吳雨桐， 張開明， 孔成軒， 劉燦成， 王丹妮，王和平

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

建筑廢棄料對(duì)城市綠地土壤滲透性的改良

吳雨桐， 張開明， 孔成軒， 劉燦成， 王丹妮，王和平

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

以建筑廢棄料中的加氣混凝土和固結(jié)砂漿為土壤填料，采用常水頭滲透實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)城市綠地土壤滲透性的改良作用，得出結(jié)論：這兩種土壤填料的滲透性遠(yuǎn)大于純土壤的滲透性，為建筑廢棄料用于城市低影響開發(fā)提供了新的思路；加氣混凝土和固結(jié)砂漿均呈堿性，針對(duì)大城市及部分工業(yè)城市的酸雨現(xiàn)象，雨水經(jīng)地表流入地下時(shí)，對(duì)雨水pH進(jìn)行中和改善，有效保護(hù)地下水。

建筑廢棄料；城市綠地；滲透性；pH值

土壤滲透性是指土壤傳導(dǎo)液體或氣體的能力，常以滲透系數(shù)度量。滲透性是衡量城市綠地土壤對(duì)雨水的滲蓄能力的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，城市綠地土壤總體上存在容重偏大﹑孔隙率較低和滲透速率低﹑土壤酸化的現(xiàn)況［1］，嚴(yán)重影響城市綠地土壤對(duì)于雨水的蓄滲效果及城市排水系統(tǒng)對(duì)于強(qiáng)降雨等雨水災(zāi)害的抵抗力；對(duì)于國(guó)內(nèi)一﹑二線以及大部分工業(yè)城市，酸雨在年降水的比例中不斷增加，且我國(guó)南方土壤本來(lái)多呈酸性，再經(jīng)酸雨沖刷，大大加速了土壤酸化過(guò)程［2］。

為改善土壤滲透性與過(guò)度酸化問(wèn)題，尋找合適的建筑廢棄料對(duì)城市綠地土壤進(jìn)行改良，一方面可以較低的改造成本，改善低滲透綠地土壤的滲蓄能力，并且有效減緩酸雨對(duì)城市土壤帶來(lái)的次生危害，緩解城市排水﹑防澇壓力；另一方面，與其它垃圾相比，建筑廢棄料具有量大和可資源化利用率高等特點(diǎn)。其中，混凝土﹑碎磚塊等占城市建筑廢棄料的比重較大﹑易獲取。本實(shí)驗(yàn)將加氣混凝土﹑固結(jié)砂漿等建筑廢棄料破碎成骨料，經(jīng)過(guò)篩分，除去雜質(zhì)，按體積比例混合，形成填料。研究不同體配比的填料對(duì)土壤滲透性改良效果，以及水滲過(guò)填料后pH值的變化。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用常水頭滲透實(shí)驗(yàn)測(cè)定填料的滲透系數(shù)，計(jì)算式如下：

式中：kT為水溫為T℃時(shí)試樣的滲透系數(shù)（cm/ s）；Q為時(shí)間t秒內(nèi)的滲出水量（cm3）；L為測(cè)壓管中心間的距離（cm）；A為試樣的斷面積（cm2）；H為平均水位差（cm）。

實(shí)驗(yàn)以水溫20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：k20為標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)試樣的滲透系數(shù)（cm/ s）；ηT為T℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)（kPa·s）；η20為20 ℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)（kPa·s）。

實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為0.10 m﹑長(zhǎng)度為1.00 m滲透柱，裝置見圖1。常水頭滲透實(shí)驗(yàn)按《GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定出水量﹑水位﹑在滲透柱不同位置取水樣，測(cè)定水樣的pH值。

圖1 常水頭滲透裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)的測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)以加氣混凝土﹑固結(jié)砂漿作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，以純土壤做為對(duì)照組，輔以礫石﹑土工布等實(shí)驗(yàn)材料。通過(guò)人工粗分﹑破碎等方式對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行篩選。獲得粒徑0.5～2.0 mm的加氣混凝土顆粒與固結(jié)砂漿顆粒，粒徑≤2.0 mm的土壤材料。

按照表1的比例混合﹑攪拌材料，將配置好的填料分層裝入滲透裝置中并壓實(shí)，壓實(shí)后每層厚度為5 cm左右。填料及輔料裝入滲透柱的順序從下至上依次為：11 cm厚度的大礫石（粒徑15～30 mm）作為墊層，1 cm厚度的小礫石（粒徑4～6 mm），一層土工布，1 cm厚度的小礫石作為過(guò)濾層， 70 cm厚度的填料，并在填料頂鋪滿2 cm厚度的小礫石作為緩沖層。

表1 加氣混凝土與固結(jié)砂漿體積比

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)保持5 cm的恒定水頭，當(dāng)測(cè)壓管水位穩(wěn)定后，每2 min測(cè)量一次滲出，計(jì)算出水流量。測(cè)量并記錄測(cè)壓管的水位，計(jì)算平均水位差，同時(shí)測(cè)量進(jìn)﹑出水溫度取平均值，連續(xù)測(cè)10次。將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入公式（1）﹑（2），計(jì)算得出滲透系數(shù)。同時(shí)，測(cè)量進(jìn)﹑出水及各取樣口水樣的pH值，實(shí)驗(yàn)用水采用自來(lái)水。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

純土壤和填料的滲透性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2﹑表3。

表2 純土壤滲透性及pH值參數(shù)

表3 填料滲透性及pH值參數(shù)

2.1 填料含量與滲透性的關(guān)系

由圖2可知，填料的滲透性遠(yuǎn)大于純土壤的滲透性；填料的滲透性隨著固結(jié)砂漿含量增加﹑加氣混凝土含量減少而呈上升趨勢(shì)，即在兩種材料中，固結(jié)砂漿對(duì)填料的滲透性增加的效果較大，可以認(rèn)為是由于兩種材料的組成成分及顆粒的結(jié)構(gòu)特性造成的。加氣混凝土原料的成分為：70%粉煤灰，13.8%水泥，13.8%石灰，2.96%石膏及微量鋁粉，破碎篩

分后的固體顆粒表面呈粉質(zhì)且含有許多細(xì)小孔隙，滲透過(guò)程中水體除了在重力作用下下滲外，還需要克服因顆?？紫抖纬傻拿?xì)粘聚力，一定程度上降低了水體下滲速率。另外，加氣混凝土顆粒易碎，分層壓實(shí)時(shí)大顆粒容易進(jìn)一步破碎成小顆粒，重新密實(shí)地填充顆粒間空隙，降低了空隙率，對(duì)填料滲透性有削弱作用。而固結(jié)砂漿原料的成分為：64%細(xì)砂骨料，16%水泥，20%水，破碎篩分后的顆粒為細(xì)砂以及水泥顆粒，細(xì)砂與水泥顆粒結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，不易破壞，顆粒間空隙率較大，滲透效果較加氣混凝土顆粒好。

圖2 填料含量與滲透性關(guān)系圖

2.2 填料含量與ΔpH的關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)固結(jié)砂漿含量≤33.3%時(shí)，流經(jīng)填料后，水體的pH變化值隨著固結(jié)砂漿的含量增加而增加；當(dāng)固結(jié)砂漿含量＞33.3%時(shí)，水體的pH變化值達(dá)到最大值，基本不隨固結(jié)砂漿的含量增加而變化。分析兩種填料顆粒成分可得：加氣混凝土為輕質(zhì)多孔硅酸鹽制品，含有少量CaO等堿性物質(zhì)，因此含量為100%的加氣混凝土顆粒具有一定的堿性，可以在一定程度上改變水的pH。實(shí)驗(yàn)用的固結(jié)砂漿是由水﹑細(xì)砂骨料﹑水泥按1∶2.4∶0.6的比例配制，風(fēng)干﹑破碎后固結(jié)砂漿顆粒仍含有硅酸鹽水泥顆粒。硅酸鹽水泥中的堿含量過(guò)高［3］，水泥中的堿主要由生產(chǎn)水泥的原料粘土和燃料煤引入。水泥中的堿一部分以硫酸鹽（K2SO4，Na2SO4，3K2SO4·Na2SO4，2CaS04·K2SO4）及碳酸鹽（K2CO3，Na2CO3）的形式存在，一部分則固溶在熟料礦物中，如KC23S12，NC23S12，KC8A3，NC8A3［4］。在水體滲透過(guò)程中，硅酸鹽水泥顆粒表面析出的K+﹑Na+﹑Ca2+溶于水形成水溶性堿鹽，因此在一定范圍內(nèi)，隨著填料中固結(jié)砂漿含量的增加，形成水溶性堿鹽濃度增加，填料對(duì)水體pH的改變限度也增加；當(dāng)水中所溶解的水溶性堿鹽達(dá)到飽和值時(shí)，填料對(duì)水體pH的改變能力也達(dá)到飽和。

2.3 填料層厚度與pH的關(guān)系

圖3 填料含量與ΔpH關(guān)系圖

以加氣混凝土∶固結(jié)砂漿=1∶1的滲透柱為例，圖4為以常水頭液面為零點(diǎn)，試樣的取樣位置與pH值的關(guān)系圖。由圖可見，在滲透過(guò)程中，起始階段水體流經(jīng)填料層厚8～18 cm，pH值顯著增大；在18～58 cm厚度內(nèi)pH值的增加速率有所下降；在58～88 cm內(nèi)，pH值趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為，由于實(shí)驗(yàn)用水呈中性而填料呈堿性，因此開始時(shí)大量OH-進(jìn)入水中，消耗H+使得pH呈突變，而隨著新的平衡的建立，水的pH逐漸與填料pH接近，說(shuō)明填料對(duì)水體pH的調(diào)節(jié)能力已達(dá)到飽和狀態(tài)。濾層厚度僅需50 cm左右即可使水體pH達(dá)到最大。

圖4 取樣位置與pH關(guān)系圖

3 結(jié)論

以純土壤滲透作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)可知，純土壤對(duì)水的滲透系數(shù)較低，pH值變化不明顯。通過(guò)不同比例的填料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果顯示滲透系數(shù)﹑pH均有顯著改變。采用相同填料和配比進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，由滲透柱狀圖及pH柱狀圖可得： 1）填料中固結(jié)砂漿的比例增加，則滲透性增大； 2）填料中固結(jié)砂漿

的比例增加，則pH的緩沖容量也增加。

綜上，加入建筑廢棄料的土壤滲透性可得到較大改良，相同匯水面積﹑暴雨強(qiáng)度的前提下，加入建筑廢棄料的土壤填料與純土壤相比滲水時(shí)間大大縮短。針對(duì)這樣的情況，添加由建筑廢棄料組成的填料層，可對(duì)城市綠地土壤進(jìn)行改良，為緩解城市內(nèi)澇問(wèn)題提出新的探究方向。對(duì)水的pH值的改變作用，可對(duì)大城市及部分工業(yè)城市流經(jīng)地表的酸雨進(jìn)行處理。以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，加氣混凝土∶固結(jié)砂漿為2∶1時(shí)，滲透系數(shù)和pH改變量為綜合最優(yōu)值。本實(shí)驗(yàn)將繼續(xù)探討填料配比與土質(zhì)的關(guān)系，對(duì)城市中常見建筑廢棄料的資源化利用性進(jìn)行更加系統(tǒng)地研究。

［1］ 衛(wèi)熹，唐寧遠(yuǎn)，李田.上海市綠地土壤滲透性調(diào)查及改良［J］.凈水技術(shù)，2011，30（4）：78-83.

［2］ 彭世良.湖南土壤酸化與土壤生態(tài)系統(tǒng)酸相對(duì)敏感性研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2002.

［3］ 石齊.水泥基飾面砂漿泛堿性能及抑制措施研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2014.

［4］ 封孝信，馮乃謙.水泥及混凝土中的有害堿與無(wú)害堿［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

［責(zé)任編輯：吳卓］

2016-09-01

吳雨桐（1996—），女，黑龍江哈爾濱人，研究方向：水工程經(jīng)濟(jì)技術(shù)管理。