建筑废料在港口工程中的再利用研究探讨

2019-12-30李少斌丁建军卢生军

港工技术 2019年6期

李少斌，丁建军，卢生军

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

引言

近年来，国内外港口工程及填海造地等项目规模爆发式增长。传统的砂石料由于开采限制和环保要求等因素已无法满足需求。与此同时，政府出台了一系列政策鼓励和推广建筑废料的资源化利用。且国内外针对建筑废料再利用工艺和技术在工程和建筑材料方面的研究已取得较多成果。港口工程领域，欧洲CIRIA协会的Rock Manual[1]设计指南和日本 OCDI协会的港口工程技术规范[2]中对建筑废料的再利用做了简要介绍。本文在国内外研究成果的基础上，结合港口工程的工程特点，从设计、施工和检测三个方面对建筑废料再利用在港口工程的应用进行探讨。

1 建筑废料再利用技术发展现状

根据《建筑垃圾处理技术规范》[3]，建筑废料即建筑垃圾是指各类建筑物和构筑物及其辅助设施等进行建设、改造、装修、拆除、铺设等过程中产生的各类固体废物。主要包括渣土、废旧混凝土，碎砖瓦、废沥青、废旧管材、废旧木材等。建筑废料再利用技术是指建筑废料经过粗分、破碎、筛选的预处理系统工艺后，将其重新利用于社会生产活动的技术。我国建筑废料处理典型工艺如图1所示。

工程领域，建筑废料再利用应用的大多为碎砖瓦、碎砖石、碎混凝土等无机物。国内外学者自20世纪 60年代已开展对建筑废料的再利用技术和工艺的研究，目前已取得一定的成果。美国、日本等一些国家对再生集料进行了相关研究[4]，并成功应用于再生混凝土生产和作为道路工程的路面基层和底基层材料。新加坡[5]将海/河/湖底的淤泥以及建筑工程废土等组合在一起，添加化学复合固化剂形成垃圾材料矩阵，再进一步结合化学物理复合法，形成一种“新生土”用于诸如填海造地等基建工程。国内许多研究集中于通过室内试验对建筑废料再生集料力学特性指标的评估，再生集料配比对混凝土强度的影响，以及地基加固工程和道路工程中再生集料的现场施工工艺和检测技术等方面。

图1 我国建筑废料处理工艺

综上，建筑废料无论在建筑材料（如再生混凝土等）的研发应用，或是工程实践中设计、施工和检测技术都得到了广泛的研究和应用，且积累大量的工程案例经验。

2 建筑废料在港口工程中应用范围

港口工程，本文主要针对港口水工建筑物，其包括码头、防波堤、护岸、陆域回填及处理、船台滑道和船坞等。常见的港口工程需要大量的砂石、水泥和混凝土等材料，而建筑废料在通过一定的物理化学处理或再次配制生产的再生集料将可替代这些材料应用于堤心、陆域回填料和地基加固材料等。

港口工程相对于其他工程具有明显的环境特性，因此建筑废料的再利用先决条件需确保不会衍生环境问题。建筑废料的再生集料组成物质较为复杂，含有高强度的混凝土与低密度材料砖、瓦等混合一起，且在长期的自然环境中遭受着空气中的腐蚀性气体的侵蚀与碳化，导致再生骨料的强度一般均低于天然碎石骨料，因此建筑废料在港口工程中应用有其局限性，在重要承重混凝土结构处如桩基、沉箱和纵横梁等，以及外海环境下对骨料强度要求较高部位如护面和垫层石等应慎重使用。Rock Manual根据再生集料浸出程度将其在港口工程中的应用分成两类，如表1所示。日本OCDI协会的港口工程技术规范中提到建筑废料处理焚烧后的钢渣等类砂材料，其有效内摩擦角大，透水性好，比重大，可用作于港口陆域回填料、沉箱填充料和地基加固桩基材料。

表1 Rock Manual中再生集料应用分类

本文基于现有建筑废料再生集料研究成果，综合考虑港口工程结构功能，将建筑废料再生集料的应用分为直接应用和再生应用，如图2所示。

图2 建筑废料再利用在港口工程应用分类

3 港口工程建筑废料再利用设计

建筑废料再生料由于成分复杂，与天然材料相比有很大的差别，其特性不仅与自身天然属性相关，而且与历史使用环境有很大的影响。因此建筑废料在港口工程中再利用时，在设计阶段须充分掌握建筑废料的来源，并结合详细的研究和试验，掌握其成分的完整特性。在室内试验结果和现场试验所得到的数据，利用GEO-studio和MIDAS／GTS等数值分析软件进行分析校验，设计流程如图3所示。

图3 港口工程建筑废料再利用设计流程

对于再利用渣土，结合《水运工程岩土勘察规范》或BS 5930等国内外勘察规范进行含水率、密度、比重、颗粒分析等物理性试验以及直剪、三轴压缩、固结和无侧限抗压强度等力学性试验。针对来源可能存在污染的废弃渣土还应进行土腐蚀性相关试验。对于再生骨料，其密度，级配，强度和耐化学腐蚀性等指标对设计有重要的影响，可根据欧洲规范EN 13383和EN 1097等及美标ASTM相关规范进行试验。再生骨料的强度一般用洛杉矶磨损率指标来进行表征，反映物料在特定环境下抵抗自然磨蚀、冲击磨损、剪切力等磨损力的综合指标。一般情况下，应用于港口工程中的再生骨料洛杉矶磨损率应不大于35 %。国内各省自行发布的再生集料技术规范中对其指标要求和试验批次及项目进行了规定。以香港三跑机场公众填料处理项目为例，其对建筑废料再生料的试验要求如表2所示。

对再生骨料混凝土，在拌合物性能、力学性能、力学性能、长期性能和耐久性能、强度检验评定及耐久性检验评定等满足国内外相关混凝土质量控制标准前提下，可采用相关结构设计规范推荐的强度值和弹性模量。对混凝土量较大的工程，有试验条件时，应进行配合比设计，对不同再生骨料替代率配置的混凝土进行强度试验，已确定最优化的混凝土配合比[6]。目前国内普遍认为再生混凝土的强度和耐久性较普通混凝土较差，只适用于结构非承重构件。而国外已有相关学者根据试验证明再生混凝土的抗剪，抗弯和疲劳性能等与普通混凝土相差不大，且在抗裂性等方面表现更优。因此，随着建筑废料再利用的推广以及其成本降低，使得再生混凝土广泛应用成为可能。

表2 香港三跑机场公众填料处理项目试验项目

根据上述所得参数采用数值分析软件进行计算分析。由于建筑废料成分复杂，所得参数存在不规律性，因此设计人员须进行多方案设计比选，对某种结构进行多参数敏感性分析，从结构安全、环境效益和费用成本等因素进行综合考虑确定最优方案。在实施阶段中应跟踪现场试验结果数据，并对其进行分析讨论，必要时对原有设计进行优化。在项目结束后需进行总结，为后续类似项目提供参考。

4 港口工程建筑废料再利用施工和检测

港口工程建筑废料再利用施工中的材料供应，运输，存储和施工工艺需注意以下几个方面问题。

1）材料供应，应结合施工组织方案和所在地废料供应情况确定由供应商直接提供或现场自给生产。对于供应商供货，应按规定批次检查质量证明文件及对再生集料进行进场检验。若施工承包商自给生产，则应调查明确建筑废料供应地的物料有效利用率、有效公填料出量，出运情况等，并结合工期合理配置运输船舶，卸船设备和筛分处理设备等以确保建筑废料处理能力满足工程进度需要。

2）材料运输应防止二次污染，并采取防止粉尘飞扬等措施。对于再生集料运输应防止混入杂物。材料应按类别、规格分开堆放储存，且应采取防止混入杂物、人为碾压和污染的措施。在雨季特征明显的区域应采取覆盖、遮挡和保护措施，有条件时应配备料厂。

3）施工过程中应保证建筑垃圾的均匀性，加工后的建筑垃圾填料应采用挖掘机反复进行拌和，防止建筑垃圾骨料出现离析现象。施工工艺和工序应满足《码头结构施工规范》等港口工程施工技术规范。在无历史数据和类似经验时，应设置施工标准段进行试验性施工以确定最优的施工方案。如地基处理工程，通过试验段的再生集料配合比验证及调整，以及处理工艺的对比，合理确定各种工艺参数。

4）提前做好各监管部门的沟通工作。目前各地区针对建筑废料再利用暂无明确法律或规范支持，因此施工过程中可能存在被罚款或停工等问题。施工单位在项目初始应与监管部门接洽，针对建筑废料再利用可能存在的施工问题进行研究讨论，共同推进本区域建筑废料再利用监管工作的发展。

施工完成后按港口工程验收标准，如采用《水运工程质量检验标准》等规范对其进行验收。对于回填和地基处理等分项工程应进行施工过程中土压力、沉降、孔隙水压力等监测，以掌握再生集料在荷载作用下的变形等特性。施工完成后，进行了施工过程及完成后的密实度测试、CBR试验、动力触探试验、旁压试验、静力平板载荷试验等试验对回填和处理效果进行检测[7]。