建筑结构废弃材料性能及其回收利用研究

李 昕

(河北工业职业技术学院 宣钢分院，河北 张家口 075100)

近年来我国建筑行业发展呈现为线性增长趋式，资源消耗过量，导致社会与环境承受了巨大压力。而循环利用建筑结构废弃材料，既能够节约资源，保护生态环境，又能够节省材料成本，降低施工成本，以此以绿色节能回收利用方式最大程度上满足现代化绿色建筑建设要求[1]。而且我国提出了循环经济发展战略，将建设资源节约型社会放置于战略层面，建筑行业可持续健康发展已是必然趋势。建筑结构废弃材料中包含许多混凝土与钢筋结构元素，建筑强度性能良好，以其回收利用建设建筑物，可切实强化墙体强度[2]。据此本文针对建筑结构废弃材料力学性能分析，进行了材料回收利用研究。

1 建筑结构废弃材料力学性能及其回收利用

为分析建筑结构废弃材料力学性能，对实际废弃材料结构件模型进行内部结构与力学性能分析，根据有限元分析软件测试应力结构。

1.1 力学性能分析

建筑结构废弃材料试样结构件[3]具体如图1所示。

图1 建筑结构废弃材料试样结构件

基于建筑结构废弃材料试样结构件，以本体模型和应力屈服机制响应分析，得到材料弹性变形增量和应力增量，以单轴受压条件对剩余抗拉强度静力加以分析，具体即

Ief(x,y)=I*G(x,y,ϑe)

Iev(x,y)=I*stdfilt(x,y,qe)

式中：G(x,y,ϑe)为废弃材料建筑徐变同性线性强度；ϑe代表高斯核函数；qe为材料力学损失衰减量，即切线弹性模应力评估尺度；*代表卷积。

基于建筑结构废弃材料的极限承载力学评估机制，得到其力学屈服机制弹塑荷载分布[4]，即

Fp=εFg

式中：Fp为积分截面数；ε为屈服机制贡献权重。以等效随机应力补偿，构建剩余抗拉强度评估模型[5]，即

式中：B(x)为基于破坏模式的建筑结构废弃材料结构件受损变换矩阵。

基于循环回收利用机制，获取建筑结构废弃材料力学性能分析模型[6]，即

式中：wb为剩余抗拉强度与承载力之间的关联系数。

1.2 回收利用分析

就建筑结构废弃材料剩余抗拉强度的材料循环回收利用评估，进行材料再生利用管理优化，可防止材料破坏土壤与环境，还可提升综合效益[7]。在建筑结构废弃材料处理领域，通常材料的回收处理利用主要选择三层级破碎模式，以此可切实节省物料消耗与工时消耗。此外，在材料回收处理利用的时候，还应科学合理配置收尘封、云尘封、抑尘机等，这样一来不仅可有效降低生产消耗，还可提高材料再利用能力，从而促使废弃材料实现资源化再利用。

1.2.1 旧建筑改造回收利用

所谓原真性的本意是真的、原本的、非复制的、忠实的。一些建筑材料在人们的潜意识中就是废弃的，没有价值的，但是就其生命周期来讲，其性能可持续利用，无需经过拆除破坏再回收利用，只需加固并修复结构，保障整体结构稳定即可，这些加固修复在很大程度上推动了废旧建筑的循环利用发展[8]。例如日本建筑村井正诚美术馆是私人艺术收藏馆，以东京郊区居住区的老旧木质建筑为主体，呈现为两个盒子，其中村井正诚的画室被完美保留，在此基础上在外部笼罩了具备其他多功能的盒子，建筑虽然没有保留老旧建筑形式，但是却保留了物质，即建筑外墙百叶立面所用的木材，都是由旧建筑结构上拆除的，室内也沿用了旧建筑结构废弃材料加以装饰，以期促使人们由古朴建筑结构材料了解美术馆的历史发展进程。国内建筑结构废弃材料再利用相关研究也实现了一定发展，许多建筑设计师都在不断尝试利用旧材料建设建筑物。例如内蒙古工业大学建筑馆的教学实训基地便是由铸工车间改造而成的，大体保留了旧建筑的整体格局，局部则以回收的废弃钢板以不规则形式拼接覆盖在新墙面上，使得立面风格统一立体，通过既有天窗创造了丰富的自然光环境，经过改造地下生产线通道构成了完善的室内通风体系，以既有冲天炉强化室内通风设置，基于既有大型机器转化成室内外景观，充分结合绿色生态理念与开放式场所建设改造理念，使得废弃建筑结构与废弃材料实现了循环回收利用，改造前、后分别如图2、图3所示。

图2 内蒙古工业大学建筑馆改造前

图3 内蒙古工业大学建筑馆改造后

1.2.2 建筑废弃材料回收利用

由不可再利用建筑上拆除的建筑结构材料可基于重构方式应用于新型建筑建设，废弃材料和新形式的有机结合可创造出独特的建筑意向[9]。例如宁波博物馆便是建筑结构废弃材料回收利用规模最大的建筑，以随地搜集的碎砖瓦建设外墙，工艺与细节部分加以创新(见图4)。废弃碎砖瓦构成的独特纹路与竹条混合混凝土建造的墙面鲜明对比，给欣赏者带来一种时空交错的视觉感受，而且砖瓦色调与周围环境高度融合，丝毫不突兀。由残砖碎瓦可联想到城市的更迭交替，此具备地域性的建筑物放置于其他地方都会显得突兀，建筑材质由根本上明确了建筑物的归属与特征。

图4 宁波博物馆

混凝土材料的回收再利用相关技术起步晚，发展慢，尽管在很久之前，西方国家便开始尝试在公路建设中将废弃混凝土压碎为砾石应用其中，但是需要消耗大量燃料。而作为从事建筑材料循环利用研究最早的国家，德国早已研发了元素回收革新技术，保留了Plattenbau建筑板材，并应用于新住宅建筑。Plattenbau是一个大型预制混凝土住宅，在城市结构不断优化调整与住宅标准逐步提高的形势下，Plattenbau建筑结构废弃材料资源的循环再利用引起了高度重视。致力于相关循环再利用研究的建筑师经过不断努力，设计了梅赫劳小镇，一座两层平顶式住宅，证明了循环再利用技术的可行性。在建造时，建筑师选定了“Plattenbau”建筑，取出了一些建筑板材，切割为既定规格，运输于新基地，然后耗费近7d装配完成了新建筑主体(见图5)。

图5 “Plattenbau”材料及构成的建筑主体

木材是典型的建筑材料，生长受自然环境直接性影响，大肆砍伐极易造成生态破坏，因此怎样实现木材资源化再利用始终备受关注。就所选方式不同，旧建筑木材的直接再利用，包含回收复用或者应用于室内、建筑装修等各种方式。美国建筑师爱德华花费了20年一直在尝试利用废旧木材重新建造新屋，其通过风格独特的方式方法，将废旧木材进行除虫、熏蒸、打磨处理之后，涂上保护漆，或者保留原样，以作为装饰梁木、地板、家具。

2 有限元测试分析

为测试建筑结构废弃材料力学性能分析模型在材料力学性能分析中的实践应用，通过有限元软件加以分析[10]，以得到材料力学性能分析结果具体如图6所示。

图6 材料试样有限元分析结果

由图6可以看出，以此模型分析建筑结构废弃材料力学性能，可精确且真实地仿真模拟材料的内部应力特征，从而确保材料力学性能分析的精确性。

以混凝土建筑材料为对比，通过建筑结构废弃材料与其的抗拉强度关系，分析废弃材料的力学性能。测试结果具体如表1所示。

表1 建筑结构废弃材料和混凝土建筑材料之间的抗拉强度关系

由表1可知，建筑结构废弃材料和混凝土建筑材料具备同等应力抗拉强度，抗拉能力良好，这就表明材料力学性能较好，回收利用效能非常好，可实现循环再利用。

3 结 论

综上所述，本文基于建筑结构废弃材料力学性能分析，根据力学分析法分析废弃材料特征，以指导废弃材料循环回收再利用。通过建筑结构废弃材料应力评估机制，构建力学性能分析模型，以分析废弃材料力学性能。结果表明，以建筑结构废弃材料力学性能分析模型分析材料力学性能，可精确真实模拟材料内部应力特征，保障材料力学性能分析精确度；建筑结构废弃材料和混凝土建筑材料具备同等应力抗拉强度，抗拉能力良好，这就表明材料力学性能较好，回收利用效能非常好，可实现循环再利用。