建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料性能及其回收利用研究

李 昕

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 宣鋼分院，河北 張家口 075100)

近年來(lái)我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)為線性增長(zhǎng)趨式，資源消耗過(guò)量，導(dǎo)致社會(huì)與環(huán)境承受了巨大壓力。而循環(huán)利用建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料，既能夠節(jié)約資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又能夠節(jié)省材料成本，降低施工成本，以此以綠色節(jié)能回收利用方式最大程度上滿足現(xiàn)代化綠色建筑建設(shè)要求[1]。而且我國(guó)提出了循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，將建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)放置于戰(zhàn)略層面，建筑行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展已是必然趨勢(shì)。建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料中包含許多混凝土與鋼筋結(jié)構(gòu)元素，建筑強(qiáng)度性能良好，以其回收利用建設(shè)建筑物，可切實(shí)強(qiáng)化墻體強(qiáng)度[2]。據(jù)此本文針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料力學(xué)性能分析，進(jìn)行了材料回收利用研究。

1 建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料力學(xué)性能及其回收利用

為分析建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料力學(xué)性能，對(duì)實(shí)際廢棄材料結(jié)構(gòu)件模型進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能分析，根據(jù)有限元分析軟件測(cè)試應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

1.1 力學(xué)性能分析

建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料試樣結(jié)構(gòu)件[3]具體如圖1所示。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料試樣結(jié)構(gòu)件

基于建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料試樣結(jié)構(gòu)件，以本體模型和應(yīng)力屈服機(jī)制響應(yīng)分析，得到材料彈性變形增量和應(yīng)力增量，以單軸受壓條件對(duì)剩余抗拉強(qiáng)度靜力加以分析，具體即

Ief(x,y)=I*G(x,y,?e)

Iev(x,y)=I*stdfilt(x,y,qe)

式中：G(x,y,?e)為廢棄材料建筑徐變同性線性強(qiáng)度；?e代表高斯核函數(shù)；qe為材料力學(xué)損失衰減量，即切線彈性模應(yīng)力評(píng)估尺度；*代表卷積。

基于建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料的極限承載力學(xué)評(píng)估機(jī)制，得到其力學(xué)屈服機(jī)制彈塑荷載分布[4]，即

Fp=εFg

式中：Fp為積分截面數(shù)；ε為屈服機(jī)制貢獻(xiàn)權(quán)重。以等效隨機(jī)應(yīng)力補(bǔ)償，構(gòu)建剩余抗拉強(qiáng)度評(píng)估模型[5]，即

式中：B(x)為基于破壞模式的建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料結(jié)構(gòu)件受損變換矩陣。

基于循環(huán)回收利用機(jī)制，獲取建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料力學(xué)性能分析模型[6]，即

式中：wb為剩余抗拉強(qiáng)度與承載力之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

1.2 回收利用分析

就建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料剩余抗拉強(qiáng)度的材料循環(huán)回收利用評(píng)估，進(jìn)行材料再生利用管理優(yōu)化，可防止材料破壞土壤與環(huán)境，還可提升綜合效益[7]。在建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料處理領(lǐng)域，通常材料的回收處理利用主要選擇三層級(jí)破碎模式，以此可切實(shí)節(jié)省物料消耗與工時(shí)消耗。此外，在材料回收處理利用的時(shí)候，還應(yīng)科學(xué)合理配置收塵封、云塵封、抑塵機(jī)等，這樣一來(lái)不僅可有效降低生產(chǎn)消耗，還可提高材料再利用能力，從而促使廢棄材料實(shí)現(xiàn)資源化再利用。

1.2.1 舊建筑改造回收利用

所謂原真性的本意是真的、原本的、非復(fù)制的、忠實(shí)的。一些建筑材料在人們的潛意識(shí)中就是廢棄的，沒(méi)有價(jià)值的，但是就其生命周期來(lái)講，其性能可持續(xù)利用，無(wú)需經(jīng)過(guò)拆除破壞再回收利用，只需加固并修復(fù)結(jié)構(gòu)，保障整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定即可，這些加固修復(fù)在很大程度上推動(dòng)了廢舊建筑的循環(huán)利用發(fā)展[8]。例如日本建筑村井正誠(chéng)美術(shù)館是私人藝術(shù)收藏館，以東京郊區(qū)居住區(qū)的老舊木質(zhì)建筑為主體，呈現(xiàn)為兩個(gè)盒子，其中村井正誠(chéng)的畫室被完美保留，在此基礎(chǔ)上在外部籠罩了具備其他多功能的盒子，建筑雖然沒(méi)有保留老舊建筑形式，但是卻保留了物質(zhì)，即建筑外墻百葉立面所用的木材，都是由舊建筑結(jié)構(gòu)上拆除的，室內(nèi)也沿用了舊建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料加以裝飾，以期促使人們由古樸建筑結(jié)構(gòu)材料了解美術(shù)館的歷史發(fā)展進(jìn)程。國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料再利用相關(guān)研究也實(shí)現(xiàn)了一定發(fā)展，許多建筑設(shè)計(jì)師都在不斷嘗試?yán)门f材料建設(shè)建筑物。例如內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑館的教學(xué)實(shí)訓(xùn)基地便是由鑄工車間改造而成的，大體保留了舊建筑的整體格局，局部則以回收的廢棄鋼板以不規(guī)則形式拼接覆蓋在新墻面上，使得立面風(fēng)格統(tǒng)一立體，通過(guò)既有天窗創(chuàng)造了豐富的自然光環(huán)境，經(jīng)過(guò)改造地下生產(chǎn)線通道構(gòu)成了完善的室內(nèi)通風(fēng)體系，以既有沖天爐強(qiáng)化室內(nèi)通風(fēng)設(shè)置，基于既有大型機(jī)器轉(zhuǎn)化成室內(nèi)外景觀，充分結(jié)合綠色生態(tài)理念與開(kāi)放式場(chǎng)所建設(shè)改造理念，使得廢棄建筑結(jié)構(gòu)與廢棄材料實(shí)現(xiàn)了循環(huán)回收利用，改造前、后分別如圖2、圖3所示。

圖2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑館改造前

圖3 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑館改造后

1.2.2 建筑廢棄材料回收利用

由不可再利用建筑上拆除的建筑結(jié)構(gòu)材料可基于重構(gòu)方式應(yīng)用于新型建筑建設(shè)，廢棄材料和新形式的有機(jī)結(jié)合可創(chuàng)造出獨(dú)特的建筑意向[9]。例如寧波博物館便是建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料回收利用規(guī)模最大的建筑，以隨地搜集的碎磚瓦建設(shè)外墻，工藝與細(xì)節(jié)部分加以創(chuàng)新(見(jiàn)圖4)。廢棄碎磚瓦構(gòu)成的獨(dú)特紋路與竹條混合混凝土建造的墻面鮮明對(duì)比，給欣賞者帶來(lái)一種時(shí)空交錯(cuò)的視覺(jué)感受，而且磚瓦色調(diào)與周圍環(huán)境高度融合，絲毫不突兀。由殘磚碎瓦可聯(lián)想到城市的更迭交替，此具備地域性的建筑物放置于其他地方都會(huì)顯得突兀，建筑材質(zhì)由根本上明確了建筑物的歸屬與特征。

圖4 寧波博物館

混凝土材料的回收再利用相關(guān)技術(shù)起步晚，發(fā)展慢，盡管在很久之前，西方國(guó)家便開(kāi)始嘗試在公路建設(shè)中將廢棄混凝土壓碎為礫石應(yīng)用其中，但是需要消耗大量燃料。而作為從事建筑材料循環(huán)利用研究最早的國(guó)家，德國(guó)早已研發(fā)了元素回收革新技術(shù)，保留了Plattenbau建筑板材，并應(yīng)用于新住宅建筑。Plattenbau是一個(gè)大型預(yù)制混凝土住宅，在城市結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化調(diào)整與住宅標(biāo)準(zhǔn)逐步提高的形勢(shì)下，Plattenbau建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料資源的循環(huán)再利用引起了高度重視。致力于相關(guān)循環(huán)再利用研究的建筑師經(jīng)過(guò)不斷努力，設(shè)計(jì)了梅赫勞小鎮(zhèn)，一座兩層平頂式住宅，證明了循環(huán)再利用技術(shù)的可行性。在建造時(shí)，建筑師選定了“Plattenbau”建筑，取出了一些建筑板材，切割為既定規(guī)格，運(yùn)輸于新基地，然后耗費(fèi)近7d裝配完成了新建筑主體(見(jiàn)圖5)。

圖5 “Plattenbau”材料及構(gòu)成的建筑主體

木材是典型的建筑材料，生長(zhǎng)受自然環(huán)境直接性影響，大肆砍伐極易造成生態(tài)破壞，因此怎樣實(shí)現(xiàn)木材資源化再利用始終備受關(guān)注。就所選方式不同，舊建筑木材的直接再利用，包含回收復(fù)用或者應(yīng)用于室內(nèi)、建筑裝修等各種方式。美國(guó)建筑師愛(ài)德華花費(fèi)了20年一直在嘗試?yán)脧U舊木材重新建造新屋，其通過(guò)風(fēng)格獨(dú)特的方式方法，將廢舊木材進(jìn)行除蟲(chóng)、熏蒸、打磨處理之后，涂上保護(hù)漆，或者保留原樣，以作為裝飾梁木、地板、家具。

2 有限元測(cè)試分析

為測(cè)試建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料力學(xué)性能分析模型在材料力學(xué)性能分析中的實(shí)踐應(yīng)用，通過(guò)有限元軟件加以分析[10]，以得到材料力學(xué)性能分析結(jié)果具體如圖6所示。

圖6 材料試樣有限元分析結(jié)果

由圖6可以看出，以此模型分析建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料力學(xué)性能，可精確且真實(shí)地仿真模擬材料的內(nèi)部應(yīng)力特征，從而確保材料力學(xué)性能分析的精確性。

以混凝土建筑材料為對(duì)比，通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料與其的抗拉強(qiáng)度關(guān)系，分析廢棄材料的力學(xué)性能。測(cè)試結(jié)果具體如表1所示。

表1 建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料和混凝土建筑材料之間的抗拉強(qiáng)度關(guān)系

由表1可知，建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料和混凝土建筑材料具備同等應(yīng)力抗拉強(qiáng)度，抗拉能力良好，這就表明材料力學(xué)性能較好，回收利用效能非常好，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用。

3 結(jié) 論

綜上所述，本文基于建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料力學(xué)性能分析，根據(jù)力學(xué)分析法分析廢棄材料特征，以指導(dǎo)廢棄材料循環(huán)回收再利用。通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料應(yīng)力評(píng)估機(jī)制，構(gòu)建力學(xué)性能分析模型，以分析廢棄材料力學(xué)性能。結(jié)果表明，以建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料力學(xué)性能分析模型分析材料力學(xué)性能，可精確真實(shí)模擬材料內(nèi)部應(yīng)力特征，保障材料力學(xué)性能分析精確度；建筑結(jié)構(gòu)廢棄材料和混凝土建筑材料具備同等應(yīng)力抗拉強(qiáng)度，抗拉能力良好，這就表明材料力學(xué)性能較好，回收利用效能非常好，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用。