再生磚及加氣混凝土粒料作為L(zhǎng)ID 蓄水層材料的水理性研究

邢敏 崔自治 宋鑫

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

1 引言

低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）設(shè)施能夠儲(chǔ)存水分，并利用水分蒸發(fā)降低環(huán)境溫度［1-2］，降低的效果與面層材料特性［3］（反射率、發(fā)射率和孔隙率等材料性質(zhì)參數(shù)）和路面構(gòu)造［4-5］有關(guān)。LID 設(shè)施中含有的水越多，對(duì)環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)作用越明顯，同時(shí)持續(xù)的時(shí)間也更長(zhǎng)［6］。Starke 等［7］研究了底基層對(duì)水分蒸發(fā)速率的影響，發(fā)現(xiàn)透水路面含水量越多，表面溫度就越低。LID 設(shè)施對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用十分明顯。傳統(tǒng)LID 設(shè)施采用碎石作為蓄水層材料，但其保水性與蓄水性較弱且為不可再生資源。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，建筑固體廢棄物已占到城市垃圾總量的30%～40%［8］，其中磚占建筑廢棄物的20%～50%［9］。用再生磚粒料代替LID 蓄水層的傳統(tǒng)材料碎石，有利于資源再生利用，保護(hù)環(huán)境。

目前，大部分室外停車場(chǎng)的綠地、濕地功能不健全，綠化率低。車輛直接受陽(yáng)光照射，導(dǎo)致車內(nèi)溫度高、乘車舒適度低。再加上停車場(chǎng)多為水泥或?yàn)r青混凝土地面，透水、透氣性較差，不利于樹木生長(zhǎng)以及地面徑流的滯蓄。為改善停車環(huán)境，以再生磚粒料為骨架粒料，加氣混凝土粒料為填充料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)碎石作為L(zhǎng)ID 設(shè)施的蓄水層材料，探究其粒徑和級(jí)配對(duì)水理性的作用規(guī)律，以期提高LID 設(shè)施的蓄水性，進(jìn)而增強(qiáng)其對(duì)環(huán)境溫度和濕度的調(diào)節(jié)能力，為L(zhǎng)ID 停車場(chǎng)建設(shè)提供技術(shù)支撐。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

再生磚和加氣混凝土砌塊為銀川市西夏區(qū)風(fēng)華小區(qū)廢舊樓拆除的建筑固體廢棄物，剔除表面砂漿后烘干備用。測(cè)得再生磚表觀密度1 600.2 kg/m3，加氣混凝土砌塊表觀密度606.64 kg/m3。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

采用顎式破碎機(jī)將再生磚破碎成小塊，然后篩分為不同粒徑的粒料。再生磚粒料分選為2.0～5.0，5.0～10.0，10.0～20.0，20.0～31.5 mm 等4 個(gè)粒級(jí)，加氣混凝土粒料細(xì)分為0.30～0.60，0.60～1.18，1.18～2.26，2.26～4.75 mm 等4 個(gè)粒級(jí)。再將單粒料組合成級(jí)配粒料，其中，將加氣混凝土砌塊（GAC3）代替再生磚（GB1）中的5.0 mm 以下的細(xì)集料摻入GB1中，組成再生磚－加氣混凝土復(fù)合粒料，探究粒料粒徑和級(jí)配對(duì)水理性的影響。不同粒料級(jí)配見表1～3。

表1 磚粒料級(jí)配 %

表2 加氣混凝土粒料級(jí)配

表3 再生磚－加氣混凝土復(fù)合粒料級(jí)配

采用真空飽和法對(duì)粒料進(jìn)行吸水飽和后稱重，烘干后冷卻至室溫再稱重，計(jì)算吸水率。根據(jù)粒料蒸發(fā)的快慢來反映保水性能，蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)采用稱重法，初始階段每隔2 h 測(cè)量1 次質(zhì)量，隨時(shí)間的增加單位蒸發(fā)量減小，測(cè)量時(shí)間間隔增加，具體為2，4，8，12 h之后每12 h 測(cè)量1 次。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒料的物理特性

測(cè)得再生粒料的堆積密度見表4。

表4 粒料堆積密度

由表4 可得：（1）粒徑越小的單粒級(jí)粒料，其堆積密度越大，空隙率越小，但差異不大。對(duì)于級(jí)配粒料來說，細(xì)粒料占比越大，其堆積密度越大，空隙率越小。（2）復(fù)合粒料的堆積密度大于加氣混凝土粒料，級(jí)配粒料的堆積密度明顯大于單粒級(jí)粒料。因?yàn)椴煌＜?jí)的粒料混合，小粒徑粒料會(huì)填充大粒徑粒料空隙，使其級(jí)配改善，密度增大，空隙率減小。（3）粒料的粒徑對(duì)堆積密度的影響不明顯，而填充作用顯著。

3.2 粒料的吸水性

根據(jù)下式計(jì)算粒料的吸水率：

式中，ω 為吸水率，%；mb為飽和面干試樣質(zhì)量，g；m為烘干后試樣質(zhì)量，g。

再生磚粒料吸水率見圖1。

圖1 再生磚粒料吸水率

加氣混凝土粒料吸水率見圖2。

圖2 加氣混凝土粒料吸水率

再生磚-加氣混凝土復(fù)合粒料吸水率見圖3。

圖3 再生磚-加氣混凝土復(fù)合粒料吸水率

由圖1～3 可得：（1）B1 到B4 粒料的吸水率依次減小，AC1 到AC4 粒料的吸水率亦依次減小，可見單粒級(jí)粒料的吸水率隨著粒徑的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且粒徑的影響較明顯。這是由于材料在破碎的過程中會(huì)切割閉口孔隙變?yōu)殚_口孔隙，粒徑越小的粒料，其開口孔隙越多，吸水能力越強(qiáng)。（2）加氣混凝土粒料的吸水率最大達(dá)到77.1%，再生磚粒料的吸水率最大不足30.0%，可見加氣混凝土粒料的吸水率遠(yuǎn)大于再生磚粒料。加氣混凝土的孔隙率大，且孔隙直徑小，分布均勻，與大氣連通。此孔隙特征是加氣混凝土吸水能力強(qiáng)的根本原因。（3）級(jí)配粒料中GB1，GAC3 吸水率最大。GB1 中B1 摻量最多，GAC3中AC1 摻量最多。由此可見，級(jí)配粒料的吸水率受單粒級(jí)粒料摻量的影響較大，細(xì)粒料摻量越多，級(jí)配粒料的吸水性就越好。級(jí)配粒料的吸水率介于粒徑最大和最小粒料的吸水率之間，可通過改變單粒級(jí)粒料來調(diào)節(jié)級(jí)配吸水率。（4）再生磚－加氣混凝土復(fù)合粒料M2 的吸水率最大，與M1 相比，M2 中的細(xì)骨料占比最多，所以其吸水性能較好。復(fù)合粒料的吸水率明顯大于磚粒料的吸水率，在磚粒料中摻入加氣混凝土粒料能有效改善粒料的吸水性。

3.3 粒料的保水性

為了探究粒料的保水性，對(duì)粒料進(jìn)行蒸發(fā)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，粒料鋪設(shè)厚度均為10 cm。應(yīng)用下式計(jì)算蒸發(fā)率：

式中，ρ 為蒸發(fā)率，%；m1為粒料在蒸發(fā)過程中某一時(shí)刻的質(zhì)量，g。

單粒級(jí)再生磚粒料蒸發(fā)率見圖4。

圖4 單粒級(jí)再生磚粒料蒸發(fā)率

級(jí)配再生磚粒料蒸發(fā)率見圖5。

圖5 級(jí)配再生磚粒料蒸發(fā)率

單粒級(jí)加氣混凝土粒料蒸發(fā)率見圖6。

圖6 單粒級(jí)加氣混凝土粒料蒸發(fā)率

級(jí)配加氣混凝土粒料蒸發(fā)率見圖7。

再生磚-加氣混凝土復(fù)合粒料蒸發(fā)率見圖8。

由圖4～8 可得粒料的蒸發(fā)性有如下規(guī)律：（1）粒料的蒸發(fā)率曲線在蒸發(fā)前期較陡，后期逐漸平緩，可知粒料在前期蒸發(fā)速度較快，后期蒸發(fā)速度變慢。粒徑對(duì)單粒級(jí)粒料的影響較明顯，單粒級(jí)粒料的蒸發(fā)率隨粒徑的減小而增大，粒徑越小的粒料其前期蒸發(fā)曲線斜率越小，達(dá)到蒸發(fā)穩(wěn)定所用的時(shí)間越長(zhǎng)。粒徑對(duì)于級(jí)配粒料影響不大。級(jí)配粒料的前期曲線斜率處于單粒級(jí)最大粒徑與最小粒徑曲線之間，可知其蒸發(fā)率處于最大單粒級(jí)粒料和最小單粒級(jí)粒料之間。（2）單粒級(jí)加氣混凝土粒料的蒸發(fā)率大于單粒級(jí)再生磚粒料，級(jí)配加氣混凝土粒料蒸發(fā)率大于級(jí)配再生磚粒料。磚粒料在96 h 之后蒸發(fā)明顯緩慢，加氣混凝土粒料在192 h 之后蒸發(fā)緩慢，可見加氣混凝土粒料保水性較好。（3）對(duì)于級(jí)配粒料來說，細(xì)粒料的占比越大蒸發(fā)越慢。單粒級(jí)再生磚粒料B1 保水性最好，級(jí)配再生磚粒料GB1 中B1 的占比最多，其相對(duì)蒸發(fā)率與其他兩級(jí)配相比最大，說明摻入B1 粒料提高了磚粒料的保水性能，同理?yè)饺階C1 提高了GAC3 的保水性。（4）再生磚－加氣混凝土復(fù)合粒料的蒸發(fā)曲線在前期與B1 差別不大，后期總蒸發(fā)率大于B1，且達(dá)到蒸發(fā)穩(wěn)定的時(shí)間增加了，并且AC1 摻入越多，蒸發(fā)率越大，保水性越好。

4 結(jié)論

（1）單粒級(jí)粒料的堆積密度隨粒徑的減小而增大，級(jí)配粒料的堆積密度大于單粒級(jí)粒料的堆積密度。粒料的粒徑對(duì)堆積密度的影響不明顯，而填充作用顯著。

（2）單粒級(jí)粒料的吸水率隨著粒徑的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且粒徑的影響較明顯，可通過改變單粒級(jí)粒料來調(diào)節(jié)級(jí)配吸水率。加氣混凝土粒料的吸水率遠(yuǎn)大于再生磚粒料的吸水率，在再生磚粒料中摻入加氣混凝土粒料能有效改善粒料的吸水性。

（3）粒料的蒸發(fā)率隨著時(shí)間的流逝逐漸減小，單粒級(jí)粒料的蒸發(fā)率隨著粒徑的減小而增大。加氣混凝土粒料達(dá)到蒸發(fā)穩(wěn)定時(shí)間多于磚粒料；級(jí)配粒料中的細(xì)粒料的占比越大其蒸發(fā)量越大，達(dá)到蒸發(fā)穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境的降溫、調(diào)濕作用越明顯；用加氣混凝土粒料代替級(jí)配磚中細(xì)粒料，將明顯提高再生磚粒料的保水性。