一種榫卯結構混合纖維再生混凝土透水磚研究

干唯健 雷 豪 孫 明

湖南科技學院土木與環境工程學院

1 引言

高速的城市化進程讓城區地面被吸熱率高、透水率低的瀝青、混凝土等硬質材料所覆蓋，由此引發城市內澇、熱島效應等一系列環境問題，如何將雨水就地利用和消納，建設綠色生態的海綿城市成為當前城市市政建設的熱點。透水磚就是建設海綿城市必不可少的一種路面鋪裝材料。

2 研究背景

透水磚按制造材料不同可以分為陶瓷透水磚、混凝土透水磚、石材透水磚、砂基透水磚和鋼渣透水磚等種類[1]，由于透水磚可以將工業界產生的固體廢棄物、建筑垃圾等原料廢物利用[2]，滿足了國家對建筑材料綠色低碳、節能環保的需求，成為再生建材的首選發展方向。其中陶瓷透水磚以工業廢料為主要材料，再生混凝土透水磚以建筑垃圾為主要材料。再生混凝土相對陶瓷透水磚和普通透水磚而言，保水性能好，吸水性能差，滲透性能差；陶瓷透水磚保水性能相對較差，吸水性能一般，滲透性能好[3]。伴隨著城市發展，混凝土建筑物與構筑物拆舊建新成為常態，為了將建筑垃圾有效地重復利用，根據透水原理改進再生混凝土透水磚勢在必行。

透水磚按透水原理可以分為兩種，一種是通過構成材料自身的孔隙結構實現滲透功能的普通透水磚，另一種是不依靠材料，通過磚體結構將水流導入基層的構造透水磚[4]。由于透水磚是在露天環境使用，普通透水磚孔隙率小則容易被灰塵、泥土堵塞，孔隙率大則會導致骨料之間連接不緊密，強度低、耐久性差[5]，構造透水磚相對普通透水磚具有不易堵塞、下滲速度快、吸聲降噪等優點，制作難度更大，成本更高。

同時，由于雨水對基層的沖刷及施工技術問題，使得透水磚下部容易產生凹坑，進而導致相鄰的透水磚之間連接不夠緊密，鋪裝路面整體也不平整，在雨季，雨水會聚集在磚下凹坑中，一旦受到踩踏或其他外力作用，就會飛濺而出，影響行人。

考慮到透水磚使用中遇到的各種問題，可以考慮以混合纖維再生混凝土為材料，參考傳統榫卯結構，研制一種榫卯結構混合纖維再生混凝土透水磚。

3 材料選擇

廢棄混凝土破碎后得到的再生骨料棱角過多、針狀物所占比例過大，從而導致再生混凝土強度低，所以可以對再生骨料進行酸化處理。清除廢棄混凝土中的鋼筋、雜物后，將再生骨料破碎后放置于1%的醋酸中浸泡12h，再次進行粉碎和篩分，使再生骨料表面包裹的水泥砂漿基本脫落，性能與天然骨料接近，提升透水磚的抗壓強度。

然后再加入低彈性模量的聚丙烯復合竹纖維和高彈性模量的普通鋼纖維，以鋼纖維抑制裂縫的擴展，提升材料的抗拉強度和韌性，以聚丙烯復合竹纖維抑制微裂縫產生與擴展，二者形成合理搭配，在不同尺度阻礙裂縫發育，最終提升再生混凝土制成的透水磚強度和耐久性。

4 造型設計

將透水磚設計為榫卯結構，包括磚的主體和榫頭，主體為長方體形結構，榫頭為十字塊狀結構，榫頭凸起的設置在磚體主體的前端面上，且榫頭與磚體主體一體成型，如圖1所示。榫頭的十字塊狀結構的橫塊寬度、豎塊寬度與主體的前端面寬度、高度相等；主體的后端面上設有用于與榫頭相卯合的十字槽體卯眼，卯眼向主體的內部凹陷。

透水磚之間可通過相鄰的榫頭和卯眼進行拼接，榫卯結構能夠提升相鄰透水磚之間的貼合強度，既保證磚體穩定結合，又能夠使鋪裝后的路面達到迅速透水，具備透水效果好，結構穩定的特性，從而解決透水磚因為松動而導致的一系列問題。

圖1 透水磚形狀

透水磚側面設置了長方體形的連接凸塊，連接凸塊與主體一體成型；同時在另一側面相對位置設有用于與所述連接凸塊相卯合的矩形槽體，矩形槽體向主體的內部凹陷。這樣可以使左右相鄰的兩塊磚體主體之間能夠更貼合、不松動。由于連接凸塊設置在中部，能夠起到參照物的效果，使用時便于將透水磚進行切割使用，從而不會影響到道路四周的透水和穩定效果，十分便捷。

當這一榫卯結構透水磚鋪設至路面邊緣處時，如圖2所示，以連接凸塊和矩形槽體的連線為界，將本榫卯結構透水磚切斷使用，即磚塊的榫頭部分或另一端的矩形槽體部分平切，使透水磚的外側面為平面，與路面邊緣貼合。多個排水通孔以矩陣式排列形式縱向的貫穿于主體的中，能夠快速的排水。

圖2 透水磚拼接示意

5 結束語

相比普通的再生混凝土透水磚，混合纖維再生混凝土透水磚通過加入鋼纖維和聚丙烯復合竹纖維提升磚體抗拉強度和耐久性，通過將再生骨料進行酸化處理，提升磚體的抗壓強度。相比傳統的長方體透水磚，用榫卯結構原理制作透水磚，施工鋪裝工序簡單，提高了施工效率，并且相鄰透水磚之間的貼合強度增加，既保證了磚體穩定，又能夠使鋪裝后的路面達到迅速透水，具有透水效果好，結構穩定的特性，在雨水滲入地基后，磚體依然能夠穩定保持與地面貼合，避免了磚體下部被雨水侵蝕形成的凹坑而使透水磚在被踩踏時會發生翹起的現象，同時也避免了雨水聚集在凹坑中，人們踩踏上去之后雨水四處飛濺的問題，保證了人行道交通順暢。

再生混凝土透水磚是建筑垃圾回收再利用的一個重要應用領域，既可以消耗大量廢棄混凝土，減少自然資源的消耗，又能夠有力地支持海綿城市的建設，是消除城市內澇，減輕熱島效應的重要建筑材料。尤其在《中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見》發布后，“綠水青山就是金山銀山”理念深入人心，綠色發展、循環發展、低碳發展已成為建設生態文明的必經途徑，將建筑垃圾資源化利用，發展再制造和再生利用產品，是完善再生資源回收體系，構建覆蓋全社會的資源循環利用體系的一個關鍵環節。所以有必要繼續對再生混凝土透水磚進行深入研究，提升透水磚技術性能和實用性，降低生產成本，使其擁有更強的市場競爭力。