基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏的制作方法

本发明涉及建筑垃圾资源化利用及道路交通设施技术领域，更具体地说，涉及一种基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏。

背景技术：

对建筑垃圾进行资源化再利用是处理建筑垃圾问题的必经环节，目前我国建筑垃圾资源化利用率低(不到15％)，资源化利用途径较为单一(仅以道路基层、垫层材料和部分建筑再生制品为主)，主要原因之一就在于建筑垃圾再生产品在强度和性能上较天然材料制品还具有较大差距，且其强度和性能提升仍存在技术、成本和社会接受度等多方面的限制，使再生产品难以得到大范围、高值高等级和多领域的应用。

目前我国最为常见的防撞护栏主要包括刚性混凝土护栏和半刚性波形梁护栏两种。其中现有混凝土护栏虽然阻拦性能好，但缓冲性能不足，在高速碰撞下人员车辆损伤较大；且存在重量较大，不适用于桥梁及软路基路面等问题；现有波形梁护栏虽然缓冲和导向性能好，但阻拦功能较弱，对于微型车辆和大吨位重型车辆，容易出现钻入护栏下方或跃出护栏等情况，另外其对立柱刚度、土基承载力及梁的抗拉强度要求高，且存在造价和维护成本高等问题。

中国发明专利公布号cn108585636a[一种环保发泡水泥及其制备方法]，该专利通过对建筑垃圾的研磨，然后达到《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》技术标准，用以建筑垃圾研磨的再生粉替代粉煤灰制备发泡水泥用于发泡水泥的常规应用领域——保温材料，建筑垃圾破碎筛分碾磨至粉料，会增加原料的制作成本，加之替代粉煤灰的比例有限，不利于建筑垃圾大体量的消纳利用。

中国发明专利公布号cn107700391a[采用泡沫混凝土减轻车辆撞击效应的方法及防护装置]，该专利虽涉及通过吸能材料减轻车辆碰撞效应，但其思路是通过设置泡沫混凝土层和普通混凝土层来抵御撞击，并根据撞击作用确定撞击面形状和混凝土密度及厚度，其具体装置为由泡沫混凝土层和普通混凝土层相连的长方体。该专利中防护装置与道路护栏有较大区别：①道路护栏迎撞面和材料厚度取决于对车辆的导向性和道路限宽，不能随意设置；②防撞护栏除对吸收能量有需求外还必须考虑阻拦功能和导向功能，碰撞方式与该专利所述不同，③该装置在高速碰撞下由于泡沫混凝土抗拉强度较低易发生材料脱离，形成的脱离件易对车辆及人员造成二次损伤；④道路护栏多为露天使用，而泡沫混凝土材料易开裂吸水、耐久性差，不适合直接用于道路护栏。

中国实用新型专利授权公告号cn206570692u[一种改良的混凝土防撞护栏]，该专利是在常规混凝土护栏的车辆撞击部位加装多个竖向呈柱状的防撞构件，防撞构件为钢板弯制成的几字形构件，内部填充聚氨酯泡沫和水泥砂浆，以此达到在碰撞下吸收能量，保护失控车辆和防撞护栏的目的。该专利在能量吸收和调整失控车辆上存在以下缺陷：①加装的防撞构件，其刚度直接影响护栏的导向功能，车辆与其碰撞后行驶方向可能将受到较大影响，无法平滑驶入正常路径；②该防撞构件在碰撞下易发生脱离，形成的脱离件易侵入车辆和道路，造成二次事故；③该防撞构件增大了护栏对车辆的阻力，会对车辆造成较大损坏；④由于缓冲材料的吸能效果取决于材料的厚度和缓冲空间，因此局部小范围的填充较难发挥缓冲吸能效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏，解决了建筑垃圾资源化利用难及现有防撞护栏在缓冲和阻拦功能之间存在相互制约的问题，且具有轻量化、导向性好、造价低且便于安装施工和更换等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏，包括再生缓冲吸能材料和钢制外壳，所述再生缓冲吸能材料由建筑垃圾为原料制备而成，所述再生缓冲吸能材料填充在钢制外壳内部，形成复合式结构。

上述方案中，所述钢制外壳包括迎撞面钢板、非迎撞面钢板和顶板，所述钢制外壳内部设有纵向肋板和竖向肋板。

上述方案中，所述迎撞面钢板厚度为2-8mm，非迎撞面钢板厚度为4-10mm，顶板厚度为2-8mm，纵向肋板厚度为4-10mm，竖向肋板厚度为4-10mm。

上述方案中，所述再生缓冲吸能材料包括以下组分，按重量百分比计为：建筑垃圾100份、水泥60～120份、水50～100份、发泡剂0.5～3份、减水剂0.5～5份、碱激发剂0～8份、纤维0.5～3份、速凝剂1～5份。

上述方案中，所述建筑垃圾为废弃的混凝土、砂浆块、砖瓦、石块、玻璃、陶瓷、橡胶等中的任意一种或几种混合物破碎而成，破碎后建筑垃圾的粒径≤4.75mm。

上述方案中，所述缓冲吸能材料的密度为300-1000kg/m³。

上述方案中，所述缓冲吸能材料内部闭合泡孔的孔径不超过1mm，泡孔率在50％～80％之间。合理的孔径以及较高的泡孔率，使得在碰撞冲击载荷作用下更易进入塑性变形阶段，冲击波在闭合泡壁与泡孔之间不断的反射和透射，能量逐级吸收与衰减，以达到良好的吸能缓冲效果。

本发明工作原理如下：

本发明利用复合结构的高应变率相关性、钢制外壳的低阻和塑性以及再生缓冲材料的微观变形特征等机理，通过将再生缓冲吸能材料、钢制外壳、纵肋和竖肋等有机组合成复合结构，充分发挥其缓冲吸能作用，有效减少车辆碰撞作用下，司乘人员的加速度冲击响应，吸收碰撞能量，降低车辆及车内人员在撞击下的损伤，达到保护司乘人员人身安全的目的。

当碰撞发生时，车辆首先与钢制外壳发生作用，由于该复合结构的高应变率相关性以及钢制外壳的低阻性，车辆速度矢量方向改变至与护栏纵向平行，车辆与防撞护栏的作用时间延长。在这个过程中，除小部分能量继续以动能形式保留于车辆外，大部分能量通过钢制外壳的塑性形变传递至护栏内部再生缓冲材料中，起到减小车辆形变及司乘人员加速度冲击响应的作用。

再生缓冲材料在高速冲击荷载下迅速出现独特的微观组织变化和响应行为，包括出现微孔的压缩、坍塌和破裂等溃缩形变，以及再生砂粉的位移、嵌挤和摩擦，最终将传入的能量转化为材料内能，完成缓冲吸能过程。

实施本发明的基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏，具有以下有益效果：

1、本发明所述的再生缓冲吸能材料，是以建筑垃圾为原料制备而成，实现了建筑垃圾循环利用，拓展了建筑垃圾资源化利用领域，提升了建筑垃圾再生产品的附加值和利用等级，环保效益显著。

2、本发明所述的再生缓冲吸能材料，是具有低强度、低密度和高孔隙率等特性的再生材料，通过碰撞时触发其材料微观组织变化和响应来吸收碰撞能量，具有良好的缓冲吸能性质。

3、本发明所述的再生缓冲吸能材料，具备自流平、自密实、可现浇、耐久性好等优势，施工方便，且造价低廉。另外，该缓冲吸能材料密度仅为300-1000kg/m³(常规钢筋混凝土护栏材料密度约为1500-2000kg/m³)，轻量化特征显著，可大幅削减桥梁、路基载荷。

4、本发明中，再生缓冲吸能材料与钢制外壳、纵向肋板和竖向肋板形成复合式结构，各部分相互配合，有效解决了现有防撞护栏在缓冲和阻拦功能之间存在相互制约的问题，在保证良好阻拦、导向功能的同时，提升了护栏缓冲性能，有助于减少碰撞事故人员损伤，保障公共安全。

5、本发明所述的钢制外壳、纵向肋板和竖向肋板为预制构件，便于拼装和运输。钢制外壳与桥梁、路面通过焊接、栓接或嵌固方式固定即可，连接可靠，施工方便。另外，钢制外壳、纵向肋板和竖向肋板均采用较薄的构件，且填充的缓冲吸能材料内无需配置加强钢筋，可大大减少运输和安装成本。

6、本发明中，再生缓冲吸能材料、钢制外壳、纵向肋板和竖向肋板均为便于更换的构件，事故发生后，维修更换方便，可修复性强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏在混凝土梁中的结构示意图；

图2基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏在钢梁中的结构示意图；

图3基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏在整体型中央分隔带中的结构示意图；

图4基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏在分设型中央分隔带中的结构示意图；

图5基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏在道路路基中的结构示意图；

图6是图1、图2、图4、图5中竖向肋板的示意图；

图7是图3中竖向肋板的示意图；

1、迎撞面钢板；2、非迎撞面钢板；3、顶板；4、纵向肋板；5、再生缓冲吸能材料；6、竖向肋板；7、预埋件；8、垫层；9、面层；10、混凝土梁；11、钢梁；12、混凝土槽体；13、支撑块；14、钢管桩；15、路基。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏包括再生缓冲吸能材料和钢制外壳，所述再生缓冲吸能材料由建筑垃圾为原料制备而成，对钢制外壳进行整体填充，形成复合式结构。上述复合式缓冲防撞护栏可设置为桥梁、公路路侧及中央分隔带护栏。

上述基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏还包括钢制外壳内纵向肋板和竖向肋板，所述纵向肋板和竖向肋板设置数量、厚度、间距可根据防护等级需求进行设计。纵向肋板，除了起到增加再生缓冲吸能材料与钢制外壳的复合强度之外，还起到当碰撞发生时，增加钢制外壳的纵向拉伸强度和延展性，确保钢板在碰撞下以柔性形变的形式将碰撞能量传递到内部缓冲吸能材料，而不出现脆性断裂(克服了面板单元直接承受荷载情况下的强度小、局部稳定性差等缺点)，同时与缓冲吸能材料共同参与吸能(当钢制外壳和缓冲吸能材料在碰撞后出现形变时，也会带动纵向肋板发生柔性形变进而吸能)。竖向肋板，除了作为钢制外壳的两侧封板，便于缓冲吸能材料现浇填充之外，主要发挥将荷载传递至梁体的作用，即当碰撞发生时，通过面板结构或纵向肋板传递至竖向肋板的部分碰撞作用，以及直接作用于竖向肋板的碰撞均可通过竖向肋板传递至梁体；同时，竖向肋板的设置也增加了防撞护栏结构与基础连接的焊缝长度，提高防撞结构的整体抗倾覆稳定性，从而增强整个结构的防撞性能，避免车辆驶出护栏。通过纵向肋板和竖向肋板的设置，可减薄钢制外壳尤其是迎撞面钢板的厚度，降低材料成本的同时降低面板单元刚度，以保证护栏有足够防撞强度和整体稳定性的情况下，更充分的发挥缓冲吸能材料性能。

上述基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏中，所述缓冲吸能材料是以建筑垃圾为原料制备而成的低强度、低密度、高孔隙率再生材料，通过碰撞时触发其材料微观组织变化和响应来吸收碰撞能量，具有良好的缓冲吸能性质。该缓冲吸能材料具备自流平、自密实、可现浇、耐久性好等优势，施工方便，造价低廉。另外，该缓冲吸能材料密度仅为300-1000kg/m³(常规钢筋混凝土护栏材料密度约为1500-2000kg/m³)，轻量化特征显著，可大幅削减桥梁、路基载荷。

上述基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏中，所述钢制外壳为预制构件，由多节段(迎撞面钢板、非迎撞面钢板、顶板、纵向肋板和竖向肋板)组成，纵向肋板和竖向肋板与钢制外壳通过焊接方式固定，便于拼装和运输。钢制外壳与桥梁、路面通过焊接、栓接或嵌固方式固定即可，连接可靠，施工方便。

上述基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏中，所述钢制外壳迎撞面钢板厚度为2-8mm，非迎撞面钢板厚度为4-10mm，顶板厚度为2-8mm。所述纵向肋板和竖向肋板钢板厚度为4-10mmm。本发明中，钢制外壳、纵向肋板和竖向肋板均采用较薄的构件，且填充的缓冲吸能材料内无需配置加强钢筋，可大大减少运输和安装成本。

本发明中，所述再生缓冲吸能材料以建筑垃圾为主要原料制备，全组分(按质量份计)由以下构成：建筑垃圾100份、水泥60～120份、水50～100份、发泡剂0.5～3份、减水剂0.5～5份、碱激发剂0～8份、纤维0.5～3份、速凝剂1～5份等。制备的再生材料闭合泡孔直径小(孔径不超过1mm)、泡孔率(50％～80％)。前述的建筑垃圾包括但不限于废弃的混凝土、砂浆块、砖瓦、石块、玻璃、陶瓷、橡胶等中的任意一种或几种混合物破碎而成，粒径≤4.75mm。

本发明中，再生缓冲吸能材料与钢制外壳、纵向肋板和竖向肋板形成复合式结构，各部分相互配合，使本发明中的护栏具有良好的缓冲、阻拦和导向功能，主要体现在：

①碰撞发生时，钢制外壳通过柔性形变将碰撞载荷传递至内部再生缓冲材料，触发再生缓冲材料的微观组织变化和响应，充分发挥其缓冲吸能作用，同时通过纵向肋板确保钢板不出现脆性断裂，并参与缓冲吸能作用，有效削减碰撞过程中司乘人员相对速度和加速度，减少人员车辆损伤；②通过钢制外壳结构和竖向肋板设置加强护栏阻拦功能，有效阻挡车辆穿越、翻越和骑跨护栏。③通过钢制外壳对再生缓冲材料进行包裹，避免碰撞过程中由于缓冲材料强度较低而出现构件脱离情况，增强护栏安全性。同时也避免再生缓冲材料与外部环境的直接接触，增加了其耐久性。④将再生缓冲吸能材料对钢制外壳进行整体填充，增加了再生缓冲吸能材料的厚度和孔隙压缩空间，极大发挥了再生缓冲材料的吸能特性。(再生缓冲吸能材料孔隙溃缩效果取决于压缩空间，厚度越大，缓冲吸能特性越强；)⑤钢制外壳表面平滑连续，可充分发挥导向功能，使车辆碰撞后顺势回到正常行驶轨迹，不超出导向驶出框范围，避免引发二次碰撞。

本发明中，作为复合式缓冲防撞护栏，可通过调控再生缓冲吸能材料配方、钢制外壳厚度、纵向肋板和竖向肋板参数(厚度、数量和间距)满足不同防撞等级的需求。

本发明中，将再生缓冲吸能材料对钢制外壳进行整体填充，提升了建筑垃圾资源化利用率，提高了建筑垃圾再生产品利用等级和附加值，且本护栏安装和施工均十分方便，大大降低了护栏整体成本，具有显著的社会、环境和经济效益。

本发明中，再生缓冲吸能材料、钢制外壳、纵向肋板和竖向肋板均为便于更换的构件，事故发生后，维修更换方便，可修复性强。

上述基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏中，所述缓冲吸能材料可不限于建筑垃圾再生材料，也可填充聚氨酯泡沫、金属泡沫、泡沫混凝土或橡胶等吸能材料。所述钢制外壳、纵向肋板和竖向肋板可不限于钢材，也可用具有一定韧性、延性良好的金属材料进行替代。

本发明还提供一种上述基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏的施工方法，包括以下步骤：

施工方法：

s1：预制迎撞面钢板、非迎撞面钢板、顶板、纵向肋板和竖向肋板，并将纵向肋板与迎撞面钢板、非迎撞面钢板和顶板焊接；

s2：将迎撞面钢板、非迎撞面钢板和竖向肋板按要求拼装为钢制外壳，并安装就位；

s3：向钢制外壳内灌注再生缓冲吸能材料并安装顶板。

本发明还提供了以下具体实施例：

实施例1：

如图1所示，本实施例基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏，包括迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3、纵向肋板4、再生缓冲吸能材料5和竖向肋板6，纵向肋板4焊接在迎撞面钢板1、非迎撞面钢2、顶板3上，并与竖向肋板6构成钢制外壳，内部灌注再生缓冲吸能材料5。纵向肋板4和竖向肋板6设有多个。迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3及纵向肋板4等可通过预制成便于运输的小节段。

该护栏安装在混凝土梁10上，带有纵向肋板4的迎撞面钢板1、带有纵向肋板4的非迎撞面钢2以及竖向肋板6与混凝土梁10上预留的预埋件7通过焊接或者栓接构成钢制外壳，然后灌注再生缓冲吸能材料5并安装带有纵向肋板4的顶板3，达到强度后即安装完成。护栏施工完成后再进行面层9或垫层8的铺装，完成整个桥面的施工。

实施例2：

如图2所示，本实施例基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏，包括迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3、纵向肋板4、再生缓冲吸能材料5和竖向肋板6，纵向肋板4分别焊接在迎撞面钢板1、非迎撞面钢2、顶板3上，并与竖向肋板6构成钢制外壳，内部灌注再生缓冲吸能材料5。纵向肋板4和竖向肋板6设有多个。迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3及纵向肋板4等可通过预制成便于运输的小节段。

该护栏安装在钢梁11上，带有纵向肋板4的迎撞面钢板1、带有纵向肋板4的非迎撞面钢2以及竖向肋板6与钢梁11直接焊接或者栓接并构成钢制外壳，然后灌注再生缓冲吸能材料5并安装带有纵向肋板4的顶板3，达到强度后即安装完成。护栏施工完成后再进行面层9或垫层8的铺装，完成整个桥面的施工。

实施例3：

如图3所示，本实施例的基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏，包括迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3、纵向肋板4、再生缓冲吸能材料5和竖向肋板6，纵向肋板4分别焊接在迎撞面钢板1、非迎撞面钢2、顶板3上，并与竖向肋板6构成钢制外壳，内部灌注再生缓冲吸能材料5。纵向肋板4和竖向肋板6设有多个。迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3及纵向肋板4等可通过预制成便于运输的小节段。

该护栏安装在整体型中央隔离带上，带有纵向肋板4的迎撞面钢板1、带有纵向肋板4的非迎撞面钢板2以及竖向肋板6进行预制焊接构成钢制外壳，嵌入混凝土槽体12中并与预埋件7焊接或栓接，然后灌注再生缓冲吸能材料5并安装带有纵向肋板4的顶板3，达到强度后即安装完成。护栏施工完成后再进行面层9或垫层8的铺装，完成整个路面的施工。

实施例4：

如图4所示，本实施例的基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏，包括迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3、纵向肋板4、再生缓冲吸能材料5和竖向肋板6，纵向肋板4分别焊接在迎撞面钢板1、非迎撞面钢2、顶板3上，并与竖向肋板6构成钢制外壳，内部灌注再生缓冲吸能材料5。纵向肋板4和竖向肋板6设有多个。迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3及纵向肋板4等可通过预制成便于运输的小节段。

该护栏安装在分设型中央隔离带上，带有纵向肋板4的迎撞面钢板1、带有纵向肋板4的非迎撞面钢2以及竖向肋板6进行预制焊接构成钢制外壳，嵌入混凝土槽体12中并与预埋件7焊接或栓接，随后灌注再生缓冲吸能材料5并安装带有纵向肋板4的顶板3，同时设置中央分隔带支撑块13，待再生缓冲吸能材料5达到强度后即安装完成。护栏施工完成后再进行面层9或垫层8的铺装，完成整个路面的施工。

实施例5：

如图5所示，本实施例的基于建筑垃圾再利用的复合式缓冲防撞护栏，包括迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3、纵向肋板4、再生缓冲吸能材料5和竖向肋板6，纵向肋板4分别焊接在迎撞面钢板1、非迎撞面钢2、顶板3上，并与竖向肋板6构成钢制外壳，内部灌注再生缓冲吸能材料5。纵向肋板4和竖向肋板6设有多个。迎撞面钢板1、非迎撞面钢板2、顶板3及纵向肋板4等可通过预制成便于运输的小节段。

该护栏安装在道路的路基15上，带有纵向肋板4的迎撞面钢板1、带有纵向肋板4的非迎撞面钢2以及竖向肋板6进行预制焊接构成钢制外壳，与预埋在路基15中的钢管桩14焊接或栓接，随后灌注再生缓冲吸能材料5并安装带有纵向肋板4的顶板3，待再生缓冲吸能材料5达到强度后即安装完成。护栏施工完成后再进行面层9或垫层8的铺装，完成整个路面的施工

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。