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建筑废弃料对城市绿地土壤渗透性的改良

2016-12-15吴雨桐张开明孔成轩刘灿成王丹妮王和平

顺德职业技术学院学报 2016年4期
关键词:城市绿地渗透性渗透系数

吴雨桐, 张开明, 孔成轩, 刘灿成, 王丹妮,王和平

(广东工业大学 土木与交通工程学院,广东 广州 510006)

建筑废弃料对城市绿地土壤渗透性的改良

吴雨桐, 张开明, 孔成轩, 刘灿成, 王丹妮,王和平

(广东工业大学 土木与交通工程学院,广东 广州 510006)

以建筑废弃料中的加气混凝土和固结砂浆为土壤填料,采用常水头渗透实验,研究其对城市绿地土壤渗透性的改良作用,得出结论:这两种土壤填料的渗透性远大于纯土壤的渗透性,为建筑废弃料用于城市低影响开发提供了新的思路;加气混凝土和固结砂浆均呈碱性,针对大城市及部分工业城市的酸雨现象,雨水经地表流入地下时,对雨水pH进行中和改善,有效保护地下水。

建筑废弃料;城市绿地;渗透性;pH值

土壤渗透性是指土壤传导液体或气体的能力,常以渗透系数度量。渗透性是衡量城市绿地土壤对雨水的渗蓄能力的关键指标。目前,城市绿地土壤总体上存在容重偏大﹑孔隙率较低和渗透速率低﹑土壤酸化的现况[1],严重影响城市绿地土壤对于雨水的蓄渗效果及城市排水系统对于强降雨等雨水灾害的抵抗力;对于国内一﹑二线以及大部分工业城市,酸雨在年降水的比例中不断增加,且我国南方土壤本来多呈酸性,再经酸雨冲刷,大大加速了土壤酸化过程[2]。

为改善土壤渗透性与过度酸化问题,寻找合适的建筑废弃料对城市绿地土壤进行改良,一方面可以较低的改造成本,改善低渗透绿地土壤的渗蓄能力,并且有效减缓酸雨对城市土壤带来的次生危害,缓解城市排水﹑防涝压力;另一方面,与其它垃圾相比,建筑废弃料具有量大和可资源化利用率高等特点。其中,混凝土﹑碎砖块等占城市建筑废弃料的比重较大﹑易获取。本实验将加气混凝土﹑固结砂浆等建筑废弃料破碎成骨料,经过筛分,除去杂质,按体积比例混合,形成填料。研究不同体配比的填料对土壤渗透性改良效果,以及水渗过填料后pH值的变化。

1 实验材料与方法

1.1 实验方法

采用常水头渗透实验测定填料的渗透系数,计算式如下:

式中:kT为水温为T℃时试样的渗透系数(cm/ s);Q为时间t秒内的渗出水量(cm3);L为测压管中心间的距离(cm);A为试样的断面积(cm2);H为平均水位差(cm)。

实验以水温20 ℃为标准温度,标准温度下的渗透系数应按下式计算:

式中:k20为标准温度时试样的渗透系数(cm/ s);ηT为T℃时水的动力粘滞系数(kPa·s);η20为20 ℃时水的动力粘滞系数(kPa·s)。

实验采用内径为0.10 m﹑长度为1.00 m渗透柱,装置见图1。常水头渗透实验按《GB/T 50123—1999土工试验方法标准》。实验过程中测定出水量﹑水位﹑在渗透柱不同位置取水样,测定水样的pH值。

图1 常水头渗透装置示意图

1.2 实验的测定

本实验以加气混凝土﹑固结砂浆作为实验研究对象,以纯土壤做为对照组,辅以砾石﹑土工布等实验材料。通过人工粗分﹑破碎等方式对研究对象进行筛选。获得粒径0.5~2.0 mm的加气混凝土颗粒与固结砂浆颗粒,粒径≤2.0 mm的土壤材料。

按照表1的比例混合﹑搅拌材料,将配置好的填料分层装入渗透装置中并压实,压实后每层厚度为5 cm左右。填料及辅料装入渗透柱的顺序从下至上依次为:11 cm厚度的大砾石(粒径15~30 mm)作为垫层,1 cm厚度的小砾石(粒径4~6 mm),一层土工布,1 cm厚度的小砾石作为过滤层, 70 cm厚度的填料,并在填料顶铺满2 cm厚度的小砾石作为缓冲层。

表1 加气混凝土与固结砂浆体积比

进行实验时保持5 cm的恒定水头,当测压管水位稳定后,每2 min测量一次渗出,计算出水流量。测量并记录测压管的水位,计算平均水位差,同时测量进﹑出水温度取平均值,连续测10次。将实验所得数据代入公式(1)﹑(2),计算得出渗透系数。同时,测量进﹑出水及各取样口水样的pH值,实验用水采用自来水。

2 实验结果与数据分析

纯土壤和填料的渗透性实验结果见表2﹑表3。

表2 纯土壤渗透性及pH值参数

表3 填料渗透性及pH值参数

2.1 填料含量与渗透性的关系

由图2可知,填料的渗透性远大于纯土壤的渗透性;填料的渗透性随着固结砂浆含量增加﹑加气混凝土含量减少而呈上升趋势,即在两种材料中,固结砂浆对填料的渗透性增加的效果较大,可以认为是由于两种材料的组成成分及颗粒的结构特性造成的。加气混凝土原料的成分为:70%粉煤灰,13.8%水泥,13.8%石灰,2.96%石膏及微量铝粉,破碎筛

分后的固体颗粒表面呈粉质且含有许多细小孔隙,渗透过程中水体除了在重力作用下下渗外,还需要克服因颗粒孔隙而形成的毛细粘聚力,一定程度上降低了水体下渗速率。另外,加气混凝土颗粒易碎,分层压实时大颗粒容易进一步破碎成小颗粒,重新密实地填充颗粒间空隙,降低了空隙率,对填料渗透性有削弱作用。而固结砂浆原料的成分为:64%细砂骨料,16%水泥,20%水,破碎筛分后的颗粒为细砂以及水泥颗粒,细砂与水泥颗粒结构较稳定,不易破坏,颗粒间空隙率较大,渗透效果较加气混凝土颗粒好。

图2 填料含量与渗透性关系图

2.2 填料含量与ΔpH的关系

由图3可知,当固结砂浆含量≤33.3%时,流经填料后,水体的pH变化值随着固结砂浆的含量增加而增加;当固结砂浆含量>33.3%时,水体的pH变化值达到最大值,基本不随固结砂浆的含量增加而变化。分析两种填料颗粒成分可得:加气混凝土为轻质多孔硅酸盐制品,含有少量CaO等碱性物质,因此含量为100%的加气混凝土颗粒具有一定的碱性,可以在一定程度上改变水的pH。实验用的固结砂浆是由水﹑细砂骨料﹑水泥按1∶2.4∶0.6的比例配制,风干﹑破碎后固结砂浆颗粒仍含有硅酸盐水泥颗粒。硅酸盐水泥中的碱含量过高[3],水泥中的碱主要由生产水泥的原料粘土和燃料煤引入。水泥中的碱一部分以硫酸盐(K2SO4,Na2SO4,3K2SO4·Na2SO4,2CaS04·K2SO4)及碳酸盐(K2CO3,Na2CO3)的形式存在,一部分则固溶在熟料矿物中,如KC23S12,NC23S12,KC8A3,NC8A3[4]。在水体渗透过程中,硅酸盐水泥颗粒表面析出的K+﹑Na+﹑Ca2+溶于水形成水溶性碱盐,因此在一定范围内,随着填料中固结砂浆含量的增加,形成水溶性碱盐浓度增加,填料对水体pH的改变限度也增加;当水中所溶解的水溶性碱盐达到饱和值时,填料对水体pH的改变能力也达到饱和。

2.3 填料层厚度与pH的关系

图3 填料含量与ΔpH关系图

以加气混凝土∶固结砂浆=1∶1的渗透柱为例,图4为以常水头液面为零点,试样的取样位置与pH值的关系图。由图可见,在渗透过程中,起始阶段水体流经填料层厚8~18 cm,pH值显著增大;在18~58 cm厚度内pH值的增加速率有所下降;在58~88 cm内,pH值趋于稳定。分析认为,由于实验用水呈中性而填料呈碱性,因此开始时大量OH-进入水中,消耗H+使得pH呈突变,而随着新的平衡的建立,水的pH逐渐与填料pH接近,说明填料对水体pH的调节能力已达到饱和状态。滤层厚度仅需50 cm左右即可使水体pH达到最大。

图4 取样位置与pH关系图

3 结论

以纯土壤渗透作为对照实验可知,纯土壤对水的渗透系数较低,pH值变化不明显。通过不同比例的填料进行实验,所得结果显示渗透系数﹑pH均有显著改变。采用相同填料和配比进行多次重复实验,由渗透柱状图及pH柱状图可得: 1)填料中固结砂浆的比例增加,则渗透性增大; 2)填料中固结砂浆

的比例增加,则pH的缓冲容量也增加。

综上,加入建筑废弃料的土壤渗透性可得到较大改良,相同汇水面积﹑暴雨强度的前提下,加入建筑废弃料的土壤填料与纯土壤相比渗水时间大大缩短。针对这样的情况,添加由建筑废弃料组成的填料层,可对城市绿地土壤进行改良,为缓解城市内涝问题提出新的探究方向。对水的pH值的改变作用,可对大城市及部分工业城市流经地表的酸雨进行处理。以现有实验为基础,加气混凝土∶固结砂浆为2∶1时,渗透系数和pH改变量为综合最优值。本实验将继续探讨填料配比与土质的关系,对城市中常见建筑废弃料的资源化利用性进行更加系统地研究。

[1] 卫熹,唐宁远,李田.上海市绿地土壤渗透性调查及改良[J].净水技术,2011,30(4):78-83.

[2] 彭世良.湖南土壤酸化与土壤生态系统酸相对敏感性研究[D].长沙:湖南师范大学,2002.

[3] 石齐.水泥基饰面砂浆泛碱性能及抑制措施研究[D].重庆:重庆大学,2014.

[4] 封孝信,冯乃谦.水泥及混凝土中的有害碱与无害碱[J].混凝土,2000(10):3-7.

WU Yutong,ZHANG Kaiming,KONG Chengxuan,LIU Cancheng,WANG Danni,WANG Heping

(School of Civil and Transportation Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong 510006,China)Abstract:In the construction waste materials,the aerated concrete and the consolidated mortar are used as soil fillers through constant head permeability test. Through the study of the improvement of soil permeability of urban green space,we draw a conclusion that these two kinds of soil filler permeability is much better than that of pure soil permeability,which provides a new way to solve the problem of low impact development of construction wastes for city. The aerated concrete and the consolidated mortar are alkaline,which make them useful specific to the phenomenon of acid rain in the big cities and some industrial cities. When the rain flow into underground through the earth's surface,the two kinds of soil fillers can improve the pH value of rainwater,and effectively protect the underground water.

The Improvement of Urban Green Space Permeability by Two Kinds of Building Debris

construction waste materials;urban green space;permeability;pH value

TU528

A

1672-6138(2016)04-0001-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2016.04.001

[责任编辑:吴卓]

2016-09-01

吴雨桐(1996—),女,黑龙江哈尔滨人,研究方向:水工程经济技术管理。

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