再生磚及加氣混凝土粒料作為LID 蓄水層材料的水理性研究

邢敏 崔自治 宋鑫

（寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021）

1 引言

低影響開發（Low Impact Development，LID）設施能夠儲存水分，并利用水分蒸發降低環境溫度［1-2］，降低的效果與面層材料特性［3］（反射率、發射率和孔隙率等材料性質參數）和路面構造［4-5］有關。LID 設施中含有的水越多，對環境溫度的調節作用越明顯，同時持續的時間也更長［6］。Starke 等［7］研究了底基層對水分蒸發速率的影響，發現透水路面含水量越多，表面溫度就越低。LID 設施對環境的調節作用十分明顯。傳統LID 設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。隨著我國城鎮化建設的推進，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 蓄水層的傳統材料碎石，有利于資源再生利用，保護環境。

目前，大部分室外停車場的綠地、濕地功能不健全，綠化率低。車輛直接受陽光照射，導致車內溫度高、乘車舒適度低。再加上停車場多為水泥或瀝青混凝土地面，透水、透氣性較差，不利于樹木生長以及地面徑流的滯蓄。為改善停車環境，以再生磚粒料為骨架粒料，加氣混凝土粒料為填充料，代替傳統碎石作為LID 設施的蓄水層材料，探究其粒徑和級配對水理性的作用規律，以期提高LID 設施的蓄水性，進而增強其對環境溫度和濕度的調節能力，為LID 停車場建設提供技術支撐。

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料

再生磚和加氣混凝土砌塊為銀川市西夏區風華小區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 實驗方案

采用顎式破碎機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 個粒級，加氣混凝土粒料細分為0.30～0.60，0.60～1.18，1.18～2.26，2.26～4.75 mm 等4 個粒級。再將單粒料組合成級配粒料，其中，將加氣混凝土砌塊（GAC3）代替再生磚（GB1）中的5.0 mm 以下的細集料摻入GB1中，組成再生磚－加氣混凝土復合粒料，探究粒料粒徑和級配對水理性的影響。不同粒料級配見表1～3。

表1 磚粒料級配 %

表2 加氣混凝土粒料級配

表3 再生磚－加氣混凝土復合粒料級配

采用真空飽和法對粒料進行吸水飽和后稱重，烘干后冷卻至室溫再稱重，計算吸水率。根據粒料蒸發的快慢來反映保水性能，蒸發實驗采用稱重法，初始階段每隔2 h 測量1 次質量，隨時間的增加單位蒸發量減小，測量時間間隔增加，具體為2，4，8，12 h之后每12 h 測量1 次。

3 結果與分析

3.1 粒料的物理特性

測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）粒徑越小的單粒級粒料，其堆積密度越大，空隙率越小，但差異不大。對于級配粒料來說，細粒料占比越大，其堆積密度越大，空隙率越小。（2）復合粒料的堆積密度大于加氣混凝土粒料，級配粒料的堆積密度明顯大于單粒級粒料。因為不同粒級的粒料混合，小粒徑粒料會填充大粒徑粒料空隙，使其級配改善，密度增大，空隙率減小。（3）粒料的粒徑對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

根據下式計算粒料的吸水率：

式中，ω 為吸水率，%；mb為飽和面干試樣質量，g；m為烘干后試樣質量，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-加氣混凝土復合粒料吸水率見圖3。

圖3 再生磚-加氣混凝土復合粒料吸水率

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，可見單粒級粒料的吸水率隨著粒徑的增大呈現下降趨勢，且粒徑的影響較明顯。這是由于材料在破碎的過程中會切割閉口孔隙變為開口孔隙，粒徑越小的粒料，其開口孔隙越多，吸水能力越強。（2）加氣混凝土粒料的吸水率最大達到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的根本原因。（3）級配粒料中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，級配粒料的吸水率受單粒級粒料摻量的影響較大，細粒料摻量越多，級配粒料的吸水性就越好。級配粒料的吸水率介于粒徑最大和最小粒料的吸水率之間，可通過改變單粒級粒料來調節級配吸水率。（4）再生磚－加氣混凝土復合粒料M2 的吸水率最大，與M1 相比，M2 中的細骨料占比最多，所以其吸水性能較好。復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，對粒料進行蒸發量的實驗測定，粒料鋪設厚度均為10 cm。應用下式計算蒸發率：

式中，ρ 為蒸發率，%；m1為粒料在蒸發過程中某一時刻的質量，g。

單粒級再生磚粒料蒸發率見圖4。

圖4 單粒級再生磚粒料蒸發率

級配再生磚粒料蒸發率見圖5。

圖5 級配再生磚粒料蒸發率

單粒級加氣混凝土粒料蒸發率見圖6。

圖6 單粒級加氣混凝土粒料蒸發率

級配加氣混凝土粒料蒸發率見圖7。

再生磚-加氣混凝土復合粒料蒸發率見圖8。

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

4 結論

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

（2）單粒級粒料的吸水率隨著粒徑的增大呈現下降趨勢，且粒徑的影響較明顯，可通過改變單粒級粒料來調節級配吸水率。加氣混凝土粒料的吸水率遠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）粒料的蒸發率隨著時間的流逝逐漸減小，單粒級粒料的蒸發率隨著粒徑的減小而增大。加氣混凝土粒料達到蒸發穩定時間多于磚粒料；級配粒料中的細粒料的占比越大其蒸發量越大，達到蒸發穩定的時間越長，對環境的降溫、調濕作用越明顯；用加氣混凝土粒料代替級配磚中細粒料，將明顯提高再生磚粒料的保水性。