廢固堆石混凝土工作性能及工程技術應用研究

姜佩弦 王海超,2 嚴桂鳳 吳 旭 張靈靈 翁 煜

(1.南通理工學院,江蘇 南通 226002;2.江蘇明潤交通科技有限公司,江蘇 南通 226002)

1 引 言

城市廢棄固體垃圾包括廢棄的橡膠、玻璃、舊建筑拆除和工程建設中產(chǎn)生的建筑垃圾等，由于其體量大和難以處理等特點，單純靠掩埋不僅占用土地，更污染環(huán)境.但這些材料幾何形狀不規(guī)則，材料力學性能差異較大，用于結(jié)構(gòu)混凝土的粗細骨料其指標遠不及天然砂石.雖然用廢棄固體垃圾作為再生骨料用于混凝土制備的研究工作已比較廣泛，但大多集中在以可靠的工程應用為前提，改善再生骨料力學性能，追求材料性能的均質(zhì)性和提高材料的強度指標等.

對于傳統(tǒng)混凝土制備的原料所造成的資源消耗以及環(huán)境污染等問題，許多學者提出了他們的解決方案.Blessen Skariah Thomas等[4]印度學者提出采用廢棄汽車輪胎作為混凝土的粗骨料、銅廢渣顆粒作為細骨料制備新型環(huán)?；炷?，試驗結(jié)果表明該新型混凝土的抗壓、抗彎能力得到提高，但其自重也相應增加.沙特學者Shahid Kabir等[5]將不同類別的建筑垃圾處理為碎石并充當混凝土骨料，并將不同建筑廢料骨料的混凝土進行了試驗研究對比；王利夫[6]也在其碩士論文中探討了建筑廢料摻量、水灰比等因素對再生混凝土的強度以及回彈值的影響；趙祥冉[7]在建筑垃圾骨料再生混凝土的制備前期利用堿激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰活性，制備透水混凝土，并通過試驗研究獲得其最佳摻量.由于固體廢棄物其本身存在很大不確定性，其試驗結(jié)果不盡可靠.Ashwini Manjunath B T[8]將電子廢棄物顆粒代替粗、細骨料摻入含硫混凝土中并進行試驗研究，此舉可解決電子塑料垃圾問題，并提高了混凝土抗壓強度，但電子廢棄物摻量為10%時混凝土性能最優(yōu)，因此對于電子塑料垃圾的消耗效率較低.瞿曉玲和趙旭光[9]以及魏小軍等[10]利用陶瓷拋光磚廢料制備非蒸壓加氣混凝土，并給出了最佳制備工藝參數(shù).對于堆石混凝土的性能研究，尚峰和周虎[11]兩位學者采用早齡期超聲波對大尺寸自密實混凝土和堆石混凝土進行對比測試，為混凝土檢測提供參考方案.

廢棄固體垃圾用于強度要求不高的混凝土構(gòu)配件，如擋墻、圍堰、護坡、臺基、路緣石乃至于混凝土隔離墩等，不僅可行，還具有廣泛的工程應用前景，可以大量取代普通混凝土.這類構(gòu)件強度指標要求不高，C20-C30的強度等級就可以達到相關標準，按照目前混凝土制作技術完全可以實現(xiàn).采用堆石混凝土技術具有很多優(yōu)點，其一，水泥材料用量比普通混凝土節(jié)省水泥將近40%，間接地做到節(jié)能環(huán)保；其二，水泥用量的減少最大限度地避免了大體積混凝土的水化溫升，可有效避免混凝土開裂，提高構(gòu)件力學性能；更重要的是，大量消耗城市廢棄固體垃圾對環(huán)境保護具有重大意義.

采用大直徑再生骨料的堆石混凝土，制作墻體試件，其力學性能與普通混凝土材料相似，標準試件墻體測試結(jié)果表明，比普通毛石墻的承載力高1倍以上，可達到4-6MPa[1-2].其中，應用的堆石混凝土技術是由清華大學金峰教授團隊提出的新型混凝土制備技術，大量文獻資料證明了新型混凝土制備技術的先進性和工程應用的可靠性，在國內(nèi)大型水利水電工程中已有廣泛應用[3].

目前的道路安全護欄，包括組合型中央分隔帶波形梁護欄、混凝土隔離墩剛性護欄、纜索式柔性護欄、綠化帶中央分隔護欄、高緣石綠化帶護欄等樣式.總體來看，柔性護欄對車輛阻力有限，可以減輕車輛撞擊的傷害，但是容易被人為移動，剛度較小，容易在較大風荷載作用下產(chǎn)生大面積的傾覆，造成二次傷害；如果是金屬柔性護欄則需要經(jīng)常維護，且維護成本較高[12-13].混凝土材料制作的隔離帶，其自重較大，剛性較好，對于自然荷載作用有較大的承受能力，且可以有效阻止車輛的任意翻越，強度要求不高，工程造價較低[14].

但是一般混凝土隔離墩護欄，由于墻面封閉，使得沿途視覺效果差，路面噪音大.在交通護欄的工程應用實踐中，還有一個十分重要的問題就是夜間行車在沒有照明的路段行車時，需要設置安全警示標志，這些標志往往設定在隔離帶的混凝土墻面上，需要占有一定的體外空間，伸出體外的安全警示標識，由于駕駛員的下意識躲避，會影響路面的有限寬度，且設施暴露在外部環(huán)境，容易損毀，需要經(jīng)常維護，因此傳統(tǒng)的混凝土隔離墩一定程度的存在著使用效果不好、功能性較差等缺點[15].

鑒于上面的分析，設計了一種功能性較強的安全護欄，并進行了產(chǎn)品的試制，驗證了該產(chǎn)品具有十分友好的用戶環(huán)境，同時大量處理了城市廢棄固體垃圾，功能性得到了提高，為處理城市廢棄固體垃圾、保護環(huán)境及交通工程設施提出了有效解決方案.

2 廢固自密實堆石混凝土的工作性能及基本力學性能試驗

2.1 水泥適應性試驗、灌筑砂漿與自密實混凝土的制備

廢固自密實堆石混凝土，原理與堆石混凝土的工藝相似，由于廢固是拆除的廢棄物等，其來源復雜、表面缺陷很多，材料質(zhì)量離散性很大，不僅是材質(zhì)，幾何形狀也無法挑選，使其力學性能差異很大，因此不建議用在比較重要的結(jié)構(gòu)中.制作廢固自密實堆石混凝土，為避免廢棄骨料含水率的影響，應使其應處于表干狀態(tài).在制作工藝上澆筑用自密實混凝土或自密實砂漿，其工作性能很重要，需要通過試驗加以確定.

2.1.1 外加劑于水泥的適應性試驗

本實驗采用江蘇磊達P.O 42.5水泥，實測砂子含水率2.8%.外加劑采用日照海景建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑和羧酸保塌劑母液，按照1:1配合，然后摻入消泡劑攪拌、再加入引氣劑，攪拌均勻.取水泥300g，清水87g，其中加入1.87g外加劑，在凈漿攪拌機中攪拌3分鐘即可，水泥凈漿的擴展度可以達到250mm及以上.由于水泥品種不同，成分有所不同，所以必須通過多次試配才能確定外加劑的用量.外加劑與水泥的適應性試驗參數(shù)見表1所示，試驗結(jié)果如圖1所示.自流平砂漿及自密實混凝土的情況如表2、3和圖2、3所示.

表1 外加劑復配表

表2 灌筑砂漿配比(kg)

表3 自密實混凝土配比(kg)

圖1 外加劑適應性試驗擴展度

圖2 自流平砂漿的擴展度 圖3 自密實混凝土擴展度

2.2 堆石混凝土的制作與強度測試

制備大流動性砂漿或自密實混凝土后用于灌筑堆石混凝土.采集的廢棄骨料如圖4所示，將表干狀態(tài)的廢棄骨料隨機碼入模板內(nèi)，為了防止漏漿，在模板內(nèi)側(cè)鋪敷塑料薄膜，注意不要人為擺放，以免影響實際工程中堆石的隨機骨架結(jié)構(gòu).

圖4 廢棄骨料 圖5 澆筑入模

2.2.1 廢固堆石混凝土基本力學性能測試

按照預定設計為C15的強度指標值，通過測試，得到的結(jié)果如表4所示，采用150×150×150mm3立方體試件、150×150×300mm3的棱柱體試件，粗骨料粒徑約50-80mm.廢固堆石混凝土28天的強度測試結(jié)果如表4、表5所示.

表4 廢固堆石混凝土立方體抗壓強測試結(jié)果

表5 廢固堆石混凝土棱柱體抗壓強測試結(jié)果

實驗結(jié)果表明，實驗結(jié)果有效，符合規(guī)范規(guī)定.同時從破形檢查的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，均屬于粘結(jié)破壞.

3 廢棄固體混凝土制作道路隔離墩的工程應用技術分析

廢棄固體自密實堆石混凝土安全隔離墩，可用于郊外的高等級高速公路和城鄉(xiāng)道路等，具有阻擋攔截和防止車輛翻越等功能.預制隔離墩方便更換，移開隔離墩后，寬闊的高速公路可作為臨時機場等.對于破損的隔離墩，可再行拆除重新制作以實現(xiàn)再利用，做到廢棄固體垃圾處理的良性循環(huán).

如前所述，水泥混凝土制品，不應停留在承載力、剛度和表面質(zhì)量等傳統(tǒng)性能要求方面，應該著眼于其功能的完善性設計.目前水泥隔離墩有如下四個主要問題：水泥隔離墩表現(xiàn)為實體墻面，十分死板；在冗長的路段上，形成凹形隧道窯的半封閉狀態(tài)(從駕駛員的座駕高度來觀察)，不通透且有壓抑感，傳達著強烈的阻擋信息；在城市與近郊聯(lián)系的部分道路，整體形象上表現(xiàn)力差，沒有城市主題呈現(xiàn)；在外部環(huán)境上沒有逐漸進入城市的引導作用，視覺傳達的信息不足.

除上述問題外，隔離墩體外設置的安全警示標志在空間設置上都需要專門的設備和材料，成本較高，且處在室外環(huán)境需要經(jīng)常維護或更換等.如果安裝方向處在隔離墩的寬度方向做成向外側(cè)伸展的樣式，駕駛員會下意識地躲開且保持一定的距離，影響道路有效使用寬度.如果做成間隔式的混凝土欄桿隔離帶，雖有較好的通透性和友好的駕駛環(huán)境，但夜間行車時會發(fā)生強弱不等的眩光，存在安全隱患，且生產(chǎn)制作麻煩，自身的強度和剛度都難以保證.

為了較好地解決上述問題，鑒于新型混凝土制品的市場需求，有針對性地在使用功能方面，以簡捷、新穎的產(chǎn)品形式，設計防眩光功能型混凝土隔離墩，尋求環(huán)境保護和產(chǎn)品功能的雙贏，其設計形式見圖6.

(1)原理圖 (2)產(chǎn)品圖

在現(xiàn)有隔離墩標準圖紙的設計基礎上，沿著設計形體的中間部分用三個直徑100mm的圓管分別與隔離墩縱向軸線成30度角、45度角、50度角相貫，旋轉(zhuǎn)中心位于縱軸中心，形成三個貫通孔，貫通孔的垂直位置錯開50mm，形成傾斜錯落的鏤空.

(1)靠右行車60度觀測試角 (2)靠右行車45度觀測視角

(3)靠右行車30度觀測視角 (4)靠左行車觀測視角鎖閉

圖7的1、2、3圖中分別表示30度、45度、60度的鏤空設計，這一組設計可以通過設計鏤空位置的間隔，展現(xiàn)通視效果.

圖8 每秒16幀畫質(zhì) 圖9 每秒24幀畫質(zhì)

圖10 每秒60幀(4K)畫質(zhì)

圖8、圖9、圖10分別表示每秒16幀、24幀、60幀畫面的清晰度.人大腦處理圖像信息的暫留時間是100毫秒到400毫秒，當畫面在15到24幀時，視覺感覺會是連續(xù)的，因此當行車速度分別為80公里、100公里、120公里時，可列出鏤空間隔的距離計算在表2中.

表2 車速、鏤空間隔距離與對應的畫面幀數(shù)

當駕駛員位于隔離墩右側(cè)行車時，在確保隔離墩鏤空間隔在1.4米左右和車速80公里/小時以上的條件下，不僅可以近似得到每秒16到24幀的連續(xù)畫面效果，而且三個不同鏤空角度展現(xiàn)不同鏤空狀態(tài)，當車速達到120公里/小時時，間隔1.4米的斜孔會形成一個連續(xù)的外景空間，即：速度越快，畫面連續(xù)性越好，畫面感覺越好.駕駛員在行車時，也就是回眸一瞥，不會關注具體的外景如何，只要隔離墩鏤空通透且有空間感，就會減輕駕駛疲勞，增強駕駛愉悅感.

當駕駛員位于沿隔離墩左側(cè)行車時，反向斜孔不再通透，夜間駕駛車輛時，可阻擋貨車大燈的強光干擾，防止出現(xiàn)眩光，避免產(chǎn)生視覺盲區(qū)，減少安全隱患，如圖4(4)所示.

圖9 隔離帶警示標志的布置

在部分隔離墩的鏤空孔內(nèi)測涂刷紅色和黃色光敏材料，當車燈照射到隔離墩墻面上時，可以獲得警示信號，確保安全行車.同時，由于警示提示隱藏在隔離墩體內(nèi)，不易損毀且方便維護，不需要電源及輔助光源，節(jié)能環(huán)保，有警示標志的隔離墩可以沿路段每隔15m-20m設置一處，以免出現(xiàn)視覺干擾，原理如前所述(圖9孔內(nèi)涂紅色的部分).

如上述，隔離墩設置鏤空斜孔不僅能避免夜間行車眩光影響，起到交通警示作用，另外比較密集的斜孔還具有消聲作用，減輕路燥.經(jīng)計算，三個鏤空斜孔體積約為0.012立方米，按照100公里長的路段考慮，中央隔離墩加兩排外側(cè)隔離墩，總計30萬延長米，與普通水泥混凝土隔離墩比較，可節(jié)省混凝土2400立方.同時采用城市廢棄固體材料制作大直徑骨料，應用自密實堆石混凝土技術，按照1.5米延米1立方混凝土量計算，30萬延長米總共可以節(jié)約3.6萬噸水泥，可處理城市固體垃圾12萬立方，經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著.圖10為江蘇明潤交通科技有限公司試制的新型隔離墩產(chǎn)品.

圖10 新型混凝土隔離墩及模板

4 結(jié) 語

城市廢棄固體垃圾應該在處理和應用兩個方面去進行考量，具有經(jīng)濟效益、社會效益的產(chǎn)品是處理廢固有效的解決方案，研究其工程應用具有重要的意義，且城市廢棄固體垃圾不限于廢棄混凝土.

試驗研究表明，采用常規(guī)的聚羧酸外加劑并進行合理的復配，可以制做出符合規(guī)范要求的廢固自密實堆石混凝土材料，用于制作諸如混凝土隔離墩之類的配件具有可行性，同時為廢固的處理提供了一個很好的方案.由于廢棄材料的來源具有十分復雜的背景，廢棄固體材料的應用不應局限于追求制作高性能混凝土，應該本著物盡其用的原則加以使用.同時，混凝土水泥制品的研究也不應局限于傳統(tǒng)構(gòu)配件的常規(guī)功能及用途，復制原有產(chǎn)品雖然可行，但還應不斷擴展產(chǎn)品的功能，有利于在更多的領域應用廢棄固體堆石混凝土材料，對于大量普通混凝土構(gòu)配件，應在優(yōu)化產(chǎn)品設計的前提下，實現(xiàn)功能先進、成本降低、保護環(huán)境的目的.