CN115417621A - 一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法及透水砖的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体废物资源化利用技术领域，具体涉及一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法及透水砖的应用，通过废橡胶和建筑垃圾制作成透水砖，将所制作的透水砖应用在海绵城市的建设和改造过程中的路面透水铺装结构中，实现了废橡胶和建筑垃圾“资源化”，减小了废橡胶和建筑垃圾堆填问题；同时，也节约了天然材料，保护了生态环境。另外，采用本发明的透水砖解决海绵城市“渗、蓄、滞、净、用、排”中“渗”的重要问题，加快雨水渗透，避免市政排水超载，从而降低市区内涝灾害发生的概率，提高使用舒适性。透水砖中掺入的橡胶条在建筑垃圾颗粒之间起到了耗能单元和“加筋”的作用，有利于减轻透水砖的脆性破坏，提高其抵抗弯拉破坏的能力。
Description
技术领域
本发明涉及固体废物资源化利用技术领域，具体涉及一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法及透水砖的应用。
背景技术
城市基础设施建设、维修、拆除过程中会产生大量建筑垃圾(包括混凝土块、废砖及渣土等)。据估算，每新建1万m2建筑，将产生建筑垃圾500～600吨；而每拆除1万m2旧建筑，将产生建筑垃圾7000～12000吨。堆放的建筑垃圾不仅造成了严重的环境污染问题，同时还给城市带来了极其严重的安全威胁。因此，如何处理和利用越来越多的建筑垃圾，已经成为一个亟待解决的重要问题。
另一方面，废轮胎属于热固性聚合物材料，具有高强度、耐磨、稳定和耐老化的特点，造成了废弃后的轮胎在自然条件下很难降解的问题。如果将废橡胶直接堆放填埋，不仅占用土地，污染环境，还存在火灾隐患。
与此同时，我国目前正在进行大规模海绵城市建设。海绵城市能够像一块海绵一样，将雨水吸收储存，对其循环利用，并降低初期大流量雨水径流的影响。海绵城市建设将传统的“快排”模式转变为“渗、蓄、滞、净、用、排”的有机结合，最大程度上减少城镇化发展建设给原自然水文特征和水生态环境带来的负面影响。道路路面的透水性将对雨水的渗透、滞留、储蓄和净化起到重要作用，其中透水砖的研究和应用不断增多。目前，主流的透水砖主要有5种类型，包括普通水泥砖、环氧树脂透水砖、混凝土透水砖、砂基透水砖和陶瓷透水砖。虽然各类透水砖都能够发挥较好的透水性，但由于其材料工艺各不相同，因此它们在使用过程中还存在一些问题：普通水泥砖的抗压性较差；混凝土透水砖造价低，但因其骨料间空隙较大，存在易被堵塞问题，其渗透能力在使用2年后就显著降低；砂基透水砖则需要天然砂料，天然砂料属于自然资源，河砂和海砂的开采破坏生态环境，采购成本极高；陶瓷透水砖则需要高温成型且抗冻性能较差。因此有必要开展关于环氧树脂透水砖的制备及应用研究。
综合考虑以上情况，如果将废橡胶和建筑垃圾破碎成颗粒制作成透水砖，不仅实现了废橡胶和建筑垃圾“资源化”，减小了建筑垃圾对环境的污染，同时还解决了海绵城市建设中至关重要的关于“渗”的问题，具有显著的环境效益、社会效益和经济效益。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法及透水砖的应用，尤其是利用废橡胶条和建筑垃圾颗粒制作成透水砖，采用该建筑垃圾进行路面铺装不仅解决了建筑垃圾大量堆放带来的环境污染问题，实现了建筑垃圾“资源化”，同时还解决了海绵城市建设中路面积水的问题，具有显著的环境效益和经济效益。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法，包括以下方法：
收集废橡胶和建筑垃圾；
将废橡胶制成橡胶条，建筑垃圾制成建筑垃圾颗粒；
将收集的废橡胶和建筑垃圾制成橡胶条和建筑垃圾颗粒后，需分别进行清洗晾干；
准备胶黏剂，将准备好的胶黏剂放入搅拌容器中，然后将橡胶条和建筑垃圾颗粒加入搅拌容器中充分搅拌，形成透水砖的混合物原料；
将搅拌好的混合物原料装入透水砖的模具中，捣实振动成型并进行密封处理；
然后将带有模具的透水砖放置在室内，每间隔不低于30分钟进行翻转一次，共翻转多次，并在室温下至少放置1天以上，进行脱去模具，最后将脱去模具的透水砖继续放置在室内晾干；
最终得到利用废橡胶与建筑垃圾制备的透水砖。
透水砖中掺入的橡胶条在建筑垃圾颗粒之间起到了耗能单元和“加筋”的作用，有利于减轻透水砖的脆性破坏，使透水砖具有一定的塑性破坏特征，提高其抵抗弯拉破坏的能力。
进一步地，所述的橡胶条、胶黏剂及建筑垃圾颗粒的加入质量比例为1:9:90。
进一步地，所述的胶黏剂为双组份环氧树脂，双组份环氧树脂由A组分与B组分组成， A组分与B组分的质量比为100:30，准备胶黏剂时，需分别按比例将A组分与B组分加入搅拌容器中，然后通过搅拌器将A组分与B组分进行混合均匀后，再将制好的橡胶条与建筑垃圾颗粒进行充分搅拌，形成透水砖的混合物原料。
进一步地，所述的A组分为双酚A型环氧树脂，B组分为环氧树脂固化剂。
进一步地，所述的橡胶条的长度为40-50mm，直径为4-5mm。
进一步地，建筑垃圾颗粒制作完成后，将建筑垃圾颗粒筛分成建筑垃圾细颗粒和建筑垃圾粗颗粒，建筑垃圾细颗粒的粒径范围为2-5mm，建筑垃圾粗颗粒的粒径范围为4-10mm。
进一步地，建筑垃圾细颗粒与建筑垃圾粗颗粒的加入质量比例为6:4。
一种利用废橡胶与建筑垃圾制备的透水砖的应用，将上述任意一项所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法所制备的透水砖应用于海绵城市中的路面铺装结构中。
进一步地，所述的路面铺装结构包括面层、找平层、基层和土基层，所述的透水砖应用于面层中。
进一步地，所述的找平层为透水粘结找平层，基层为透水混泥土层，所述透水粘结找平层由粘结剂PZG与中粗砂按1:10的质量比例制成。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明使用废橡胶条和建筑垃圾制作透水砖，实现了建筑垃圾“资源化”，降低了建筑垃圾处理与处置成本，减少建筑垃圾堆存过程中可能产生的环境危害和安全风险。
使用建筑垃圾作为透水砖的制作材料，最大限度地节约了自然资源，保护了生态环境。建筑垃圾是一种废弃物，其基本不需要采购成本，所以使用建筑垃圾代替透水砖制作时使用的天然砂石料，降低了透水砖的建设成本。
本发明使用废橡胶条和建筑垃圾颗粒制成的透水砖相较于使用天然材料制成的透水砖，具有透水性能好、轻质、高强、免烧结等优点。将废橡胶生产的橡胶条掺入到建筑垃圾颗粒中制备成透水砖，既能消耗大量建筑垃圾和废橡胶，实现固体废弃物的二次利用，还能够改善透水砖的延性、抗震、抗冻等性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的透水砖内部结构示意图。
图2为本发明的A路面铺装结构示意图。
图3为本发明的B路面铺装结构示意图。
图4为本发明透水砖的劈裂抗拉试验示意图。
图5为本发明透水砖的透水系数测试示意图。
图6为本发明透水砖的抗压强度试验示意图。
图中：1-橡胶条、2-建筑垃圾粗颗粒、3-建筑垃圾细颗粒、4-胶黏剂、5-孔隙、6-面层、7- 找平层、8-透水混泥土、9-级配碎石、10-土基层。
具体实施方式
下面，将通过几个具体的实施例对本发明实施例提供的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法及透水砖的应用技术方案进行详细介绍说明。
首先要说明的是本发明中的建筑垃圾主要由建筑废砖瓦、建筑废混凝土、砂浆、石材、陶瓷等具有一定硬度的材料组成，其中的松软的灰土需要筛除或清洗掉。
参照图1，一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法，包括以下方法：
收集废橡胶和建筑垃圾；然后进行分选出废橡胶和建筑垃圾；
分别将废橡胶制成橡胶条1，建筑垃圾制成建筑垃圾颗粒；
将收集的废橡胶和建筑垃圾制成橡胶条和建筑垃圾颗粒后，需分别进行清洗晾干；
准备胶黏剂4，将准备好的胶黏剂放入搅拌容器中，然后将橡胶条和建筑垃圾颗粒加入搅拌容器中充分搅拌，形成透水砖的混合物原料；
将搅拌好的混合物原料装入透水砖的模具中，捣实振动成型并进行密封处理；该密封处理的原因：当建筑垃圾、环氧树脂、橡胶条的混合物装入模具后需要进行翻转，使得环氧树脂在透水砖试样里均匀分布。因为模具上面是开口的，前期混合物中的环氧树脂还未固化，翻转的时候容易造成混合物松动、散落，影响透水砖的成型、密实度和平整度。
密封的过程：先用保鲜膜把模具外侧整个包裹严实，再用胶带缠绕进行固定。也可以定制具有密封功能的模具(模具不是开口的，带有盖子)，在混合物振实后，盖上模具的盖子即可进行后续的翻转。
然后将带有模具的透水砖放置在室内，每间隔不低于30分钟进行翻转一次，共翻转多次，并在室温下至少放置1天以上，进行脱去模具，最后将脱去模具的透水砖继续放置在室内晾干；通常需在自然环境下晾3天以上得到透水砖；该过程在实际的操作中每30分钟翻转一次，共翻转了5次，即可实现胶黏剂4均匀分布在橡胶条和建筑垃圾颗粒、建筑垃圾颗粒和建筑垃圾颗粒的接触处。
最终得到利用废橡胶与建筑垃圾制备的透水砖。
晾3天以上得到透水砖，完全晾干，满足路面承压强度的要求，不会因为未晾干而损坏。
进一步的，所述的橡胶条1、胶黏剂4及建筑垃圾颗粒的加入质量比例为1:9:90；透水砖通过加入橡胶条可增加砖块的承压力，同时砖块不易断裂。
进一步的，所述的胶黏剂4为双组份环氧树脂，双组份环氧树脂由A组分与B组分组成，A组分与B组分的质量比为100:30，准备胶黏剂时，需分别按比例将A组分与B组分加入搅拌容器中，然后通过搅拌器将A组分与B组分进行混合均匀后，再将制好的橡胶条1与建筑垃圾颗粒进行充分搅拌，形成透水砖的混合物原料。
环氧树脂具有对各种金属材料如铝、铁、铜；非金属材料如玻璃、木材、混凝土等；以及热固性塑料如酚醛、氨基、不饱和聚酯等都有优良的粘接性能，因此有万能胶之称。故本发明中选用环氧树脂为胶黏剂。
进一步的，所述的双组份环氧树脂中的A组分为双酚A型环氧树脂，B组分为环氧树脂固化剂。其中双酚A型环氧树脂和环氧树脂固化剂均采用的是昆山久力美电子材料有限公司生产的“M03环氧树脂胶(GCC135环氧树脂+GCC137固化剂)，直接购买然后使用时提前进行混合后，加入本发明中的橡胶条和建筑垃圾颗粒。A组分为双酚A型环氧树脂，无色透明液体；B组分为胺类固化剂，蓝色透明液体；胺类固化剂具有反应活性高,室温或低温下可以快速固化。胶黏剂1采用双组份环氧树脂可以使其具有很高的强度和粘接强度，从而使其制作的透水砖具有很高的强度。
进一步的，所述的橡胶条1的长度为40-50mm，直径为4-5mm,即可满足各种尺寸大小的透水砖使用，其中制作的透水砖强度高，不易断裂破坏。
进一步的，建筑垃圾颗粒制作完成后，将建筑垃圾颗粒筛分成建筑垃圾细颗粒3和建筑垃圾粗颗粒2，建筑垃圾细颗粒3的粒径范围为2-5mm，建筑垃圾粗颗粒2的粒径范围为4-10mm，在实际的实验中采用的规格为建筑垃圾细颗粒3的粒径范围为2.36-4.75mm，建筑垃圾粗颗粒2的粒径范围为4.75-9.50mm。
建筑垃圾在制作建筑垃圾颗粒时需进行人工的分选、夯锤，破碎成粒径适中的小块，再经过破碎机破碎为不同粒径的颗粒，使用洗沙机将不同粒径的建筑垃圾颗粒外的浮土洗去，然后将洗净后的建筑垃圾平铺到干净的水泥地面上晾干，将晾干后的建筑垃圾颗粒进行筛分，筛分成建筑垃圾细颗粒3和建筑垃圾粗颗粒2，通过实践建筑垃圾细颗粒3的粒径范围为 2.36-4.75mm，建筑垃圾粗颗粒2的粒径范围为4.75-9.50mm时适用于不同尺寸的透水砖块，同时通过粗细颗粒，使其砖块内可形成孔隙5，使砖块具有透水功能，同时使用粗细颗粒使得砖块更密实，强度更高。
实际使用中胶黏剂1：橡胶条：建筑垃圾细颗粒：建筑垃圾粗颗粒的质量比例为8：8： 24：60，而后摊铺至模具中，最后捣实振动成型，该比例的制成的透水砖，透水性最佳。
进一步的，建筑垃圾细颗粒3与建筑垃圾粗颗粒2的加入质量比例为6:4。该比例满足了透水砖的透水需求，同时透水效果最好，同时砖块的强度最好。
参照图2和图3，一种利用废橡胶与建筑垃圾制备的透水砖的应用，将上述任意一项所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法所制备的透水砖应用于海绵城市中的路面铺装结构中。使用废橡胶和建筑垃圾作为透水砖的制作材料，最大限度地节约了自然资源，保护了生态环境。
同时利用废橡胶和建筑垃圾制作的透水砖不仅能够实现固体废弃物的二次利用，而且废橡胶具有轻质、高弹、耐磨等优点，能够改善透水砖的延性、抗震、抗冻等性能。掺入的橡胶条在建筑垃圾颗粒之间起到了耗能单元和“加筋”的作用，有利于减轻透水砖的脆性破坏，使透水砖具有一定的塑性破坏特征，提高其抵抗弯拉破坏的能力，因此可以应用于海绵城市车行道和人行道的路面铺装。
进一步的，所述的路面铺装结构包括面层6、找平层7、基层和土基层10，所述的透水砖应用于面层6中。其中基层包含只是透水混泥土8一层结构，也可以是包含透水混泥土8和级配碎石9的两层结构，可根据路面承压力的需要设置整个路面铺装结构的层数，找平层7为透水粘结找平层，土基层10为压实后的平整土基层，均具有透水性。
本发明中展示两种路面铺装结构，分别为A路面铺装结构和B路面铺装结构，A路面铺装结构包含由本发明制作的透水砖为面层、找平层7、透水混泥土8、级配碎石9和土基层10，该路面结构适合路面承压强度高的路面，例如车行道或停车场路面；B路面铺装结构包含由本发明制作的透水砖为面层、找平层7、级配碎石9和土基层10，该路面结构适合路面承压强度低的路面，例如路边的行人路面。
进一步的，所述的找平层为透水粘结找平层，使其透水砖渗透的水可以穿过透水粘结找平层，基层为透水混泥土层，然后水进入透水混泥土层，然后通过级配碎石进入土基层10渗透排出，或者在级配碎石层进行收集排出，所述透水粘结找平层由粘结剂PZG与中粗砂按1:10 的质量比例制成，使其透水粘结找平层透水性强，可以将透水砖渗透的水很快的渗透排出，使其路面不会积水。
其中粘结找平层由粘结剂PZG与中粗砂按1:10的质量比例制成，渗透系数不小于2.0× 10-2cm/s，透水混凝土基层的有效孔隙率不应小于15％，渗透系数不小于2.5×10-2cm/s，级配碎石基层顶面压实度应达到96％，所述土基层10为压实系数应不小于93％且高程达到设计要求的表面平整的土基层。
进一步的，在进行路面铺装结构铺设时，包含以下铺设方法：
S1:将路基进行修整，除去腐殖质，然后对土基层压实整平；
S2:将透水混凝土和/或级配碎石铺设在土基层上进行压实，整平；
铺设完毕后应检验平整度和抗压强度，符合标准后才能继续铺设；
混凝土和碎石须具有良好的承载能力和渗水性能；
S3:将粘结找平层铺设在S2上的透水混凝土和/或级配碎石上。
S4：最后进行透水砖的铺设。
透水砖码放时应注意轻拿轻放，严禁使用有裂缝、掉角、表面缺陷及棱角损坏的砖。通过上述方法可铺设所需采用废橡胶和建筑垃圾制作的透水砖所铺设的路面铺装结构，该路面铺装结构具有强的透水性，使得整个路面透水性好，路面不易积水，解决了现在城市路面积水问题。
实验过程：
将透水砖试样的四周用加厚的防水胶带密封好，使其不漏水，水仅从试样的上下表面进行渗透。将侧面密封好的试样放人真空装置，抽真空至90kPa，并保持30min。在保持真空的同时，加入足够的水将试样覆盖并使水位高出试样10cm，停止抽真空，浸泡20min，将其取出，装入透水系数试验装置，将试样与透水圆筒连接密封好。放入溢流水槽，打开供水阀门，使水进入容器中，等溢流水槽的溢流孔有水流出时，调整进水量，使透水圆简保持一定的水位(约15cm)，待溢流水槽的溢流口和透水圆筒的溢流口流出水量稳定后，用量筒从出水口接水，记录五分钟流出的水量(Q)，测量三次，取平均值。
透水系数计算公式：
KT—透水系数(cm/s)；
Q—t秒内的渗出水量(mL)；
L—试样的厚度(cm)；
A—试样的上表面积(cm2)；
H—水位差(cm)；
t—时间(s)。
《透水路面砖和透水路面板》(GB/T 25993-2010)中规定，透水块材的劈裂抗拉强度和透水系数应分别符合表5、表6的规定，即劈裂抗拉强度fts≧3.0MPa，透水系数KT≧0.02cm/s。
参见图4、图5和图6所示，经过多次测试，建筑垃圾颗粒、环氧树脂、橡胶条的含量分别为90％、9％、1％的透水砖试样(建筑垃圾细颗粒：建筑垃圾粗颗粒＝6:4)满足上述条件，劈裂抗拉强度fts＝3.6MPa，透水系数KT＝0.05cm/s，且其抗压强度平均值为21.1MPa，适用于铺设不允许机动车辆通行和驶入的步行街、小区道路、园林景观道路等场合。若用于停车场等车行道路，需要将环氧树脂的含量提高到10％，橡胶条的占比不变，仍为1％，相应地建筑垃圾颗粒降到89％。
与现有的陶瓷透水砖的透水率对比：
参见论文：Zhu M,Wang H,Liu L,et al.Preparation and characterizationofpermeable bricks from gangue and tailings[J].Construction&BuildingMaterials,2017,148(sep.1):484-491 中的现有的陶瓷透水砖的透水率，Zhu等使用60-70wt％煤矸石和10-20wt％废陶瓷为骨料堆积，掺入20wt％尾矿，在1180-1200℃保温45min，得到抗压强度>30MPa，透水系数约3× 10-2cm/s的陶瓷透水砖；与本发明的透水砖相比，本发明的透水砖的透水率即为透水系数 KT＝0.05cm/s，远大于现有的陶瓷透水砖的透水率；采用本发明的制备方法制备的透水砖具有透水性能好、轻质、高强、免烧结等优点。将废橡胶生产的橡胶条掺入到建筑垃圾颗粒中制备成透水砖，既能消耗大量建筑垃圾和废橡胶，实现固体废弃物的二次利用，还能够改善透水砖的延性、抗震、抗冻等性能。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，其都在该技术的保护范围内。
各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法，其特征是：包括以下方法：
收集废橡胶和建筑垃圾；
将废橡胶制成橡胶条，建筑垃圾制成建筑垃圾颗粒；
将收集的废橡胶和建筑垃圾制成橡胶条和建筑垃圾颗粒后，需分别进行清洗晾干；
准备胶黏剂，将准备好的胶黏剂放入搅拌容器中，然后将橡胶条和建筑垃圾颗粒加入搅拌容器中充分搅拌，形成透水砖的混合物原料；
将搅拌好的混合物原料装入透水砖的模具中，捣实振动成型并进行密封处理；
然后将带有模具的透水砖放置在室内，每间隔不低于30分钟进行翻转一次，共翻转多次，并在室温下至少放置1天以上，脱去模具，最后将脱去模具的透水砖继续放置在室内晾干；最终得到利用废橡胶与建筑垃圾制备的透水砖。
2.根据权利要求1所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法，其特征是：所述的橡胶条、胶黏剂及建筑垃圾颗粒的加入质量比例为1:9:90。
3.根据权利要求2所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法，其特征是：所述的胶黏剂为双组份环氧树脂，双组份环氧树脂由A组分与B组分组成，A组分与B组分的质量比为100:30，准备胶黏剂时，需分别按比例将A组分与B组分加入搅拌容器中，然后通过搅拌器将A组分与B组分进行混合均匀后，再将制好的橡胶条与建筑垃圾颗粒进行充分搅拌，形成透水砖的混合物原料。
4.根据权利要求3所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法，其特征是：所述的A组分为双酚A型环氧树脂，B组分为环氧树脂固化剂。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法，其特征是：所述的橡胶条的长度为40-50mm，直径为4-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法，其特征是：建筑垃圾颗粒制作完成后，将建筑垃圾颗粒筛分成建筑垃圾细颗粒和建筑垃圾粗颗粒，建筑垃圾细颗粒的粒径范围为2-5mm，建筑垃圾粗颗粒的粒径范围为4-10mm。
7.根据权利要求6所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法，其特征是：建筑垃圾细颗粒与建筑垃圾粗颗粒的加入质量比例为6:4。
8.一种利用废橡胶与建筑垃圾制备的透水砖的应用，其特征是：将权利要求1-7任意一项所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备透水砖的方法所制备的透水砖应用于海绵城市中的路面铺装结构中。
9.根据权利要求8所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备的透水砖的应用，其特征是：所述的路面铺装结构包括面层、找平层、基层和土基层，所述的透水砖应用于面层中。
10.根据权利要求9所述的一种利用废橡胶与建筑垃圾制备的透水砖的应用，其特征是：所述的找平层为透水粘结找平层，基层为透水混泥土层，所述透水粘结找平层由粘结剂PZG与中粗砂按1:10的质量比例制成。
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