海綿城市新型生態(tài)建筑材料性能及最優(yōu)配比設(shè)計(jì)研究

王 燕

(臨汾市水利勘測設(shè)計(jì)院， 山西 臨汾 041000)

我國夏季降雨多、降雨強(qiáng)，給城市防洪和排水問題帶來極大的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重危害城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生命安全[1-3]。因此，促進(jìn)我國海綿城市的建設(shè)，有效解決我國夏季城市內(nèi)澇問題具有重要意義。

為響應(yīng)國家發(fā)展綠色建筑、節(jié)能建筑的號召，我國學(xué)者積極展開了有關(guān)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(shè)中的應(yīng)用前景和重要意義，并根據(jù)實(shí)際情況，分析了多種新型建筑材料的基本特性與具體應(yīng)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(yīng)用提供了一定指導(dǎo)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(yīng)用，指出其能夠有效提高建筑設(shè)計(jì)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(yīng)用，研究成果為水利工程綠色化建設(shè)提供了一定的思路。綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于市政工程尤其是濕地公園改造相關(guān)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(hù)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(xiàng)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(yàn)驗(yàn)證了材料的工程性能，研究成果為促進(jìn)海綿城市建設(shè)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(cè)大堤(治導(dǎo)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(dá)，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(yīng)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。

圖1 汾河景區(qū)示意圖

2 材料制備與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(jié)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(xì)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(qiáng)度為129kPa，膨潤值為67，含水量達(dá)8.09%；④膠凝材料，采用海螺牌P.O42.5級水泥，標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度為50MPa，抗折強(qiáng)度為9MPa。

表1 銅尾礦主要成分 單位：%

2.2 配比設(shè)計(jì)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(xué)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(shè)計(jì)見表2。將配置好的材料攪拌均勻后在室溫下養(yǎng)護(hù)28d后，試樣尺寸為100mm×100mm×100mm。進(jìn)一步根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)范[10]對養(yǎng)護(hù)28d后的新型生態(tài)建筑材料展開力學(xué)試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)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。

表2 新型生態(tài)建筑材料配比設(shè)計(jì) 單位：kg

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 力學(xué)性能

基于室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)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(xué)參數(shù)見表3。

表3 不同銅尾礦摻量條件下新型生態(tài)建筑材料的力學(xué)參數(shù)

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(qiáng)度逐漸增大，但其增大的速率越來越慢。當(dāng)銅尾礦摻量為0%，新型生態(tài)建筑材料的抗壓強(qiáng)度為4.86MPa，隨著銅尾礦摻量的逐漸增大，其抗壓強(qiáng)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(diǎn)應(yīng)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(yīng)脆性特征增強(qiáng)。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(qiáng)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(yàn)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(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 材料滲透系數(shù)隨銅尾礦摻量的變化關(guān)系

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(dāng)銅尾礦材料摻量為0%時(shí)，材料的滲透系數(shù)為4.18cm/s，而當(dāng)銅尾礦含量達(dá)到15%時(shí)，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(rèn)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(jié)合的過程中會(huì)形成硅氧四面體結(jié)構(gòu)，在材料內(nèi)部形成了小孔構(gòu)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(jié)合后會(huì)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(jìn)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(guān)系并進(jìn)行函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)二者之間符合冪函數(shù)關(guān)系，函數(shù)擬合效果良好，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9202，二者之間相關(guān)性強(qiáng)。

3.3 吸水性能

基于室內(nèi)常水頭滲透試驗(yàn)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(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 材料吸水率隨銅尾礦摻量的變化關(guān)系

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(guān)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(dāng)銅尾礦摻量為10%時(shí)，材料的吸水性最強(qiáng)，此時(shí)吸水率達(dá)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(dāng)銅尾礦摻量為15%時(shí)，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(qiáng)，且具有優(yōu)良的吸、滲水能力，能夠較好的應(yīng)用到濕地公園生態(tài)建設(shè)與改造項(xiàng)目中。此外，當(dāng)新型生態(tài)建筑材料中銅尾礦摻量為10%時(shí)，此時(shí)材料具備最佳工程性能，其抗壓強(qiáng)度為5.36MPa，滲透系數(shù)為4.48cm/s，最大吸水率達(dá)20.57%。

4 結(jié)論

本文依托山西省汾河文化生態(tài)景區(qū)工程改造項(xiàng)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(yàn)展開了驗(yàn)證。得出主要結(jié)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(qiáng)度大、吸滲水能力好等優(yōu)勢。當(dāng)新型生態(tài)建筑材料中銅尾礦摻量為10%時(shí)，材料的綜合工程性能最佳，在水利工程建設(shè)具有良好應(yīng)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(shí)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(yàn)綜合分析銅尾礦與膨潤土摻量的影響。