態(tài)混凝土的耐久性角度考慮，其抗干濕循環(huán)性能良好，30次干濕循環(huán)后，混凝土的抗壓強度幾乎不損失，雨水對材料沒有顯著影響。但在經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后，三組生態(tài)混凝土的強度損失率相對較大，不宜用于冬季寒冷地區(qū)，或者對其抗凍性進行改善。

（4）根據(jù)試驗結果分析，該材料可用于公園步道、人行道、廣場、綠道等透水鋪裝中。

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