一种榫卯结构混合纤维再生混凝土透水砖研究

干唯健 雷 豪 孙 明

湖南科技学院土木与环境工程学院

1 引言

高速的城市化进程让城区地面被吸热率高、透水率低的沥青、混凝土等硬质材料所覆盖，由此引发城市内涝、热岛效应等一系列环境问题，如何将雨水就地利用和消纳，建设绿色生态的海绵城市成为当前城市市政建设的热点。透水砖就是建设海绵城市必不可少的一种路面铺装材料。

2 研究背景

透水砖按制造材料不同可以分为陶瓷透水砖、混凝土透水砖、石材透水砖、砂基透水砖和钢渣透水砖等种类[1]，由于透水砖可以将工业界产生的固体废弃物、建筑垃圾等原料废物利用[2]，满足了国家对建筑材料绿色低碳、节能环保的需求，成为再生建材的首选发展方向。其中陶瓷透水砖以工业废料为主要材料，再生混凝土透水砖以建筑垃圾为主要材料。再生混凝土相对陶瓷透水砖和普通透水砖而言，保水性能好，吸水性能差，渗透性能差；陶瓷透水砖保水性能相对较差，吸水性能一般，渗透性能好[3]。伴随着城市发展，混凝土建筑物与构筑物拆旧建新成为常态，为了将建筑垃圾有效地重复利用，根据透水原理改进再生混凝土透水砖势在必行。

透水砖按透水原理可以分为两种，一种是通过构成材料自身的孔隙结构实现渗透功能的普通透水砖，另一种是不依靠材料，通过砖体结构将水流导入基层的构造透水砖[4]。由于透水砖是在露天环境使用，普通透水砖孔隙率小则容易被灰尘、泥土堵塞，孔隙率大则会导致骨料之间连接不紧密，强度低、耐久性差[5]，构造透水砖相对普通透水砖具有不易堵塞、下渗速度快、吸声降噪等优点，制作难度更大，成本更高。

同时，由于雨水对基层的冲刷及施工技术问题，使得透水砖下部容易产生凹坑，进而导致相邻的透水砖之间连接不够紧密，铺装路面整体也不平整，在雨季，雨水会聚集在砖下凹坑中，一旦受到踩踏或其他外力作用，就会飞溅而出，影响行人。

考虑到透水砖使用中遇到的各种问题，可以考虑以混合纤维再生混凝土为材料，参考传统榫卯结构，研制一种榫卯结构混合纤维再生混凝土透水砖。

3 材料选择

废弃混凝土破碎后得到的再生骨料棱角过多、针状物所占比例过大，从而导致再生混凝土强度低，所以可以对再生骨料进行酸化处理。清除废弃混凝土中的钢筋、杂物后，将再生骨料破碎后放置于1%的醋酸中浸泡12h，再次进行粉碎和筛分，使再生骨料表面包裹的水泥砂浆基本脱落，性能与天然骨料接近，提升透水砖的抗压强度。

然后再加入低弹性模量的聚丙烯复合竹纤维和高弹性模量的普通钢纤维，以钢纤维抑制裂缝的扩展，提升材料的抗拉强度和韧性，以聚丙烯复合竹纤维抑制微裂缝产生与扩展，二者形成合理搭配，在不同尺度阻碍裂缝发育，最终提升再生混凝土制成的透水砖强度和耐久性。

4 造型设计

将透水砖设计为榫卯结构，包括砖的主体和榫头，主体为长方体形结构，榫头为十字块状结构，榫头凸起的设置在砖体主体的前端面上，且榫头与砖体主体一体成型，如图1所示。榫头的十字块状结构的横块宽度、竖块宽度与主体的前端面宽度、高度相等；主体的后端面上设有用于与榫头相卯合的十字槽体卯眼，卯眼向主体的内部凹陷。

透水砖之间可通过相邻的榫头和卯眼进行拼接，榫卯结构能够提升相邻透水砖之间的贴合强度，既保证砖体稳定结合，又能够使铺装后的路面达到迅速透水，具备透水效果好，结构稳定的特性，从而解决透水砖因为松动而导致的一系列问题。

图1 透水砖形状

透水砖侧面设置了长方体形的连接凸块，连接凸块与主体一体成型；同时在另一侧面相对位置设有用于与所述连接凸块相卯合的矩形槽体，矩形槽体向主体的内部凹陷。这样可以使左右相邻的两块砖体主体之间能够更贴合、不松动。由于连接凸块设置在中部，能够起到参照物的效果，使用时便于将透水砖进行切割使用，从而不会影响到道路四周的透水和稳定效果，十分便捷。

当这一榫卯结构透水砖铺设至路面边缘处时，如图2所示，以连接凸块和矩形槽体的连线为界，将本榫卯结构透水砖切断使用，即砖块的榫头部分或另一端的矩形槽体部分平切，使透水砖的外侧面为平面，与路面边缘贴合。多个排水通孔以矩阵式排列形式纵向的贯穿于主体的中，能够快速的排水。

图2 透水砖拼接示意

5 结束语

相比普通的再生混凝土透水砖，混合纤维再生混凝土透水砖通过加入钢纤维和聚丙烯复合竹纤维提升砖体抗拉强度和耐久性，通过将再生骨料进行酸化处理，提升砖体的抗压强度。相比传统的长方体透水砖，用榫卯结构原理制作透水砖，施工铺装工序简单，提高了施工效率，并且相邻透水砖之间的贴合强度增加，既保证了砖体稳定，又能够使铺装后的路面达到迅速透水，具有透水效果好，结构稳定的特性，在雨水渗入地基后，砖体依然能够稳定保持与地面贴合，避免了砖体下部被雨水侵蚀形成的凹坑而使透水砖在被踩踏时会发生翘起的现象，同时也避免了雨水聚集在凹坑中，人们踩踏上去之后雨水四处飞溅的问题，保证了人行道交通顺畅。

再生混凝土透水砖是建筑垃圾回收再利用的一个重要应用领域，既可以消耗大量废弃混凝土，减少自然资源的消耗，又能够有力地支持海绵城市的建设，是消除城市内涝，减轻热岛效应的重要建筑材料。尤其在《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》发布后，“绿水青山就是金山银山”理念深入人心，绿色发展、循环发展、低碳发展已成为建设生态文明的必经途径，将建筑垃圾资源化利用，发展再制造和再生利用产品，是完善再生资源回收体系，构建覆盖全社会的资源循环利用体系的一个关键环节。所以有必要继续对再生混凝土透水砖进行深入研究，提升透水砖技术性能和实用性，降低生产成本，使其拥有更强的市场竞争力。