桂林理工大学

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甘蔗渣纤维再生骨料透水混凝土的制备

申报人：卢元林 申报日期：2025-01-03

基本情况

2025年批次
甘蔗渣纤维再生骨料透水混凝土的制备 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
该实验在提供一种环保、高性能的透水混凝土材料，通过综合利用农业废弃物甘蔗渣，实现资源的可持续利用。本发明的方法首先对甘蔗渣进行粉碎为长度1-4mm的纤维状，随后采用氢氧化钠溶液进行改性，以增强其物理和化学性能。改性后的甘蔗渣纤维与再生骨料、减水剂、水泥、水等原料按一定比例混合均匀，通过特定的搅拌工艺制备成甘蔗渣纤维再生骨料透水混凝土。该透水混凝土具有显著的透水性能，抗开裂能力强，混凝土强度高，耐久性好。此外，由于甘蔗渣纤维的加入，还适当的提高了混凝土的透水性能，使得该材料在道路、广场、河岸护坡等工程中具有广泛应用前景
无
指导老师主要从事装配式建筑结构以及结构设计优化理论的研究，主持国家自然科学基金项目1项；主持省部级项目3项。指导学生参加“创青春”创新创业大赛获得全国铜奖和广西金奖；指导学生参加“互联网+”创新创业大赛获得全国铜奖、广西区金奖。获得国家发明专利授权5项，实用新型授权5项，公开发表论文30篇。
此项目属于指导老师的广西自然科学基金项目的延伸研究，属于创新应用方面的研究，适合本科学生开展
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
卢元林 材料科学与工程学院 材料科学与工程 2023 混泥土制备，性能测试
李昊 商学院 国际经济与贸易 2023 材料抗冻性能测试
韦渝 商学院 工商管理类 2024 混泥土性能测试
鲁荧铃 商学院 工商管理类 2024 数据处理，材料抗压性能测试

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
张敏 土木工程学院 否

立项依据

据统计，中国是最大的建筑垃圾生产国之一，每年产生约20亿t建筑垃圾，以中国香港为例，每天产生约6.6万t垃圾，每吨垃圾的填埋处理成本为200美元，不仅造成了巨大的经济损失，更是直接或间接地污染了空气、土地、地下水等资源。废弃混凝土经粉碎、筛分和清洗后得到的再生骨料将取代天然骨料，可有效减少天然砂石的消耗，节约20%的成本。
随着城市化的推进，城市表面被混凝土和沥青等一类不透水材料覆盖，造成了城市热岛效应、地下水补充不足、车辆噪声污染。透水混凝土作为一种环保型可持续路面材料，由于其特殊的内部结构，具有控制雨水径流、改善水质、补给地下水、降低路面轮胎噪声、调节路面温湿度、缓解城市热岛效应等环境优势。 
再生骨料透水混凝土是一种典型的非均质、多相复合材料，强度低和耐久性差是制约其应用推广的主要原因。首先，与普通混凝土相比，骨料间为“点-点”连接，抗压强度取决于胶凝材料性能，通常为5~15 MPa。其次，再生骨料经二次破碎作用形成，表面附着有旧砂浆，与天然骨料相比，具有孔隙率高、吸水率高、微裂缝多、压碎指标大、坚固性差、非均质性高等缺陷，影响界面过渡区（ITZ）性能。因此，再生骨料透水混凝土在雨水冲刷、冻融侵蚀、硫酸盐侵蚀等环境荷载作用下，骨料更易受到侵蚀剥落，从而导致部分或整体功能失效。研究内容分为(1)通过多次实验对甘蔗渣纤维、水泥、砖混、小粒径再生骨料和天然骨料的级配（细骨料粒径为5~10mm，粗骨料粒径为10~15mm）、碎石、减水剂、水的配合比进行优化，寻找出最优性能比。（2）对胶凝材料进行优化设计，借鉴高性能混凝土的设计思想，通过掺入减水剂减少水分从而提升了整体力学性能
业界目前对于再生骨料透水混凝土的研究处于比较成熟阶段。在小区道路、景观工程、学校道路等易容易积水路段若只在增加排水渠，不仅会增加路政财政支出，还容易出现排水渠被道路垃圾占据的现象。每年产生约20亿t建筑垃圾，以中国香港为例，每天产生约6.6万t垃圾，每吨垃圾的填埋处理成本为200美元，废弃混凝土经粉碎、筛分和清洗后得到的再生骨料将取代天然骨料，可有效减少天然砂石的消耗，节约20%的成本。但是如今骨料透水混凝土的透水性、抗压强度、耐久性和抗碳化性等仍然有着较大的提升空间。
薛冬杰，刘荣桂（2013）便提出透水性混凝土生态环保型建筑材料并对再生骨料透水性混凝土抗压强度进行研究，研制出90d的再生骨料制备的透水性混凝土，比之普通混泥土强度高出许多。薛如政 陈守开（2017）分别提出了抗压强度随着粒径的增大而逐渐降低并在后续实验以水胶比0.3,砂率10%为基准,设计6组配合比,并通过标准养护下的立方体试块试验,研究了单一因素下再生骨料透水混凝土的孔隙率、透水性及其强度性能,其范围分别为孔隙率17.8%23.8%,渗透系数0.27～0.57 cm/s以及抗压强度4.0～9.63 MPa。经过长期实验得出“向骨料透水混凝土中内掺粉煤灰能大幅提高其抗压强度,提高约44”。
陈海,蒋元海,凌宏杰(2018)对再生骨料掺量、水胶比、骨料颗粒级配三个因素对透水混凝土的强度和透水性的影响，得到最佳配比为:再生骨料掺量40%、水胶比0.25,再生骨料由50%粒径为4.75～9.5 mm的再生骨料和50%粒径为9.5～16 mm的再生骨料混合组成,在该配比下制得的透水混凝土透水系数为6.3 mm/s,抗压强度为23.1 MPa。陈超,石莹(2018)对陈海(2018)理论进一步发展将废弃混凝土破碎制备再生骨料应用于透水混凝土中,通过四因素三水平正交试验研究了骨料粒径、集灰比、水胶比、水泥用量四个因素对再生骨料透水混凝土性能的影响。得出影响透水混凝土性能的因素依次为骨料粒径>水泥用量>集灰比>水胶比,水胶比在0.27～0.35范围内对再生透水混凝土性能无显著影响。选取正交试验中强度和透水系数最高的两组分别研究再生骨料掺量对透水混凝土性能影响,结果表明,再生骨料在透水混凝土中的掺量不宜超过50%。经过多年的发展，郭磊（2019）对再生骨料透水混凝土进行导致强度、耐磨性变差的现象进行改性研究。通过将聚丙烯纤维和碳纤维以不同的体积分数(其中聚丙烯纤维掺量分别为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%,碳纤维掺量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)掺入再生透水混凝土中,采用WAW-1000电液伺服万能试验机测定力学强度,自制透水装置测定透水系数,洛杉矶磨耗试验机测定耐磨性,获取不同种类和掺量纤维对透水性、力学性能和耐磨性的影响随着纤维掺量的增加,抗压强度和劈裂抗拉强度呈先增大后减少的趋势;质量损失率也先减少后增大趋势。经优化分析可知聚丙烯纤维最优掺量为0.6%,碳纤维最优掺量为0.4%。
郜会彩（2022）利用建筑垃圾再生成为骨料，设计了3种不同结构的透水混凝土铺装系统（Permeable Concrete Pavement System,PCPS），分别为再生砖骨料透水混凝土铺装系统（PCPS1）、再生混凝土骨料透水混凝土铺装系统（PCPS2）和普通透水混凝土铺装系统（PCPS0），测试其在不同降雨重现期和污染物浓度下的雨水入渗能力以及对典型污染物SS、COD、TP、TN的净化能力，结果表明PCPS的入渗和净化能力随降雨重现期和污染物浓度的增大而减弱；PCPS1对污染物SS、COD、TN的净化能力最好，最大净化率分别为98.95%、56.31%、34.11%,PCPS2的入渗能力以及对污染物TP的净化能力最好，最大净化率为76.50%。再生骨料透水混凝土铺装系统内部孔隙率较高且表面携带的附着物具有吸附功能，对径流雨水具有良好的入渗能力和净化效果，为今后建筑垃圾再利用提供了一种良好的途径
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创新：
（1）本实验制备得到包含砖混的再生骨料透水混凝土，通过采用以砖块、混凝土块、瓷砖、砂浆为原料制备得到砖混再生骨料，尤其当砂浆的粒径为5mm时。
（2）本实验制备得到包含砖混的再生骨料透水混凝土，通过向体系中加入减水剂的同时，与本体系中的砖混再生骨料混合，有效改善体系的水化度和收缩性能，增加透水混凝土流动性，改善混凝土的凝结时间，同时提升本体系中碎石的活性，提升透水混凝土的强度
（3）材料配比：砖混再生骨料的制备原料中加入经浓度为5%的NaOH溶液处理的甘蔗渣纤维的份数为1.5份；砖混再生骨料的制备原料中减水剂的份数增加为3份；砖混再生骨料的制备原料中水的份数增加为180份。在甘蔗渣纤维的添加下，大大提高了材料的渗水性能
项目特色：
  创新性加入适当比例的甘蔗渣制备得到的透水混凝土具有优异的透水性、抗压强度，在边坡建设中具有极高应用价值。 
 技术路线：
  1.纤维再生骨料透水混凝土的制备方法，在实验中考察了不同种类掺和料对再生骨料透水性能的影响，其中采用废旧C20路面得到的再生骨料，通过聚丙烯纤维的加入，制备得到的透水混凝土具有良好的抗压强度和透水性，但制备得到的透水混凝土的抗碳化性、抗冻性、耐久性均未得到突出体现，进一步限制了其在建筑施工中的实际应用。
  2.一种纤维增强再生骨料透水混凝土及其制备方法，为了在满足较优透水性的同时，提高透水混凝土的抗压强度，对原料进行一系列优化，其骨料包括原生骨料和再生骨料，并且采用疏水改性无机填料。但最终制备得到的透水混凝土的抗碳化性、抗冻性、耐久性均未得到突出体现。因此在多次实验的基础上对再生骨料与天然骨料的粒径、配比进行优化尽可能得到更优的材料性能配比。其次再对胶凝材料进行优化，寻求新型材料，并且对胶凝材料添加量进行优化。最后通过试验进行分析，得到流动性、透水性、抗压强度较好的适用于锚杆灌浆的再生骨料透水混凝土  

拟解决的问题：配合比优化设计、改善透水混凝土流动性、胶凝材料优化设计


预期成果：
1. 寻找到新型添加材料（甘蔗渣）
2. 进一步优化再生骨料透水混凝土各材料配比
3. 提高再生骨料透水混凝土抗压性能、冻融性能、劈裂抗拉、抗折强度、透水性能
4. 完成锚杆模拟灌浆，并对锚杆模拟灌浆成品进行了性能测试 
2024年1月11日——2024年9月11日进行配合比优化（包含甘蔗渣）实验，对不同配合比材料进行抗压性能，流动性能等进行实验
2024年6月26日——2024年9月27日锚进行杆模拟灌浆，对灌浆模型依据不同配合比进行分类，在分类完成的条件下对包含甘蔗渣模型进行对比试验，确认各个性能数值，特别是渗水性能抗压性能
2025年4月——2025年10月对不同配合比材料进行劈裂抗拉强度测试
2025年4月——2025年10月对不同配合比材料进行抗冻性能测试 
1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
我们的研究积累，5-10，10-15粒径，完成3:2比例配合比试验，完成5-10粒径的试验，完成5、6粒径的试验，完成2～5粒径的，完成模拟套筒灌浆的试验，这些试验都包括透水系数测定和抗压强度试验还有流动性测试，以及完成专利初稿

实验编号 再生骨料 天然骨料 水泥 水 甘蔗渣纤维
(1-4mm) 玄武岩纤维（12mm） 减水剂
5-6mm 5-6mm
1 490.2 1143.8 508.5 180.55 0 0 2.37
2 490.2 1143.8 508.5 166.67 0 0 2.37
3 490.2 1143.8 508.5 166.67 1.5 0 2.37
4 490.2 1143.8 508.5 166.67 3.0 0 2.37
5 490.2 1143.8 508.5 166.67 4.5 0 2.37
6 490.2 1143.8 508.5 166.67 0 0.6 2.37
7 490.2 1143.8 508.5 166.67 0 1.2 2.37
8 490.2 1143.8 508.5 166.67 0 1.8 2.37
注：1.再生骨料替代率30%，骨料粒径5~10mm：10~15mm=3：2，水灰比0.3 
本次试验在桂林理工大学结构大厅进行，有混凝土搅拌机，透水系数测定仪，压力试验机等采用安装在反力架上的液压千斤顶进行推出试验，试验除了需要液压千斤顶之外，还需要其他的设备和仪器有：、搅拌机、液压千斤顶、力传感器以及动静态测试系统模块采集箱等等，桂林理工大学结构大厅具有良好的试验环境和精良的测试设备，可以为此次试验的顺利进行提供良好的试验条件。
暂时没有缺少的条件，后续实验也将与材料科学与工程学院实验室相互合作，对材料进行切片内部微观结构实验 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5000.00 无 3500.00 1500.00
1. 业务费 2000.00 无 500.00 1500.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 1000.00 无 0.00 1000.00
（4）文献检索费 1000.00 资料打印复印费 500.00 500.00
（5）论文出版费 0.00 无 0.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 1000.00 无 1000.00 0.00
4. 材料费 2000.00 无 2000.00 0.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

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