建筑渣土在上海世博會園區(qū)道路中的再生利用

孔忠良

（上海申虹投資發(fā)展有限公司，上海 201106）

0 前言

上海城市建設(shè)和拆遷改造等產(chǎn)生的大量建筑渣土，成為占據(jù)城市空間的累贅。據(jù)統(tǒng)計，上海每天產(chǎn)生建筑渣土約為3.7萬t，是生活垃圾的3.5倍，占城市固體廢棄物總量的30%。未來處置這些廢棄物，上海約要投入200億元。2010年世博會在上海舉辦，5.28 km2的上海世博會園區(qū)不僅創(chuàng)下世博會歷史之最，也是上海有史以來最大的單體建設(shè)項(xiàng)目，世博園區(qū)位于南浦大橋和盧浦大橋之間的黃浦江兩岸（見圖1），在拆遷和建設(shè)過程中產(chǎn)生了大量的建筑渣土，整個上海的世博工程約產(chǎn)生4000萬t建筑渣土。

長期以來，我國的建筑渣土再利用沒有引起很大重視，通常是未經(jīng)任何處理就被運(yùn)到郊外或農(nóng)村，采用露天堆放或填埋的方式進(jìn)行處理。目前國內(nèi)外還沒有成熟的再生利用技術(shù)，如何充分利用建筑渣土是迫切需要解決的問題。國外建筑垃圾中的許多廢棄物經(jīng)過分撿、剔除或粉碎后，大多可作為再生資源重新利用。綜合利用建筑垃圾是節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)的有效途徑。在這方面，日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家進(jìn)行得比較早，提供了許多先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)和處理方法。20世紀(jì)70年代以來，美、日、德等國研究土體固結(jié)劑。土體固結(jié)劑被廣泛應(yīng)用于道路工程、土木建筑、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)田水利、港口航道、各種活水固化處理、各種建筑及工業(yè)廢渣的再利用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

上海常規(guī)的道路設(shè)計方案是路基采用石灰土處理，墊層采用礫石砂墊層，基層采用水泥穩(wěn)定集料。常規(guī)方案需要采用新的道路材料，一方面要增加外部土石方資源的開采；另一方面要將道路材料運(yùn)輸?shù)绞啦﹫@區(qū)內(nèi)。而對于世博園區(qū)內(nèi)如此大量的建筑渣土，如果簡單地將大量的建筑渣土需要運(yùn)出世博園區(qū)，需花費(fèi)幾千萬元財力、人力、物力，同時對周圍環(huán)境也產(chǎn)生污染，而且也是資源的巨大浪費(fèi)。如果建筑渣土回收利用，作為道路建筑材料，就能將建筑渣土變廢為寶，作為再生資源重新利用，是節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)的有效途徑，符合世博會建設(shè)宗旨，也體現(xiàn)了“科技世博”、“生態(tài)世博”理念。本文借鑒國外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究提出了建筑渣土再生利用技術(shù)。

1 建筑渣土組分分析

上海世博園區(qū)內(nèi)由于拆遷企業(yè)廠房和居民住房，出現(xiàn)大量建筑渣土，見圖2所示。渣土主要是碎石、碎磚、混凝土碎塊等混雜在泥土中，泥土以亞粘土為主，腐植質(zhì)含量小于5%，主要技術(shù)指標(biāo)見表1所列。

2 固結(jié)劑對比選擇

通過試驗(yàn)研究，分析了世博園區(qū)內(nèi)渣土的組分與技術(shù)指標(biāo)，渣土為松散材料，本身強(qiáng)度低，單獨(dú)作為建筑材料性能難以達(dá)到技術(shù)要求，需要采用土體固結(jié)劑來穩(wěn)定提高材料強(qiáng)度與耐久性。目前土體固結(jié)劑類型較多，需要通過比選試驗(yàn)來確定采用何種固結(jié)劑來穩(wěn)定渣土。試驗(yàn)分析選用水泥與HEC兩種固結(jié)劑，對固結(jié)劑穩(wěn)定渣土的強(qiáng)度、模量與收縮性能等進(jìn)行了分析，確定采用固結(jié)劑類型及用量。

進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，測定固結(jié)劑用量分別為4.5%、6%與8%時渣土7 d齡期抗壓強(qiáng)度，見圖3所示。渣土強(qiáng)度均隨固結(jié)劑摻入比的增加而提高，兩者近似成正比關(guān)系，其中摻加HEC的建筑渣土強(qiáng)度增長速率較快。

表1 世博園區(qū)建筑渣土的指標(biāo)分析表

進(jìn)行模量試驗(yàn)，測定固結(jié)劑用量分別為4.5%、6%與8%時渣土28 d齡期回彈模量，見圖4所示。隨著固結(jié)劑含量增加，材料模量逐漸提高，HEC為4.5%時，材料模量平均在800 MPa左右，6%時，材料模量平均在1000 MPa左右，超過8%時，材料模量平均在1400 MPa。同樣摻量的水泥的回彈模量小于HEC的回彈模量。

進(jìn)行干縮試驗(yàn)，測定固結(jié)劑用量分別為4.5%與6%時固結(jié)渣土干縮系數(shù)，見圖5所示。在同等摻入比條件下，摻加水泥的渣土干縮系數(shù)較摻加HEC的大，抗干縮性能趨于不利，這一規(guī)律在劑量較大時（6%）更為明顯?？梢姄郊親EC渣土抗干縮性能優(yōu)于摻加水泥。

進(jìn)行溫縮試驗(yàn)，測定固結(jié)劑用量分別為4.5%與6%時渣土溫縮系數(shù)，見圖6所示。在高溫階段，HEC的溫縮系數(shù)小于水泥的；在常溫階段，HEC和水泥的溫縮系數(shù)相差不大；在低溫階段，隨著摻量的不同，溫縮系數(shù)差別較大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，與水泥相比，HEC固結(jié)渣土具有更好的強(qiáng)度和模量，同時收縮變形較小，因此選用固結(jié)劑HEC來穩(wěn)定建筑渣土。

HEC固結(jié)劑是一種無機(jī)水硬性膠凝材料，將HEC固結(jié)活性元素按比例均勻混合在普通硅酸鹽水泥中，形成粉末狀的灰色材料。分析HEC固結(jié)建筑渣土原理，HEC活性元素在常溫灑水作用下首先與水泥活性單元進(jìn)行交接反應(yīng)形成強(qiáng)力的粘結(jié)劑，與此同時，HEC固結(jié)劑的活性組分滲入被固結(jié)渣土材料基本單元的相接口上，激發(fā)被固結(jié)渣土材料中鋁硅酸鹽的活性，利用多組分復(fù)合產(chǎn)生超迭加效應(yīng)，使之形成多晶聚集體。HEC的水化產(chǎn)物將被固結(jié)渣土材料基本單元粘結(jié)成為牢固的整體，實(shí)現(xiàn)從內(nèi)部到表面的整體固結(jié)作用。渣土中含有60%左右的粗骨料，多晶聚集體緊緊包裹著粗骨料，從而產(chǎn)生較高強(qiáng)度和良好的水穩(wěn)定性能。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

上海地區(qū)常規(guī)路面結(jié)構(gòu)：路基采用石灰土處理；墊層為礫石砂墊層；基層為水泥穩(wěn)定集料。通過對比分析，當(dāng)HEC劑量為4.5%與6%時，HEC固結(jié)渣土強(qiáng)度、模量都能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出石灰土路基與礫石砂墊層要求；當(dāng)HEC劑量為8%以上時，HEC固結(jié)渣土強(qiáng)度、模量都能達(dá)到與水泥穩(wěn)定碎石性能要求，因此世博園區(qū)中采用HEC固結(jié)渣土作為道路的路基、墊層與下基層，如圖7所示。

4 材料設(shè)計

對于建筑渣土再生利用，要求渣土中不得含有種植土、腐殖土、垃圾土、淤泥質(zhì)土劑量及穩(wěn)定建筑渣土性能應(yīng)用滿足表2的技術(shù)要求。同時渣土也不得含有雜草、樹根或農(nóng)作物殘根等雜物。建筑渣土的粒徑不應(yīng)大于100 mm，同時還應(yīng)滿足表3要求。

固結(jié)劑采用土體固結(jié)劑HEC，其應(yīng)用劑量根據(jù)結(jié)構(gòu)層位變化，具體的應(yīng)用要求見表3所列。

表2 HEC固結(jié)渣土技術(shù)要求

表3 建筑渣土應(yīng)用要求

5 建筑渣土再生利用技術(shù)施工工藝

建筑渣土再生利用技術(shù)施工采用了路拌法鋪筑實(shí)體工程，建筑渣土再生利用施工工序包括備料攤鋪渣土、灑水悶料、擺放和攤鋪固結(jié)劑、拌和、灑水復(fù)拌、整型、碾壓與養(yǎng)生。施工流程如圖8所示。

固結(jié)劑穩(wěn)定建筑渣土作為下基層、墊層與土基，如圖9所示。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，對成型后的土基與墊層，測試頂面當(dāng)量回彈模量，結(jié)果表明固結(jié)渣土頂面具有較好的承載能力，當(dāng)量回彈模量達(dá)到60 MPa以上。該技術(shù)在世博園區(qū)道路中大面積推廣應(yīng)用。

6 經(jīng)濟(jì)社會效益

利用HEC固結(jié)建筑渣土作為道路下基層與墊層、路基屬我國首次，材料強(qiáng)度高，水穩(wěn)定性好，同時取料方便，施工簡捷，費(fèi)用低，共節(jié)約開支逾3000萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

避免大量渣土的外運(yùn)，降低了運(yùn)輸?shù)哪芎模瑴p小了CO2、NO等有害氣體的排放，將綠色發(fā)展理念融入道路工程建設(shè)中。避免渣土堆放占用大量土地，減小對周圍環(huán)境的影響，充分發(fā)揮道路工程建設(shè)對低碳經(jīng)濟(jì)的支撐作用。實(shí)現(xiàn)了渣土的再生利用，避免了新的土石方開采，節(jié)約自然資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”的具體體現(xiàn)。

7 結(jié)語

針對上海世博園區(qū)拆遷和建設(shè)產(chǎn)生的建筑渣土問題，通過對比試驗(yàn)，確定采用HEC固結(jié)劑穩(wěn)定建筑渣土用作道路建筑材料，提出了HEC固結(jié)渣土材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，根據(jù)固結(jié)劑摻加劑量不同，將固結(jié)渣土應(yīng)用于道路下基層、墊層與路基，形成了建筑渣土再生利用施工工藝，實(shí)現(xiàn)了資源再生利用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1]上海市政工程設(shè)計研究總院，上海世博會市政工程[M]，上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[2]上海市政工程設(shè)計研究總院，上海世博園區(qū)道路安全、生態(tài)環(huán)保綜合技術(shù)研究[R]，2010.