建筑废弃料对城市绿地土壤渗透性的改良

曹怡俊

上海琸域环境工程有限公司

1 引言

在当前城市化的快速推进过程中，各个城市都在积极进行改建与扩建，对各类建筑工程的改建与扩建中，产生了大量且多样的建筑废弃物，如果能够将这些建筑废弃物充分利用起来，就可以大大提升利用价值。根据有关研究，我国城市内的建筑垃圾与建筑废弃物占到了城市垃圾总量的30%～40%，对建筑废弃物的循环利用完全适应可持续发展的要求。在很多城市，会将一些建筑废弃物作为土壤改良的重要材料，尤其是各个城市绿地面积逐步扩大的过程中，部分废弃料可以使得土壤的渗透性得以改善，更满足植物生产的条件。

2 建筑废弃料对城市绿地土壤渗透性改良的优势

针对当前很多城市绿地存在的土壤渗透性与过度酸化的问题，各个城市都在积极推进土壤改良，建筑废弃物是一种可供利用的资源，能够有效改善绿地土壤，从而保持城市绿地良好的效益。如果能够充分应用建筑废弃料，一方面可以有效降低城市绿地的改良成本，使得城市绿地土壤的渗蓄能力大大提升，缓解酸雨对城市土壤所造成的不利影响，否则，过度的酸雨将会导致土壤存在各种危害，难以保持城市绿地的应有功能和效益，城市排水、防洪能力显著降低。与其他类型的垃圾相比，建筑废弃物具有可回收利用价值，通过相应的处理，可以直接被应用于其他方面，资源利用价值较大，比如，混凝土与碎砖块是最为常见的建筑废弃料，获取容易、可利用价值高。

3 实验材料与方法

本研究以建筑废弃料中的固结砂浆、加气混凝土作为研究对象，如果要探究这些废弃料对城市绿地土壤渗透性的改良，需要将这些废弃料破碎处理成骨料，随后经由筛分处理，去除其中的杂质，按照特定比例加以混合，形成新的填料，分析不同配比条件下的填料对于土壤渗透性改良的影响。

3.1 实验方法

在填料渗透系数的测定方面，采用的是常水头渗透实验，计算公式如下：

式中：

kr——当水温处于T℃状态时，试样的渗透系数（cm/s）；

Q——t秒内渗透出的水量大小（cm3）；

L——测压管中心间的距离（cm）；

A——试验的断面积（cm2），

H——平均水位差（cm）。

在实验过程中，将20℃作为标准温度，而在标准温度条件下的渗透系数用下式来表示：

式中：

K20——试样处于标准温度条件下的渗透系数值（cm/s），

ηr——当水温处于T℃状态下水的动力黏滞系数（kPa·s）；

η20——标准温度条件下水的动力黏滞系数（kPa·s）。

3.2 供试土壤材料

选用土壤为上海市某植物园的绿地土壤，根据检测结果，黏粒、粉粒与砂粒含量分别为38.41%、39.74%、21.85%，实验过程中，固结砂浆采用的是抹灰砂浆落地灰实验室室内配制，水、水泥、石灰与砂的配合比分别为1:0.6:0.6:2.4，而加气混凝土块直接用城市建筑废弃料来进行。土壤、固结砂浆与加气混凝土块如果要满足实验的需求，需通过人工粗分与破碎处理的方式以后再经由筛分处理，最终选取的加气混凝土与固结砂浆粒径范围在0.5mm～2.0mm 之间，而所选择的绿地土壤粒径处于2mm以内。

3.3 实验过程

根据表1的比例将各种材料加以充分混合和搅拌，最终所形成的填料分层装入渗透装置中并加以压实处理，在压实处理以后，每层的压实厚度均需在5cm 左右。填料与辅料在装入渗透柱的过程中，需要遵循相应的顺序，从下到上为：11cm厚度的大砾石为垫层、1cm厚度的小砾石、土工布、1cm厚度的小砾石过滤层、70cm厚的填料，在填料的顶层，要铺设一层2cm厚的小砾石，并将这一层作为缓冲层。

表1 加气混凝土与固结砂浆体积比

在土壤的装填作业开始之前，为了避免装填过程中出现边壁短流的情况，需首先在渗透柱内部均匀涂抹一层浇水与中砂，形成粗糙边壁表面。在渗透柱底部放置10cm的粗砂石，以保障渗透水可以顺利通过，而粗砂石表面土工布与2mm 厚中砂的铺设，是为了避免出现材料的渗透问题。在实际的装填过程中，需要遵循分层装填的原则，将每层的状态厚度加以严格控制，每装填完一层，就需要在上层状态时将下层表面加以抓毛处理，避免土层之间存在严重的分层情况。

在实验过程中，为保持实验结果的可靠性，需保持5cm的恒定水头，当测压管水位逐步趋于稳定状态以后，每2min需要测量一次渗出量，并根据相应的测量结果来计算出水流量值。在实验过程中，要记录每次的测量结果，尤其是要根据所记录的测压管水位情况，来获得平均水位差。进水与出水温度测量以后，要取平均值，连续测量10次，将所获得的测量结果代入填料渗透系数与标准温度渗透系数公式中，最终获得渗透系数值。

4 实验结果与数据分析

4.1 填料含量与渗透性的关系

填料的渗透性要远远超纯土壤的渗透性，填料渗透性与固结砂浆含量之间存在着紧密的联系，在固结砂浆含量越高的情况下，填料的渗透性也将逐步增加；填料渗透性同样与加气混凝土含量息息相关，当加气混凝土含量逐步减少时，填料的渗透性反而逐步增大。在填料渗透性增大的影响因素中，固结砂浆含量的影响更为显著，填料的渗透性是由加气混凝土、固结砂浆的成分、颗粒结构来决定的。当加气混凝土原料成分处于最佳的状态下时，在经由破碎与筛分处理以后，固体颗粒表面会呈现出粉质或者许多细小孔隙的状态，在渗透过程中，除了重力作用会造成水体的下渗，颗粒孔隙所存在的毛细黏聚力将会影响水体的下渗，只有克服了这一因素的限制，才能够保持水体下渗的速率。此外，加气混凝土颗粒具有易碎性，在分层压实处理的过程中，其中的一部分大颗粒可能会被逐步破碎成为一些细小颗粒，重新对原有颗粒间的空隙加以填充，空隙率大大减小，密实度的提升必将导致填料渗透性的减弱。当固结砂浆原料处于最佳的成分状态下时经由破碎与筛分处理的颗粒会变为细砂与水泥颗粒，而这些颗粒的结构相对稳定，在各种作用下不易被破坏，颗粒间的空隙率较大，因此，这一特性使得固结砂浆的渗透性相对较好。

4.2 填料含量与ΔpH的关系

填料含量与ΔpH 的关系如图1 所示，固结砂浆含量与ΔpH之间存在着紧密的联系，当固结砂浆含量逐步增大时，ΔpH也随之呈现出先增大、后减小的趋势，其中，拐点处于含量在33.3%左右。当固结砂浆的含量在33.3%以下时，ΔpH 与之呈现出正向变化的关系，当固结砂浆含量逐步增大时，ΔpH 也随之变大，当固结砂浆含量超过了33.3%，ΔpH会逐步减小。从填料颗粒成分的角度来分析，由于加气混凝土多为轻质多孔硅酸盐制品，其中，含有一定量的CaO等碱性物质，这种结构组成使得如果是含量为100%的加气混凝土颗粒，将会呈现出明显的碱性特征，这种物质可以有效改善水的pH值。在此实验中，所使用的固结砂浆中主要包含了水、细砂骨料与水泥等物质，且这些物质是按照一定比例所配制的，当对这些砂浆经由风干与破碎处理以后，在固结砂浆颗粒中依旧存在一定量的硅酸盐水泥颗粒，而这部分颗粒中碱含量往往超出了正常标准，对于水泥中的碱而言，其一般是由生产水泥的原料黏土与燃料煤所造成的。水泥中的碱一部分以硫酸盐与碳酸盐的形式存在，而另一部分则会以固溶的形式存在，固溶在熟料矿物中。在水体逐步渗透的过程中，硅酸盐水泥颗粒表面会析出钙离子、钠离子，当这些离子溶于水以后，就会形成水溶性碱盐，因此，在一定的条件下，如果填料中的固结砂浆含量逐步增加，必然会导致水溶性碱盐浓度增大，而在此变化趋势下，填料也将使得水体中pH 值限度逐步增大；在水中的水溶性碱盐达到饱和状态下时，填料对水体pH值的改变能力也会逐步达到饱和状态下。

图1 填料含量与ΔpH关系图

5 不同材料的渗透性效果对比

不同类型的建筑废弃物对于城市绿地土壤渗透性的改良影响也存在着不同的区别，固结砂浆与加气混凝土填料都能够改良土壤的渗透性，纯土壤下的渗透系数要远远低于固结砂浆与加气混凝土填料下的渗透系数。而固结砂浆与加气混凝土填料相比，固结砂浆的渗透性强度要高于加气混凝土，在城市绿地土壤渗透性改良的过程中，固结砂浆土壤渗透性改良效果更为显著。对于固结砂浆与加气混凝土而言，中砂与粉煤灰为其中的核心材料，根据这两种材料的特性，中砂表面更具密实性与光滑性，这一特性使得在土壤渗透性的改良过程中，能够发挥其紧密堆积性特性。相比较而言，粉煤灰的结构比较特殊，其属于蜂窝状结构，这种特殊的结构使得在同一细度模数条件下的中砂与粉煤灰颗粒，加气混凝土的比表面积更大，因此，在吸水能力方面，加气混凝土要强于固结砂浆。从水在空隙中的流动程度来看，固结砂浆导水率要高于加气混凝土，而导水率与土壤渗透系数之间同样存在着紧密的联系，而正向变化的关系，因此，固结砂浆的渗透系数更好，在城市绿化工程中可以选择固结砂浆填料来改善土壤的渗透性。

6 结束语

近年来，随着城市绿地工程的增多，为建设生态文明城市，上海市都在提高各种材料的利用率，尤其是要提升建筑废弃物的利用价值。上海市主要以黏土为主，建筑废弃物的种类繁多，一些废弃物的使用可以改善上海市土壤的渗透特性，而土壤渗透性的改变使得种植土土质得以改良，渗透性越好，说明土壤的流失量就越少，越能够为植物生长创造良好的条件，对城市绿地效益提升越有利。