建筑垃圾再生骨料在海綿城市儲水結構體中的應用

馬學通, 高德彬, 嚴耿升, 王 寶

(1.長安大學 地質工程與測繪學院, 陜西 西安 710054; 2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司, 陜西 西安 710065; 3.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院, 陜西 西安 710055)

城市雨洪問題是制約中國城市建設的核心問題之一，因地表不透水鋪裝，雨水下滲通道減少，導致地表徑流增加，進而加重了城市排水系統的負荷[1]。海綿城市遵循低影響開發(LID)原則，在城市建設中得到廣泛應用，有效的緩解了城市雨洪問題[2]。另一方面，中國建筑垃圾年產量達2.00×109t，再生利用率僅8%，對環境造成了嚴重影響[3]。傳統海綿城市儲水結構體采用天然碎石材料進行鋪設，將建筑垃圾再生骨料用于“海綿城市”儲水結構體的建設中，可以有效的減少天然材料的使用，同時為建筑垃圾再生利用提供新的途徑，具有良好的社會經濟價值。楊麗瓊等[4]通過化學成分分析指出建筑垃圾滲濾液對人體和環境無不良影響。郭士民[5]，喬明晨[6]研究表明，紅磚對重金屬吸附效果良好，對有機物也有一定的吸附作用。喬明晨[6]、李巖凌等[7]研究表明再生骨料可更有效的降低環境溫度，出水pH值與天然骨料相差不大。上述研究均表明建筑垃圾可有效的吸收雨水徑流中的重金屬及有機物，不會對環境造成二次影響，證明了建筑垃圾在海綿城市中應用的環境可行性。胡明玉等[8]、謝若奇等[9]研究表明，建筑垃圾再生骨料具有較好的透水性，可用于海綿城市上部透水結構砌塊的生產。蘇勝奇等[10]、李巖凌等[7]、李顯等[11]研究表明，建筑垃圾再生骨料蓄水能力可達到天然骨料的2倍以上。朱希等[12]研究表明，建筑垃圾滲井可有效提高場地滲透性能，提高土體的入滲效率。但對于建筑垃圾顆粒破碎研究較少。值得指出的是，建筑垃圾再生骨料力學性能與天然骨料有一定的差距[13]，受壓后容易產生破碎[14]，可能影響其結構穩定性及儲水性能。

基于此，本文通過室內大型壓縮試驗，對建筑垃圾再生骨料在不同配比及含水率下顆粒破碎與沉降變形關系進行探討分析，對比其壓縮前后的儲水性能，并通過浸出毒性試驗研究了建筑垃圾骨料對環境的影響，以期為建筑垃圾再生骨料用于“海綿城市”儲水結構體等提供依據。

1 試驗設計

1.1 試樣配備

壓縮試驗建筑垃圾材料取自西安市某大型建筑垃圾消納場，主要成分為廢混凝土及廢磚塊，取樣時間為2019年3月15日。選取粒徑4.75～37.5 mm再生粗骨料，根據最大密實度原理，采用Fuler-Talbol公式[15]〔式(1)〕設計再生骨料級配(見表1)。

表1 試驗骨料連續開級配設計

(1)

式中：Px為通過某一粒徑的百分比(%);Dmax為最大粒徑(mm)；dx為各粒級骨料粒徑(mm)；n為指數,本次試驗n取0.5。

1.2 試驗設計

1.2.1 大型壓縮試驗 根據表1骨料粒徑級配，制備了6種不同配比及5種不同含水率試樣，用以研究不同含水率及配合比再生骨料壓縮性能及壓縮前后儲水率變化情況(表2)。試驗時間為2019年4月5日至2019年4月7日。

表2 再生骨料基本物理參數

試驗壓力設備選用WAW-1000 D型微機控制電液伺服萬能試驗機，壓縮設備選用自制的直徑500 mm，高度250 mm的大型壓縮儀。沉降變形由試驗機行程控制系統測量，精度0.01 mm。

配制試驗所需試樣，分5層裝入試驗圓筒內，為防止骨料受力不均，在裝入后，先施加一定的預壓力，使試樣表面盡可能平整。加載等級依次為250,500，…，1 500 kPa，每級加載按照5，10，15，30，…，30 min的時間間隔記錄百分表讀數，當兩次讀數差值小于0.05 mm，視作沉降穩定，進行下一級加載。試驗結束后將試樣烘干篩分，并稱得各粒徑質量。

1.2.2 顆粒破碎分析 顆粒破碎是指材料在荷載作用下破碎成更小的顆粒[16]，會引起顆粒級配重組，對材料力學性質等會產生一定影響[17]。Bg是試驗前后用試樣粒組百分含量差的絕對值之和描述顆粒破碎情況〔式(2)〕。

(2)

式中：Bg為破碎率(%)；n為總粒級數；i為級數；Pi0為壓縮前該粒級比例(%)；Pi1為壓縮后該粒級比例(%)。

1.2.3 骨料儲水率試驗 依照壓縮試驗前后顆粒級配配比及含水率設計級配骨料，進行儲水試驗，試驗采用模型長×寬×高=1 m×1 m×1 m，依照“海綿城市”結構進行構建，分為4層，最下層填充60 cm厚建筑垃圾再生骨料(粗骨料層)，其上部為15 cm的砂層(細骨料層)及耕植土層，模型中部埋設一Φ100×1 200的抽排水管，水管壁下部約100 mm內等距設置排水孔，使水通過管道直接流入建筑垃圾再生骨料層。試驗時間為2019年6月14日至2019年7月13日。

1.2.4 潛在環境風險分析 建筑垃圾骨料用作海綿體時受水體作用可能存在一定的環境風險，基于此，本文對采自不同地區的建筑垃圾骨料進行浸出毒性研究，選用1～2 mm直徑建筑垃圾骨料，按照《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T299-2007)中相關要求，使用pH值為3.0，5.0,7.0的硫酸和硝酸混合液對建筑垃圾進行浸提，判斷建筑垃圾是否屬于危險廢物；并將浸提劑的pH值恒定在3.0，5.0,7.0，持續浸提，研究極端條件下建筑垃圾中污染物浸出情況。浸出毒性試驗所選用試樣取樣時間為2019年6月5日，試驗時間為2019年6月8日。

2 結果與分析

2.1 骨料力學性能分析

2.1.1 含水率對骨料力學性能的影響

(1) 含水率對顆粒破碎影響分析。圖1為不同含水率下骨料顆粒破碎率變化曲線。從圖1中可以看出，破碎率隨著含水率的增大呈現先增大后減小的變化趨勢，當含水率從3%增加到12%時，顆粒破碎率從121.73%上升至132.64%，而含水率從12%上升至15%時，顆粒破碎率從132.64%下降至127.6%，在“最優含水率”附近取得極大值。這是由于含水率較低時，水主要存在于顆粒內部，對顆粒起軟化作用，導致顆粒破碎率隨著含水率的上升而增大。當含水率超過最優含水率時，水主要起到潤滑作用，此時顆粒破碎率隨著含水率的上升而減小。

圖1 含水率與顆粒破碎指標變化特征

(2) 含水率對壓縮沉降影響分析。圖2為不同壓力下含水率與沉降量關系曲線。由圖2可以看出，在荷載一定的條件下，隨著含水率的增大，骨料壓縮沉降量也呈先增大后減小的趨勢，且其同樣在最優含水率處取得峰值。當荷載達到1 500 kPa時，最大沉降不足40 mm，且單位荷載增量引起的壓縮沉降量無明顯變化，說明建筑垃圾再生骨料結構體受壓后雖然產生嚴重的破碎現象，但結構體依然穩定。對不同壓力下含水率與沉降量進行擬合，得到如式(3)所示的公式，從公式(3)可以看出，在壓力不變的情況下，含水率與沉降量呈拋物線關系，其擬合曲線隨著壓力的增加，各項系數也不斷增加，沉降量取最大值時，含水率取值范圍為10.75%～11.24%，均值為11.05%。接近于建筑垃圾的“最優含水率”(11.56%)。因此，可以認為含水率對壓縮沉降的影響與對顆粒破碎的影響趨勢相同，含水率通過影響顆粒破碎來影響材料的壓縮沉降。

圖2 不同壓力下含水率與沉降量(w-s)曲線

(3)

2.1.2 配比對骨料力學性能的影響

(1) 配比對顆粒破碎影響分析。圖3為相同荷載下不同配比與顆粒破碎指標關系曲線。由圖3可知，隨著廢磚再生骨料比例的增大，顆粒破碎率逐漸增大，當廢磚骨料由0%增加至100%時，其顆粒破碎率由82.5%增大至157.2%。

圖3 不同配比-顆粒破碎指標曲線

(2) 配比對壓縮沉降影響分析。圖4為不同壓力下，磚骨料比例與壓縮沉降量關系曲線。由圖4可知，磚骨料比例與壓縮沉降量近似呈線性關系，在荷載一定的條件下，隨著磚骨料比例的增大，壓縮沉降不斷增大，當廢磚骨料由0%增至100%時，其最大沉降量由37.32 mm增大至47.13 mm。這是由于磚骨料強度較低，比混凝土骨料容易破碎導致的。

圖4 不同壓力下磚骨料比例與沉降量關系曲線

2.2 壓縮前后骨料儲水率試驗分析

由圖5可以看出壓縮前后儲水率隨著磚骨料比例的減少而減少，這是由于磚骨料吸水率大于混凝土骨料所導致的，骨料自身吸水亦被計入了儲水率中，導致儲水率隨著磚骨料的減少而減少；同時，由于壓縮導致骨料中細粒料含量增大，有效儲水體積減少，進而導致了壓縮后骨料的儲水率有不同程度的下降。由圖6可以看出，不同含水率的骨料在壓縮前其儲水率基本一致，但壓縮后在“最優含水率”附近的骨料儲水率下降較為明顯，這與骨料的破碎率呈現出良好的相關關系，說明了儲水率的下降主要是由于骨料破碎導致的，使骨料含水率遠離最優含水率可以有效的降低儲水率的變化率。

圖5 不同配比骨料壓縮前后儲水率

圖6 不同含水率骨料壓縮前后儲水率

因此，在工程建設過程中，需要考慮儲水結構體上部荷載對結構體材料級配的影響，以消除后期由于結構體受荷作用骨料發生壓縮破碎導致的儲水率的下降。

2.3 建筑垃圾骨料浸出毒性試驗分析

由表3可以看出，在不同地區所取建筑垃圾骨料中Cu，Pb，Cd未檢出，Cr濃極低，且不同采樣地點建筑垃圾骨料浸出毒性差別不大，根據浸出毒性判斷，其不屬于危險廢物。由表4可以看出，強化浸提后星火路隴海鐵路處的建筑垃圾骨料中Cr浸出濃度有所提高，根據《地下水環境質量標準》(GB/T 14 848-2017)相關標準，其所在區域地下水可劃分為Ⅳ類水體，其他采樣點均為Ⅲ類水體，這是由于隴海鐵路運送煤炭對鐵路周邊造成了一定的污染導致的。因此，采用建筑垃圾再生骨料作為“海綿城市”儲水結構體應考慮建筑垃圾取樣位置，避免采用受污染區域的建筑垃圾骨料，可以確保建筑垃圾骨料不會對壞境造成負面影響，這與楊麗瓊[4]的研究結論相同。

表3 不同地區建筑垃圾骨料標準浸提試驗結果

表4 不同地區建筑垃圾骨料強化浸提試驗結果

3 結 論

(1) 建筑垃圾不同配比對骨料顆粒破碎影響較大，隨著廢磚骨料比例增加，顆粒破碎程度明顯增加，同時其沉降變形也隨之增大。即當廢磚骨料由0%增加至100%時，其顆粒破碎率由82.5%增大至157.2%；最大沉降量由37.32 mm增大至47.13 mm。

(2) 不同含水率條件下，建筑垃圾再生骨料的破碎機制不同，在一定范圍內，顆粒破碎隨著含水率的增加而增大；當超過一定范圍后，顆粒破碎隨含水率的增加而減弱，再生骨料的含水率對骨料壓縮變形及顆粒破碎的影響具有一致性，即顆粒破碎是造成再生骨料壓縮沉降的主要原因。

(3) 再生骨料儲水率的變化主要是由于骨料破碎導致的，通過減少上部荷載或避開其最優含水率可以有效的減少骨料破碎，進而降低骨料儲水率的變化率。

(4) 重型擊實試驗雖不適合用于建筑垃圾骨料最優含水率的確定，但可通過重型擊實試驗所確定的“最優含水率”來指導儲水結構體含水率的控制，使結構體含水率遠離“最優含水率”，從而減少骨料破碎，增強結構體的儲水能力。

(5) 建筑垃圾浸出毒性試驗表明，不同地區的建筑垃圾可能對環境產生不同的影響，在工程應用中應避免污染地區建筑垃圾骨料的再利用，選擇無污染的建筑垃圾骨料則可以確保其對環境無不良影響。