再生砖及加气混凝土粒料作为LID 蓄水层材料的水理性研究

邢敏 崔自治 宋鑫

（宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021）

1 引言

低影响开发（Low Impact Development，LID）设施能够储存水分，并利用水分蒸发降低环境温度［1-2］，降低的效果与面层材料特性［3］（反射率、发射率和孔隙率等材料性质参数）和路面构造［4-5］有关。LID 设施中含有的水越多，对环境温度的调节作用越明显，同时持续的时间也更长［6］。Starke 等［7］研究了底基层对水分蒸发速率的影响，发现透水路面含水量越多，表面温度就越低。LID 设施对环境的调节作用十分明显。传统LID 设施采用碎石作为蓄水层材料，但其保水性与蓄水性较弱且为不可再生资源。随着我国城镇化建设的推进，建筑固体废弃物已占到城市垃圾总量的30%～40%［8］，其中砖占建筑废弃物的20%～50%［9］。用再生砖粒料代替LID 蓄水层的传统材料碎石，有利于资源再生利用，保护环境。

目前，大部分室外停车场的绿地、湿地功能不健全，绿化率低。车辆直接受阳光照射，导致车内温度高、乘车舒适度低。再加上停车场多为水泥或沥青混凝土地面，透水、透气性较差，不利于树木生长以及地面径流的滞蓄。为改善停车环境，以再生砖粒料为骨架粒料，加气混凝土粒料为填充料，代替传统碎石作为LID 设施的蓄水层材料，探究其粒径和级配对水理性的作用规律，以期提高LID 设施的蓄水性，进而增强其对环境温度和湿度的调节能力，为LID 停车场建设提供技术支撑。

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

再生砖和加气混凝土砌块为银川市西夏区风华小区废旧楼拆除的建筑固体废弃物，剔除表面砂浆后烘干备用。测得再生砖表观密度1 600.2 kg/m3，加气混凝土砌块表观密度606.64 kg/m3。

2.2 实验方案

采用颚式破碎机将再生砖破碎成小块，然后筛分为不同粒径的粒料。再生砖粒料分选为2.0～5.0，5.0～10.0，10.0～20.0，20.0～31.5 mm 等4 个粒级，加气混凝土粒料细分为0.30～0.60，0.60～1.18，1.18～2.26，2.26～4.75 mm 等4 个粒级。再将单粒料组合成级配粒料，其中，将加气混凝土砌块（GAC3）代替再生砖（GB1）中的5.0 mm 以下的细集料掺入GB1中，组成再生砖－加气混凝土复合粒料，探究粒料粒径和级配对水理性的影响。不同粒料级配见表1～3。

表1 砖粒料级配 %

表2 加气混凝土粒料级配

表3 再生砖－加气混凝土复合粒料级配

采用真空饱和法对粒料进行吸水饱和后称重，烘干后冷却至室温再称重，计算吸水率。根据粒料蒸发的快慢来反映保水性能，蒸发实验采用称重法，初始阶段每隔2 h 测量1 次质量，随时间的增加单位蒸发量减小，测量时间间隔增加，具体为2，4，8，12 h之后每12 h 测量1 次。

3 结果与分析

3.1 粒料的物理特性

测得再生粒料的堆积密度见表4。

表4 粒料堆积密度

由表4 可得：（1）粒径越小的单粒级粒料，其堆积密度越大，空隙率越小，但差异不大。对于级配粒料来说，细粒料占比越大，其堆积密度越大，空隙率越小。（2）复合粒料的堆积密度大于加气混凝土粒料，级配粒料的堆积密度明显大于单粒级粒料。因为不同粒级的粒料混合，小粒径粒料会填充大粒径粒料空隙，使其级配改善，密度增大，空隙率减小。（3）粒料的粒径对堆积密度的影响不明显，而填充作用显著。

3.2 粒料的吸水性

根据下式计算粒料的吸水率：

式中，ω 为吸水率，%；mb为饱和面干试样质量，g；m为烘干后试样质量，g。

再生砖粒料吸水率见图1。

图1 再生砖粒料吸水率

加气混凝土粒料吸水率见图2。

图2 加气混凝土粒料吸水率

再生砖-加气混凝土复合粒料吸水率见图3。

图3 再生砖-加气混凝土复合粒料吸水率

由图1～3 可得：（1）B1 到B4 粒料的吸水率依次减小，AC1 到AC4 粒料的吸水率亦依次减小，可见单粒级粒料的吸水率随着粒径的增大呈现下降趋势，且粒径的影响较明显。这是由于材料在破碎的过程中会切割闭口孔隙变为开口孔隙，粒径越小的粒料，其开口孔隙越多，吸水能力越强。（2）加气混凝土粒料的吸水率最大达到77.1%，再生砖粒料的吸水率最大不足30.0%，可见加气混凝土粒料的吸水率远大于再生砖粒料。加气混凝土的孔隙率大，且孔隙直径小，分布均匀，与大气连通。此孔隙特征是加气混凝土吸水能力强的根本原因。（3）级配粒料中GB1，GAC3 吸水率最大。GB1 中B1 掺量最多，GAC3中AC1 掺量最多。由此可见，级配粒料的吸水率受单粒级粒料掺量的影响较大，细粒料掺量越多，级配粒料的吸水性就越好。级配粒料的吸水率介于粒径最大和最小粒料的吸水率之间，可通过改变单粒级粒料来调节级配吸水率。（4）再生砖－加气混凝土复合粒料M2 的吸水率最大，与M1 相比，M2 中的细骨料占比最多，所以其吸水性能较好。复合粒料的吸水率明显大于砖粒料的吸水率，在砖粒料中掺入加气混凝土粒料能有效改善粒料的吸水性。

3.3 粒料的保水性

为了探究粒料的保水性，对粒料进行蒸发量的实验测定，粒料铺设厚度均为10 cm。应用下式计算蒸发率：

式中，ρ 为蒸发率，%；m1为粒料在蒸发过程中某一时刻的质量，g。

单粒级再生砖粒料蒸发率见图4。

图4 单粒级再生砖粒料蒸发率

级配再生砖粒料蒸发率见图5。

图5 级配再生砖粒料蒸发率

单粒级加气混凝土粒料蒸发率见图6。

图6 单粒级加气混凝土粒料蒸发率

级配加气混凝土粒料蒸发率见图7。

再生砖-加气混凝土复合粒料蒸发率见图8。

由图4～8 可得粒料的蒸发性有如下规律：（1）粒料的蒸发率曲线在蒸发前期较陡，后期逐渐平缓，可知粒料在前期蒸发速度较快，后期蒸发速度变慢。粒径对单粒级粒料的影响较明显，单粒级粒料的蒸发率随粒径的减小而增大，粒径越小的粒料其前期蒸发曲线斜率越小，达到蒸发稳定所用的时间越长。粒径对于级配粒料影响不大。级配粒料的前期曲线斜率处于单粒级最大粒径与最小粒径曲线之间，可知其蒸发率处于最大单粒级粒料和最小单粒级粒料之间。（2）单粒级加气混凝土粒料的蒸发率大于单粒级再生砖粒料，级配加气混凝土粒料蒸发率大于级配再生砖粒料。砖粒料在96 h 之后蒸发明显缓慢，加气混凝土粒料在192 h 之后蒸发缓慢，可见加气混凝土粒料保水性较好。（3）对于级配粒料来说，细粒料的占比越大蒸发越慢。单粒级再生砖粒料B1 保水性最好，级配再生砖粒料GB1 中B1 的占比最多，其相对蒸发率与其他两级配相比最大，说明掺入B1 粒料提高了砖粒料的保水性能，同理掺入AC1 提高了GAC3 的保水性。（4）再生砖－加气混凝土复合粒料的蒸发曲线在前期与B1 差别不大，后期总蒸发率大于B1，且达到蒸发稳定的时间增加了，并且AC1 掺入越多，蒸发率越大，保水性越好。

4 结论

（1）单粒级粒料的堆积密度随粒径的减小而增大，级配粒料的堆积密度大于单粒级粒料的堆积密度。粒料的粒径对堆积密度的影响不明显，而填充作用显著。

（2）单粒级粒料的吸水率随着粒径的增大呈现下降趋势，且粒径的影响较明显，可通过改变单粒级粒料来调节级配吸水率。加气混凝土粒料的吸水率远大于再生砖粒料的吸水率，在再生砖粒料中掺入加气混凝土粒料能有效改善粒料的吸水性。

（3）粒料的蒸发率随着时间的流逝逐渐减小，单粒级粒料的蒸发率随着粒径的减小而增大。加气混凝土粒料达到蒸发稳定时间多于砖粒料；级配粒料中的细粒料的占比越大其蒸发量越大，达到蒸发稳定的时间越长，对环境的降温、调湿作用越明显；用加气混凝土粒料代替级配砖中细粒料，将明显提高再生砖粒料的保水性。