建筑廢棄料對城市綠地土壤滲透性的改良

曹怡俊

上海琸域環(huán)境工程有限公司

1 引言

在當前城市化的快速推進過程中，各個城市都在積極進行改建與擴建，對各類建筑工程的改建與擴建中，產(chǎn)生了大量且多樣的建筑廢棄物，如果能夠?qū)⑦@些建筑廢棄物充分利用起來，就可以大大提升利用價值。根據(jù)有關(guān)研究，我國城市內(nèi)的建筑垃圾與建筑廢棄物占到了城市垃圾總量的30%～40%，對建筑廢棄物的循環(huán)利用完全適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求。在很多城市，會將一些建筑廢棄物作為土壤改良的重要材料，尤其是各個城市綠地面積逐步擴大的過程中，部分廢棄料可以使得土壤的滲透性得以改善，更滿足植物生產(chǎn)的條件。

2 建筑廢棄料對城市綠地土壤滲透性改良的優(yōu)勢

針對當前很多城市綠地存在的土壤滲透性與過度酸化的問題，各個城市都在積極推進土壤改良，建筑廢棄物是一種可供利用的資源，能夠有效改善綠地土壤，從而保持城市綠地良好的效益。如果能夠充分應(yīng)用建筑廢棄料，一方面可以有效降低城市綠地的改良成本，使得城市綠地土壤的滲蓄能力大大提升，緩解酸雨對城市土壤所造成的不利影響，否則，過度的酸雨將會導(dǎo)致土壤存在各種危害，難以保持城市綠地的應(yīng)有功能和效益，城市排水、防洪能力顯著降低。與其他類型的垃圾相比，建筑廢棄物具有可回收利用價值，通過相應(yīng)的處理，可以直接被應(yīng)用于其他方面，資源利用價值較大，比如，混凝土與碎磚塊是最為常見的建筑廢棄料，獲取容易、可利用價值高。

3 實驗材料與方法

本研究以建筑廢棄料中的固結(jié)砂漿、加氣混凝土作為研究對象，如果要探究這些廢棄料對城市綠地土壤滲透性的改良，需要將這些廢棄料破碎處理成骨料，隨后經(jīng)由篩分處理，去除其中的雜質(zhì)，按照特定比例加以混合，形成新的填料，分析不同配比條件下的填料對于土壤滲透性改良的影響。

3.1 實驗方法

在填料滲透系數(shù)的測定方面，采用的是常水頭滲透實驗，計算公式如下：

式中：

kr——當水溫處于T℃狀態(tài)時，試樣的滲透系數(shù)（cm/s）；

Q——t秒內(nèi)滲透出的水量大?。╟m3）；

L——測壓管中心間的距離（cm）；

A——試驗的斷面積（cm2），

H——平均水位差（cm）。

在實驗過程中，將20℃作為標準溫度，而在標準溫度條件下的滲透系數(shù)用下式來表示：

式中：

K20——試樣處于標準溫度條件下的滲透系數(shù)值（cm/s），

ηr——當水溫處于T℃狀態(tài)下水的動力黏滯系數(shù)（kPa·s）；

η20——標準溫度條件下水的動力黏滯系數(shù)（kPa·s）。

3.2 供試土壤材料

選用土壤為上海市某植物園的綠地土壤，根據(jù)檢測結(jié)果，黏粒、粉粒與砂粒含量分別為38.41%、39.74%、21.85%，實驗過程中，固結(jié)砂漿采用的是抹灰砂漿落地灰實驗室室內(nèi)配制，水、水泥、石灰與砂的配合比分別為1:0.6:0.6:2.4，而加氣混凝土塊直接用城市建筑廢棄料來進行。土壤、固結(jié)砂漿與加氣混凝土塊如果要滿足實驗的需求，需通過人工粗分與破碎處理的方式以后再經(jīng)由篩分處理，最終選取的加氣混凝土與固結(jié)砂漿粒徑范圍在0.5mm～2.0mm 之間，而所選擇的綠地土壤粒徑處于2mm以內(nèi)。

3.3 實驗過程

根據(jù)表1的比例將各種材料加以充分混合和攪拌，最終所形成的填料分層裝入滲透裝置中并加以壓實處理，在壓實處理以后，每層的壓實厚度均需在5cm 左右。填料與輔料在裝入滲透柱的過程中，需要遵循相應(yīng)的順序，從下到上為：11cm厚度的大礫石為墊層、1cm厚度的小礫石、土工布、1cm厚度的小礫石過濾層、70cm厚的填料，在填料的頂層，要鋪設(shè)一層2cm厚的小礫石，并將這一層作為緩沖層。

表1 加氣混凝土與固結(jié)砂漿體積比

在土壤的裝填作業(yè)開始之前，為了避免裝填過程中出現(xiàn)邊壁短流的情況，需首先在滲透柱內(nèi)部均勻涂抹一層澆水與中砂，形成粗糙邊壁表面。在滲透柱底部放置10cm的粗砂石，以保障滲透水可以順利通過，而粗砂石表面土工布與2mm 厚中砂的鋪設(shè)，是為了避免出現(xiàn)材料的滲透問題。在實際的裝填過程中，需要遵循分層裝填的原則，將每層的狀態(tài)厚度加以嚴格控制，每裝填完一層，就需要在上層狀態(tài)時將下層表面加以抓毛處理，避免土層之間存在嚴重的分層情況。

在實驗過程中，為保持實驗結(jié)果的可靠性，需保持5cm的恒定水頭，當測壓管水位逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)以后，每2min需要測量一次滲出量，并根據(jù)相應(yīng)的測量結(jié)果來計算出水流量值。在實驗過程中，要記錄每次的測量結(jié)果，尤其是要根據(jù)所記錄的測壓管水位情況，來獲得平均水位差。進水與出水溫度測量以后，要取平均值，連續(xù)測量10次，將所獲得的測量結(jié)果代入填料滲透系數(shù)與標準溫度滲透系數(shù)公式中，最終獲得滲透系數(shù)值。

4 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1 填料含量與滲透性的關(guān)系

填料的滲透性要遠遠超純土壤的滲透性，填料滲透性與固結(jié)砂漿含量之間存在著緊密的聯(lián)系，在固結(jié)砂漿含量越高的情況下，填料的滲透性也將逐步增加；填料滲透性同樣與加氣混凝土含量息息相關(guān)，當加氣混凝土含量逐步減少時，填料的滲透性反而逐步增大。在填料滲透性增大的影響因素中，固結(jié)砂漿含量的影響更為顯著，填料的滲透性是由加氣混凝土、固結(jié)砂漿的成分、顆粒結(jié)構(gòu)來決定的。當加氣混凝土原料成分處于最佳的狀態(tài)下時，在經(jīng)由破碎與篩分處理以后，固體顆粒表面會呈現(xiàn)出粉質(zhì)或者許多細小孔隙的狀態(tài)，在滲透過程中，除了重力作用會造成水體的下滲，顆?？紫端嬖诘拿氿ぞ哿绊懰w的下滲，只有克服了這一因素的限制，才能夠保持水體下滲的速率。此外，加氣混凝土顆粒具有易碎性，在分層壓實處理的過程中，其中的一部分大顆?？赡軙恢鸩狡扑槌蔀橐恍┘毿☆w粒，重新對原有顆粒間的空隙加以填充，空隙率大大減小，密實度的提升必將導(dǎo)致填料滲透性的減弱。當固結(jié)砂漿原料處于最佳的成分狀態(tài)下時經(jīng)由破碎與篩分處理的顆粒會變?yōu)榧毶芭c水泥顆粒，而這些顆粒的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，在各種作用下不易被破壞，顆粒間的空隙率較大，因此，這一特性使得固結(jié)砂漿的滲透性相對較好。

4.2 填料含量與ΔpH的關(guān)系

填料含量與ΔpH 的關(guān)系如圖1 所示，固結(jié)砂漿含量與ΔpH之間存在著緊密的聯(lián)系，當固結(jié)砂漿含量逐步增大時，ΔpH也隨之呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢，其中，拐點處于含量在33.3%左右。當固結(jié)砂漿的含量在33.3%以下時，ΔpH 與之呈現(xiàn)出正向變化的關(guān)系，當固結(jié)砂漿含量逐步增大時，ΔpH 也隨之變大，當固結(jié)砂漿含量超過了33.3%，ΔpH會逐步減小。從填料顆粒成分的角度來分析，由于加氣混凝土多為輕質(zhì)多孔硅酸鹽制品，其中，含有一定量的CaO等堿性物質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)組成使得如果是含量為100%的加氣混凝土顆粒，將會呈現(xiàn)出明顯的堿性特征，這種物質(zhì)可以有效改善水的pH值。在此實驗中，所使用的固結(jié)砂漿中主要包含了水、細砂骨料與水泥等物質(zhì)，且這些物質(zhì)是按照一定比例所配制的，當對這些砂漿經(jīng)由風干與破碎處理以后，在固結(jié)砂漿顆粒中依舊存在一定量的硅酸鹽水泥顆粒，而這部分顆粒中堿含量往往超出了正常標準，對于水泥中的堿而言，其一般是由生產(chǎn)水泥的原料黏土與燃料煤所造成的。水泥中的堿一部分以硫酸鹽與碳酸鹽的形式存在，而另一部分則會以固溶的形式存在，固溶在熟料礦物中。在水體逐步滲透的過程中，硅酸鹽水泥顆粒表面會析出鈣離子、鈉離子，當這些離子溶于水以后，就會形成水溶性堿鹽，因此，在一定的條件下，如果填料中的固結(jié)砂漿含量逐步增加，必然會導(dǎo)致水溶性堿鹽濃度增大，而在此變化趨勢下，填料也將使得水體中pH 值限度逐步增大；在水中的水溶性堿鹽達到飽和狀態(tài)下時，填料對水體pH值的改變能力也會逐步達到飽和狀態(tài)下。

圖1 填料含量與ΔpH關(guān)系圖

5 不同材料的滲透性效果對比

不同類型的建筑廢棄物對于城市綠地土壤滲透性的改良影響也存在著不同的區(qū)別，固結(jié)砂漿與加氣混凝土填料都能夠改良土壤的滲透性，純土壤下的滲透系數(shù)要遠遠低于固結(jié)砂漿與加氣混凝土填料下的滲透系數(shù)。而固結(jié)砂漿與加氣混凝土填料相比，固結(jié)砂漿的滲透性強度要高于加氣混凝土，在城市綠地土壤滲透性改良的過程中，固結(jié)砂漿土壤滲透性改良效果更為顯著。對于固結(jié)砂漿與加氣混凝土而言，中砂與粉煤灰為其中的核心材料，根據(jù)這兩種材料的特性，中砂表面更具密實性與光滑性，這一特性使得在土壤滲透性的改良過程中，能夠發(fā)揮其緊密堆積性特性。相比較而言，粉煤灰的結(jié)構(gòu)比較特殊，其屬于蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得在同一細度模數(shù)條件下的中砂與粉煤灰顆粒，加氣混凝土的比表面積更大，因此，在吸水能力方面，加氣混凝土要強于固結(jié)砂漿。從水在空隙中的流動程度來看，固結(jié)砂漿導(dǎo)水率要高于加氣混凝土，而導(dǎo)水率與土壤滲透系數(shù)之間同樣存在著緊密的聯(lián)系，而正向變化的關(guān)系，因此，固結(jié)砂漿的滲透系數(shù)更好，在城市綠化工程中可以選擇固結(jié)砂漿填料來改善土壤的滲透性。

6 結(jié)束語

近年來，隨著城市綠地工程的增多，為建設(shè)生態(tài)文明城市，上海市都在提高各種材料的利用率，尤其是要提升建筑廢棄物的利用價值。上海市主要以黏土為主，建筑廢棄物的種類繁多，一些廢棄物的使用可以改善上海市土壤的滲透特性，而土壤滲透性的改變使得種植土土質(zhì)得以改良，滲透性越好，說明土壤的流失量就越少，越能夠為植物生長創(chuàng)造良好的條件，對城市綠地效益提升越有利。