寧波市建筑工程渣土和廢棄泥漿應(yīng)用現(xiàn)狀

李慶冰，宋冰泉，王毓晉，胡云峰，張文瑜，張 超

（1、寧波交通工程建設(shè)集團有限公司 浙江寧波 315020；2、長安大學材料科學與工程學院 西安 710018）

0 引言

根據(jù)《浙江省建筑垃圾資源化利用技術(shù)導則》，工程渣土是指各類建（構(gòu)）筑物、管網(wǎng)、道橋等在建設(shè)過程中開挖土石方產(chǎn)生的棄土；廢棄泥漿是指各類（構(gòu)）筑物樁基礎(chǔ)、基坑圍護結(jié)構(gòu)以及泥水盾構(gòu)、管網(wǎng)暗挖等施工產(chǎn)生的廢置和剩余泥漿。隨著我國城市化進程的不斷推進和交通基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，使得建筑工程渣土和廢棄泥漿日益增加。傳統(tǒng)的處置方法是外運傾倒或堆積填埋，運輸成本高、存在安全隱患［1-2］，且給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大壓力。雖然對渣土進行固化成為研究熱點，但是相關(guān)研究較少［3］，因此產(chǎn)量與消納能力的矛盾仍在不斷激化。以寧波為例，因城建規(guī)模大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊，建筑工程渣土和廢棄泥漿產(chǎn)生量巨大，面臨著“渣土圍城”的困境［4］。據(jù)估計，僅2020年寧波中心城區(qū)經(jīng)城市建筑垃圾處置核準的建筑工程渣土和廢棄泥漿就達到了6 696 萬t，許多建筑工地面臨渣土無處可去的困境，以至于工程被迫停工。因此，針對建筑工程廢棄泥漿資源化應(yīng)用的探索，對于環(huán)境保護和城市可持續(xù)發(fā)展的需要來說都有著重要的意義。

1 寧波市建筑工程渣土和廢棄泥漿現(xiàn)狀

1.1 地質(zhì)情況和土體特性

寧波市區(qū)海拔4.0～5.8 m，郊區(qū)海拔為3.6～4.0 m。地貌分為山脈、丘陵、盆地和平原。水資源極為豐富，屬于浙江省八大水系之一，河流有余姚江、奉化江、甬江。余姚江、奉化江在市區(qū)“三江口”匯成甬江，流向東北，經(jīng)招寶山入東海。寧波地區(qū)的土層為海相、沖湖相的粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉砂，呈流塑或軟塑狀態(tài)；其中，淤泥質(zhì)土可達15 m以上，局部區(qū)域甚至深40 m。因此，寧波地區(qū)的工程渣土具有三高兩低的特性，即“高含水率、高壓縮性、高靈敏度及低強度、低模量”，無法夯實，人工降水困難。寧波市建筑工程渣土現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 寧波市建筑工程渣土現(xiàn)場Fig.1 Site of Construction Engineering Residue in Ningbo

1.2 來源及產(chǎn)生量預測

建筑工程渣土和廢棄泥漿對寧波城市的發(fā)展和環(huán)境均造成了巨大的制約和影響，因此對建筑工程垃圾的產(chǎn)量進行統(tǒng)計和預測非常有必要。根據(jù)寧波市容環(huán)境衛(wèi)生指導中心統(tǒng)計數(shù)據(jù)［5］：寧波中心城區(qū)2020年建筑渣土產(chǎn)量為6 302 萬t，預計在2023 年達到頂峰，為6 890 萬t；2025～2030 年期間建筑渣土產(chǎn)量穩(wěn)定在5 500～5 900 萬t。中心城區(qū)2020 年廢棄泥漿產(chǎn)量為394 萬t，預計在2023 年達到頂峰，為433 萬t。具體數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖2 寧波中心城區(qū)建筑渣土產(chǎn)量統(tǒng)計預測Fig.2 Statistical Forecast of Construction Residue Yield in Ningbo Central City

圖3 寧波中心城區(qū)廢棄泥漿產(chǎn)量統(tǒng)計預測Fig.3 Statistical Forecast of Waste Mud Yield in Ningbo Central City

2020 年，寧波市建筑渣土主要來源于建筑施工、地鐵建設(shè)及管廊施工，廢棄泥漿的來源主要是樁基施工，如圖4 所示。寧波地區(qū)建筑工程渣土和廢棄泥漿的產(chǎn)量巨大，如何實現(xiàn)建筑工程渣土泥漿的最大資源化利用，減少廢物排放量，解決渣土泥漿的消納問題以避免對生態(tài)環(huán)境的破壞，影響城市的可持續(xù)發(fā)展，成為亟待解決的重點與難點。

圖4 建筑渣土主要來源Fig.4 Main Sources of Construction Residue

1.3 處置情況

目前，寧波市建筑工程渣土和廢棄泥漿的現(xiàn)狀處理主要分為海上處置和陸地處置。海上處置包括圍墾造地、海洋傾倒，約占總處理能力的30%［6］。陸地處置主要包括堆填、綠化用地等。其中，海洋傾倒的方式不僅破壞該地區(qū)的生態(tài)平衡，大量的渣土淤泥堆積還會導致航道阻塞［7］。阻塞后的疏通航道同樣又需要花費大量的人力物力，而二次清理的余泥又一次面臨著去哪里消納的問題［7］。陸地堆填則會占據(jù)大量寶貴的土地空間，對城市的環(huán)境和市容會造成一定影響，其中的有毒物可能對周邊土質(zhì)和地下水造成污染［8］。此外，長期陸地堆填還會帶來很多地質(zhì)隱患，比如深圳市紅坳渣土受納場滑坡事故，造成73 人死亡，經(jīng)濟損失約9億人民幣。

寧波地區(qū)處置場地呈現(xiàn)點多、面廣、分散等特點。2018 年寧波全市共有31 個工程渣土處理處置點和8 個廢棄泥漿處理處置點，總處置能力分別為3 091 t和2 037 t，其中渣土消納能力已經(jīng)飽和。此外，寧波地區(qū)渣土和廢棄泥漿資源化利用率較低。據(jù)統(tǒng)計［4］，渣土資源化利用主要包括綠化種植、基礎(chǔ)回填、建材制造及山塘復綠等，約占產(chǎn)生量的18%；泥漿資源化利用和碼頭中轉(zhuǎn)約占總處置量的33%?？偟膩碚f，寧波地區(qū)建筑工程渣土消納能力、渣土和廢棄泥漿資源化利用率亟待提高。

2 建筑工程渣土和廢棄泥漿資源化應(yīng)用途徑

寧波地區(qū)土質(zhì)高含水率、高壓縮性、高靈敏度及低強度、低模量的特點，使得其他地區(qū)的渣土泥漿處治方法和技術(shù)很難適用。因此，基于前期調(diào)研和對渣土泥漿的特性分析，以及“無害化、資源化、產(chǎn)業(yè)化”原則，在各類管理規(guī)定及相關(guān)政策的支撐下，對建筑工程渣土和廢棄泥漿的資源化應(yīng)用途徑展開了探索，現(xiàn)提出了以下幾種資源化途徑來解決寧波市建筑工程渣土和廢棄泥漿消納能力不足的問題，進一步推進建筑工程渣土和廢棄泥漿處置從簡單傾倒填埋、低級利用向高品質(zhì)、資源化、系統(tǒng)性循環(huán)利用方向的轉(zhuǎn)變，促進現(xiàn)代工程建設(shè)的低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展。

2.1 路基填筑材料

寧波地區(qū)某高速公路施工路段采用本工程樁基施工產(chǎn)生的廢棄泥漿及鉆渣，研究出適用于軟土地區(qū)高速公路工程建設(shè)的廢棄泥漿及高含水率鉆渣的規(guī)模化高效處治及資源化綜合利用成套技術(shù)。通過將建筑工程渣土或廢棄泥漿進行固化脫水處理后［7］，摻入水泥和石灰等固化材料，具有較好的強度、剛度和水穩(wěn)定性，形成改良固化土用于高速公路路基填筑，使整個工程的廢棄泥漿及鉆渣零排放［9］。

根據(jù)寧波市“十四五”交通建設(shè)規(guī)劃“兩環(huán)十二射”高速公路網(wǎng)即杭甬復線寧波段、象山灣疏港高速、余慈中心連接線高速、甬金高速寧波段改建工程、甬臺溫高速拓寬工程等高速公路建設(shè)，至2025年寧波市域高速公路成環(huán)成網(wǎng)，建成高速公路約700 km，這對路基填筑材料的需要巨大。建筑工程渣土和廢棄泥漿經(jīng)固化處治用于高等道路路基填筑不僅可以實現(xiàn)建筑工程渣土泥漿的資源化再利用，減少土地占用，又解決了部分地區(qū)工程填料短缺的困難，還可以節(jié)省投資成本，達到良好的環(huán)境和經(jīng)濟效益［10］。

為了驗證建筑工程渣土和廢棄泥漿資源化應(yīng)用途徑的可行性，以泥漿固化土為主，在寧波某高速公路建設(shè)工程試驗段。在前期試驗階段，首先對廢棄泥漿進行脫水處理獲得脫水泥餅（即脫水土），其次根據(jù)脫水土性能選用適當?shù)墓袒牧?，如固化劑、水泥等，最后通過室內(nèi)試驗和經(jīng)濟性分析確定固化材料最優(yōu)配比。在后期應(yīng)用階段，建立集脫水、破碎、集中廠拌為一體的自動化生產(chǎn)線，獲得最優(yōu)配比下的脫水固化土并應(yīng)用到某工程的試驗段進行路基填筑，包括路基施工準備、攤鋪、碾壓、養(yǎng)護和質(zhì)量檢測步驟。具體流程如圖5所示。

圖5 工藝流程Fig.5 Process Flow

通過對脫水固化土路基進行質(zhì)量檢測發(fā)現(xiàn)，其7 d無側(cè)限抗壓強度在0.45～0.64 MPa，CBR 為22%～25%，路基的彎沉值小于120（1% mm），沉降速率也均小于設(shè)計要求的10 mm∕d，符合相關(guān)國家標準。該試驗段的成功建設(shè)也實現(xiàn)了本工程40 萬m3廢棄泥漿及鉆渣的零排放，驗證了該資源化利用途徑的可行性及適用性。該試驗段現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 脫水固化土路基填筑工程試驗段Fig.6 Dehydration Solidified Soil Subgrade Filling Engineering Test Section

2.2 再生免燒結(jié)輕質(zhì)骨料

同濟大學蔣正武教授團隊［11］利用建筑工程渣土和廢棄泥漿，摻入無機膠凝材料，通過圓盤造粒和破碎造粒制備成骨料，輔以蒸汽養(yǎng)護工藝實現(xiàn)免燒輕質(zhì)骨料性能的快速提升。研究發(fā)現(xiàn)免燒骨料的膠凝體系最優(yōu)為水泥-礦渣體系，在渣土泥漿摻量為70%、水泥摻量為10%、礦渣摻量為20%的情況下，所制備出的圓盤免燒輕質(zhì)骨料堆積密度為1 125 kg∕m3，筒壓強度達到10.1 MPa，1 h 吸水率為14.17%。破碎骨料研究表明外摻硅灰對骨料的性能有大幅度的提升，外摻10%的硅灰所制備的破碎免燒輕質(zhì)骨料堆積密度為893 kg∕m3，筒壓強度為7.8 MPa，1 h 吸水率為20.90%。該骨料可部分或全部替代天然集料用于路面結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石、低標低成本混凝土等實際工程中。

2.3 高強骨料

以建筑工程渣土、泥漿為主要原材料，通過物料礦物組成設(shè)計及燒熔爐渣化技術(shù)，研究燒制高強度、穩(wěn)定性好的燒結(jié)骨料，其單顆粒強度可達22 MPa 以上，筒壓強度可達25 MPa，24 h 吸水率可達0.14%，可取代天然骨料用于中高強度等級混凝土中。基于燒結(jié)骨料的特性，通過混凝土宏觀與微觀性能、混凝土耐久性能、預制構(gòu)件生產(chǎn)工藝、構(gòu)件使用性能等研究，形成燒結(jié)骨料混凝土制備技術(shù)與混凝土預制構(gòu)件制造應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)燒結(jié)骨料在中高強度等級混凝土中資源化綜合利用，突破目前利用建筑渣土燒制陶粒只能用于低強度非結(jié)構(gòu)用途混凝土的技術(shù)局限，在一定程度上可緩解砂石骨料資源嚴重短缺的壓力。

2.4 免燒結(jié)砌塊

寧波諾丁漢大學顆粒材料與巖土技術(shù)研究中心團隊［8］采用脫水鉆孔樁泥漿取代天然細骨料制備免燒混凝土砌塊，首先研究了脫水泥漿部分取代天然細骨料的可行性，結(jié)果表明28 d 標養(yǎng)護試樣達到以下技術(shù)標準：含有30%脫水泥漿普通硅酸鹽水泥基砌塊吸水率≤8%，抗壓強度≥20 MPa，抗折強度≥2.5 MPa；含有20%脫水泥漿堿激發(fā)礦渣基砌塊吸水率≤6%，抗壓強度≥50 MPa，抗折強度≥8 MPa。隨后研究了含有脫水泥漿與再生混凝土骨料砌塊的耐久性，28 d 標準養(yǎng)護水泥基砌塊，滿足以下性能指標：吸水率≤10%，抗壓強度≥30 MPa，抗折強度≥3.5 MPa，良好的耐水性及耐干濕循環(huán)性能（強度保持率≥100%）。該研究為生產(chǎn)制備綠色低碳混凝土砌塊和資源化處理工程渣土提供了有效的技術(shù)路徑。

2.5 其它利用

基坑、管廊基礎(chǔ)填筑、水利工程堤壩填筑、堆山造景等等這些建筑工程渣土資源化的再生利用不僅可以美化城市、提高工程渣土利用效率，更可以緩解城市建筑垃圾的消納問題，改善城市生活質(zhì)量。

3 資源化發(fā)展對策及建議

目前，我國建筑工程渣土及廢棄泥漿資源化利用率較低，資源化進程還任重道遠，但隨著我國新型建筑材料技術(shù)的發(fā)展，建筑渣土及廢棄泥漿的資源化利用有著巨大的發(fā)展?jié)摿涂臻g。建筑工程渣土及廢棄泥漿資源化發(fā)展的對策及建議如下：

⑴加大政策引導力度，解決資源化用地規(guī)劃，采取多方監(jiān)督推進建筑渣土及廢棄泥漿資源化利用。

⑵重視理念與技術(shù)創(chuàng)新，加大資源化研究投入，推動技術(shù)標準規(guī)范制定工作，解決應(yīng)用之本。

⑶基于多途徑、高品質(zhì)的綜合利用原則，精細化分類處理各類泥漿和渣土，提升渣土資源化產(chǎn)品品質(zhì)，提高再生產(chǎn)品附加值。

建筑工程渣土及廢棄泥漿資源化利用技術(shù)促進現(xiàn)代工程建設(shè)的低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展，具有較高的科學意義和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價值，對我國建筑垃圾高品質(zhì)再生利用及生態(tài)環(huán)境保護起到示范作用，推動我國建設(shè)工程從傳統(tǒng)的“資源-產(chǎn)品-廢物”線性經(jīng)濟流動模式向“資源-產(chǎn)品-再生資源”的物質(zhì)閉環(huán)流動型增長模式轉(zhuǎn)變，具有顯著的環(huán)境、經(jīng)濟及社會效益。