建筑垃圾再生骨料在海绵城市储水结构体中的应用

马学通, 高德彬, 严耿升, 王 宝

(1.长安大学 地质工程与测绘学院, 陕西 西安 710054; 2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司, 陕西 西安 710065; 3.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院, 陕西 西安 710055)

城市雨洪问题是制约中国城市建设的核心问题之一，因地表不透水铺装，雨水下渗通道减少，导致地表径流增加，进而加重了城市排水系统的负荷[1]。海绵城市遵循低影响开发(LID)原则，在城市建设中得到广泛应用，有效的缓解了城市雨洪问题[2]。另一方面，中国建筑垃圾年产量达2.00×109t，再生利用率仅8%，对环境造成了严重影响[3]。传统海绵城市储水结构体采用天然碎石材料进行铺设，将建筑垃圾再生骨料用于“海绵城市”储水结构体的建设中，可以有效的减少天然材料的使用，同时为建筑垃圾再生利用提供新的途径，具有良好的社会经济价值。杨丽琼等[4]通过化学成分分析指出建筑垃圾渗滤液对人体和环境无不良影响。郭士民[5]，乔明晨[6]研究表明，红砖对重金属吸附效果良好，对有机物也有一定的吸附作用。乔明晨[6]、李岩凌等[7]研究表明再生骨料可更有效的降低环境温度，出水pH值与天然骨料相差不大。上述研究均表明建筑垃圾可有效的吸收雨水径流中的重金属及有机物，不会对环境造成二次影响，证明了建筑垃圾在海绵城市中应用的环境可行性。胡明玉等[8]、谢若奇等[9]研究表明，建筑垃圾再生骨料具有较好的透水性，可用于海绵城市上部透水结构砌块的生产。苏胜奇等[10]、李岩凌等[7]、李显等[11]研究表明，建筑垃圾再生骨料蓄水能力可达到天然骨料的2倍以上。朱希等[12]研究表明，建筑垃圾渗井可有效提高场地渗透性能，提高土体的入渗效率。但对于建筑垃圾颗粒破碎研究较少。值得指出的是，建筑垃圾再生骨料力学性能与天然骨料有一定的差距[13]，受压后容易产生破碎[14]，可能影响其结构稳定性及储水性能。

基于此，本文通过室内大型压缩试验，对建筑垃圾再生骨料在不同配比及含水率下颗粒破碎与沉降变形关系进行探讨分析，对比其压缩前后的储水性能，并通过浸出毒性试验研究了建筑垃圾骨料对环境的影响，以期为建筑垃圾再生骨料用于“海绵城市”储水结构体等提供依据。

1 试验设计

1.1 试样配备

压缩试验建筑垃圾材料取自西安市某大型建筑垃圾消纳场，主要成分为废混凝土及废砖块，取样时间为2019年3月15日。选取粒径4.75～37.5 mm再生粗骨料，根据最大密实度原理，采用Fuler-Talbol公式[15]〔式(1)〕设计再生骨料级配(见表1)。

表1 试验骨料连续开级配设计

(1)

式中：Px为通过某一粒径的百分比(%);Dmax为最大粒径(mm)；dx为各粒级骨料粒径(mm)；n为指数,本次试验n取0.5。

1.2 试验设计

1.2.1 大型压缩试验 根据表1骨料粒径级配，制备了6种不同配比及5种不同含水率试样，用以研究不同含水率及配合比再生骨料压缩性能及压缩前后储水率变化情况(表2)。试验时间为2019年4月5日至2019年4月7日。

表2 再生骨料基本物理参数

试验压力设备选用WAW-1000 D型微机控制电液伺服万能试验机，压缩设备选用自制的直径500 mm，高度250 mm的大型压缩仪。沉降变形由试验机行程控制系统测量，精度0.01 mm。

配制试验所需试样，分5层装入试验圆筒内，为防止骨料受力不均，在装入后，先施加一定的预压力，使试样表面尽可能平整。加载等级依次为250,500，…，1 500 kPa，每级加载按照5，10，15，30，…，30 min的时间间隔记录百分表读数，当两次读数差值小于0.05 mm，视作沉降稳定，进行下一级加载。试验结束后将试样烘干筛分，并称得各粒径质量。

1.2.2 颗粒破碎分析 颗粒破碎是指材料在荷载作用下破碎成更小的颗粒[16]，会引起颗粒级配重组，对材料力学性质等会产生一定影响[17]。Bg是试验前后用试样粒组百分含量差的绝对值之和描述颗粒破碎情况〔式(2)〕。

(2)

式中：Bg为破碎率(%)；n为总粒级数；i为级数；Pi0为压缩前该粒级比例(%)；Pi1为压缩后该粒级比例(%)。

1.2.3 骨料储水率试验 依照压缩试验前后颗粒级配配比及含水率设计级配骨料，进行储水试验，试验采用模型长×宽×高=1 m×1 m×1 m，依照“海绵城市”结构进行构建，分为4层，最下层填充60 cm厚建筑垃圾再生骨料(粗骨料层)，其上部为15 cm的砂层(细骨料层)及耕植土层，模型中部埋设一Φ100×1 200的抽排水管，水管壁下部约100 mm内等距设置排水孔，使水通过管道直接流入建筑垃圾再生骨料层。试验时间为2019年6月14日至2019年7月13日。

1.2.4 潜在环境风险分析 建筑垃圾骨料用作海绵体时受水体作用可能存在一定的环境风险，基于此，本文对采自不同地区的建筑垃圾骨料进行浸出毒性研究，选用1～2 mm直径建筑垃圾骨料，按照《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T299-2007)中相关要求，使用pH值为3.0，5.0,7.0的硫酸和硝酸混合液对建筑垃圾进行浸提，判断建筑垃圾是否属于危险废物；并将浸提剂的pH值恒定在3.0，5.0,7.0，持续浸提，研究极端条件下建筑垃圾中污染物浸出情况。浸出毒性试验所选用试样取样时间为2019年6月5日，试验时间为2019年6月8日。

2 结果与分析

2.1 骨料力学性能分析

2.1.1 含水率对骨料力学性能的影响

(1) 含水率对颗粒破碎影响分析。图1为不同含水率下骨料颗粒破碎率变化曲线。从图1中可以看出，破碎率随着含水率的增大呈现先增大后减小的变化趋势，当含水率从3%增加到12%时，颗粒破碎率从121.73%上升至132.64%，而含水率从12%上升至15%时，颗粒破碎率从132.64%下降至127.6%，在“最优含水率”附近取得极大值。这是由于含水率较低时，水主要存在于颗粒内部，对颗粒起软化作用，导致颗粒破碎率随着含水率的上升而增大。当含水率超过最优含水率时，水主要起到润滑作用，此时颗粒破碎率随着含水率的上升而减小。

图1 含水率与颗粒破碎指标变化特征

(2) 含水率对压缩沉降影响分析。图2为不同压力下含水率与沉降量关系曲线。由图2可以看出，在荷载一定的条件下，随着含水率的增大，骨料压缩沉降量也呈先增大后减小的趋势，且其同样在最优含水率处取得峰值。当荷载达到1 500 kPa时，最大沉降不足40 mm，且单位荷载增量引起的压缩沉降量无明显变化，说明建筑垃圾再生骨料结构体受压后虽然产生严重的破碎现象，但结构体依然稳定。对不同压力下含水率与沉降量进行拟合，得到如式(3)所示的公式，从公式(3)可以看出，在压力不变的情况下，含水率与沉降量呈抛物线关系，其拟合曲线随着压力的增加，各项系数也不断增加，沉降量取最大值时，含水率取值范围为10.75%～11.24%，均值为11.05%。接近于建筑垃圾的“最优含水率”(11.56%)。因此，可以认为含水率对压缩沉降的影响与对颗粒破碎的影响趋势相同，含水率通过影响颗粒破碎来影响材料的压缩沉降。

图2 不同压力下含水率与沉降量(w-s)曲线

(3)

2.1.2 配比对骨料力学性能的影响

(1) 配比对颗粒破碎影响分析。图3为相同荷载下不同配比与颗粒破碎指标关系曲线。由图3可知，随着废砖再生骨料比例的增大，颗粒破碎率逐渐增大，当废砖骨料由0%增加至100%时，其颗粒破碎率由82.5%增大至157.2%。

图3 不同配比-颗粒破碎指标曲线

(2) 配比对压缩沉降影响分析。图4为不同压力下，砖骨料比例与压缩沉降量关系曲线。由图4可知，砖骨料比例与压缩沉降量近似呈线性关系，在荷载一定的条件下，随着砖骨料比例的增大，压缩沉降不断增大，当废砖骨料由0%增至100%时，其最大沉降量由37.32 mm增大至47.13 mm。这是由于砖骨料强度较低，比混凝土骨料容易破碎导致的。

图4 不同压力下砖骨料比例与沉降量关系曲线

2.2 压缩前后骨料储水率试验分析

由图5可以看出压缩前后储水率随着砖骨料比例的减少而减少，这是由于砖骨料吸水率大于混凝土骨料所导致的，骨料自身吸水亦被计入了储水率中，导致储水率随着砖骨料的减少而减少；同时，由于压缩导致骨料中细粒料含量增大，有效储水体积减少，进而导致了压缩后骨料的储水率有不同程度的下降。由图6可以看出，不同含水率的骨料在压缩前其储水率基本一致，但压缩后在“最优含水率”附近的骨料储水率下降较为明显，这与骨料的破碎率呈现出良好的相关关系，说明了储水率的下降主要是由于骨料破碎导致的，使骨料含水率远离最优含水率可以有效的降低储水率的变化率。

图5 不同配比骨料压缩前后储水率

图6 不同含水率骨料压缩前后储水率

因此，在工程建设过程中，需要考虑储水结构体上部荷载对结构体材料级配的影响，以消除后期由于结构体受荷作用骨料发生压缩破碎导致的储水率的下降。

2.3 建筑垃圾骨料浸出毒性试验分析

由表3可以看出，在不同地区所取建筑垃圾骨料中Cu，Pb，Cd未检出，Cr浓极低，且不同采样地点建筑垃圾骨料浸出毒性差别不大，根据浸出毒性判断，其不属于危险废物。由表4可以看出，强化浸提后星火路陇海铁路处的建筑垃圾骨料中Cr浸出浓度有所提高，根据《地下水环境质量标准》(GB/T 14 848-2017)相关标准，其所在区域地下水可划分为Ⅳ类水体，其他采样点均为Ⅲ类水体，这是由于陇海铁路运送煤炭对铁路周边造成了一定的污染导致的。因此，采用建筑垃圾再生骨料作为“海绵城市”储水结构体应考虑建筑垃圾取样位置，避免采用受污染区域的建筑垃圾骨料，可以确保建筑垃圾骨料不会对坏境造成负面影响，这与杨丽琼[4]的研究结论相同。

表3 不同地区建筑垃圾骨料标准浸提试验结果

表4 不同地区建筑垃圾骨料强化浸提试验结果

3 结 论

(1) 建筑垃圾不同配比对骨料颗粒破碎影响较大，随着废砖骨料比例增加，颗粒破碎程度明显增加，同时其沉降变形也随之增大。即当废砖骨料由0%增加至100%时，其颗粒破碎率由82.5%增大至157.2%；最大沉降量由37.32 mm增大至47.13 mm。

(2) 不同含水率条件下，建筑垃圾再生骨料的破碎机制不同，在一定范围内，颗粒破碎随着含水率的增加而增大；当超过一定范围后，颗粒破碎随含水率的增加而减弱，再生骨料的含水率对骨料压缩变形及颗粒破碎的影响具有一致性，即颗粒破碎是造成再生骨料压缩沉降的主要原因。

(3) 再生骨料储水率的变化主要是由于骨料破碎导致的，通过减少上部荷载或避开其最优含水率可以有效的减少骨料破碎，进而降低骨料储水率的变化率。

(4) 重型击实试验虽不适合用于建筑垃圾骨料最优含水率的确定，但可通过重型击实试验所确定的“最优含水率”来指导储水结构体含水率的控制，使结构体含水率远离“最优含水率”，从而减少骨料破碎，增强结构体的储水能力。

(5) 建筑垃圾浸出毒性试验表明，不同地区的建筑垃圾可能对环境产生不同的影响，在工程应用中应避免污染地区建筑垃圾骨料的再利用，选择无污染的建筑垃圾骨料则可以确保其对环境无不良影响。