建筑固廢物再生粒料基層混合料的性能研究

肖 杰， 馬海峰， 吳超凡， 楊 敏， 張繼森

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114； 2.湖南云中再生科技股份有限公司， 湖南 長沙 410021； 3.江西省交通設計研究院有限責任公司， 江西 南昌 330052)

近30年來，隨著中國現(xiàn)代化建設進程的不斷加快，每年建筑垃圾的產(chǎn)量、填埋或堆放存量及其增長速率令人觸目驚心.據(jù)粗略統(tǒng)計，新建與拆除1m2的磚混凝土結構、全現(xiàn)澆混凝土結構以及框架混凝土結構等建筑結構，將分別產(chǎn)生0.5～0.6t和0.7～1.2t建筑垃圾，到2020年，中國的建筑垃圾總量將接近50億t.這無疑將給中國的生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅，而建筑垃圾的再生循環(huán)利用是解決該問題的一種有效途徑.

根據(jù)拆遷建筑物類型不同，其固廢物經(jīng)分揀、破碎與篩分處理后的成品也有所區(qū)別.全現(xiàn)澆及框架混凝土結構物經(jīng)處理后，主要為舊混凝土集料，而磚混凝土結構物因處理時磚塊與混凝土難以分離，主要為磚渣與混凝土的混合集料.廢磚與舊混凝土集料自身具有一定強度，許多學者已開展了將其代替碎石作為道路基層或底基層加以利用的相關研究.Xuan等[1]研究了廢磚集料對水泥穩(wěn)定碎石物理力學性能的影響；Poon等[2]開展了將磚渣和舊混凝土作為細集料摻入天然集料中的CBR(California bearing ratio)試驗，獲得了一些有意義的結論；Bennert等[3]分析了再生混凝土集料用于道路基層與底基層的性能，發(fā)現(xiàn)以質量分數(shù)為25%的舊混凝土集料與75%的天然集料所組成的混合料性能與天然集料混合料相當；Molenaar[4]研究發(fā)現(xiàn)再生非膠結材料的內摩擦角大約為40°;O’Mahony等[5]研究了將舊混凝土集料及建筑垃圾用作路面底基層粗集料的可行性，得到舊混凝土集料與天然集料的CBR值相近，但建筑垃圾的CBR值有一定程度降低的結論.

粒料材料用作路面基層時，在降雨潮濕季節(jié)，其含水率會發(fā)生變化，導致其力學性能改變，在反復交通荷載作用下，路面結構受力狀態(tài)會嚴重惡化，從而影響路面的使用性能.與天然集料相比，舊混凝土與廢磚集料的吸水率較高，受含水率的影響會更明顯，而相關研究還很少；同時，也缺乏對舊混凝土集料與天然集料混合料、磚渣與舊混凝土集料混合料這些粒料材料路用性能方面的研究.

為此，本文在研究天然集料(NA)、再生混凝土集料(RCA)、再生磚渣與混凝土集料(RBCA)基本物理力學性質的基礎上，分析了RCA摻量1)及含磚渣對混合料CBR值的影響，并探討了壓實度與含水率對不同類型混合料動回彈模量的影響，所得結果可為建筑固廢物混合料用作道路結構層提供參考.

1)本文所涉及的摻量、吸水率等均為質量分數(shù).

1 試驗用原材料

原材料分別為NA、RCA以及RBCA.NA為天然石灰?guī)r；RCA由舊混凝土塊破碎而成，主要為混凝土塊和砂漿塊；RBCA包含RCA、磚渣及少量陶渣和玻璃渣等，其中磚渣約占30%，陶渣、玻璃渣等含量不足0.5%.

按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》相關試驗方法，測得9.5～19mm粒徑NA、RCA和RBCA粗集料的表觀密度分別為2.498，2.231和1.877g/cm3，吸水率分別為0.50%，7.13%和7.43%，壓碎值分別為21.2%、32.1%和34.5%.顯然，表觀密度為NA最大，RCA次之，RBCA最小，壓碎值與吸水率則相反；不同種類細集料的相關指標變化規(guī)律與粗集料一致，其塑性指數(shù)均在7.5左右.

2 混合料組成設計及試驗方案

2.1 級配

NA,75%NA+25%RCA,50%NA+50%RCA,25%NA+75%RCA,RCA和RBCA共6種混合料級配均采用JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》中表4.5.8中推薦的G-A-3級配范圍中值.為保證混合料集料級配的一致性，用26.5，19，9.5，4.75，2.36，0.6和0.075mm 篩，將NA、RCA與RBCA集料分別過篩，各分成7檔料備用.

2.2 最大干密度與最佳含水率

采用重型擊實法確定6種混合料的最大干密度與最佳含水率(OMC)，結果如表1所示.由表1可知：NA混合料的最大干密度最大，為2.28g/cm3，RBCA混合料最小，僅為1.84g/cm3；RBCA混合料的最佳含水率最大，為12.70%，NA混合料最小，僅有5.70%.表明隨RCA摻量的增加，混合料的最大干密度逐漸減小，而最佳含水率逐漸增加，磚渣的存在使混合料的最大干密度進一步減小，最佳含水率進一步增大.

表1 混合料的最大干密度與最佳含水率Table 1 Maximum dry density and optimum moisture content(OMC) of mixtures

2.3 試驗方案設計

2.3.1CBR試驗

為研究RCA摻量及含磚渣對混合料CBR值的影響，在最佳含水率、98%壓實度條件下將6組混合料分別成型試件，每組3個，共計18個.

2.3.2動回彈模量試驗

(1)試驗設備 采用深圳瑞格爾儀器公司生產(chǎn)的R-8001T動三軸試驗儀，軸向荷載氣壓動態(tài)輸出，側向壓力采用水壓控制，范圍分別為0～5kN和0～300kPa.

(2)試件制備 試件采用靜壓成型，尺寸為φ100mm×200mm.首先將原材料加水拌和至預定含水率后悶料2h；為防止成型過程中試件受到擾動并損傷，采用相應尺寸的對開圓形鋼模，內壁套一層厚乳膠薄膜，然后將混合料均分5次裝入試模并分別壓實，嚴格控制每層壓實高度；最后一層壓實完成后，靜壓3h；卸除對開模，取出試件，在裝入壓力室前，再套一層較薄的乳膠膜，并在底座和頂面應力接觸塊上用橡皮條將試件上下兩端扎緊，防止漏水、漏氣.

現(xiàn)如今，企業(yè)進入了新的歷史階段，開始逐步打破傳統(tǒng)的計劃經(jīng)濟模式，發(fā)展成為以市場經(jīng)濟為主導，內抓管理、外抓市場的新型模式。隨著電力企業(yè)改革的不斷深化，原有的管理體系急需“去其糟糠、取其精華”，同時引入先進的管理理念與方法，以提高企業(yè)的管理水平，從而促進企業(yè)健康發(fā)展。

(3)應力波形、脈沖時間和頻率 動三軸試驗中，加載波形及其對應的時間需模擬公路荷載的實際情況.柔性路面結構中單元體的應力脈沖波形可近似為半正弦或三角函數(shù).因此，本文采用間斷半正弦波形的偏應力波形，加載頻率1Hz，持續(xù)加載應力0.1s，間隔0.9s.

(4)應力施加順序 采用AASHTO指南[6]中的試驗方法，先在相同圍壓(σ3)下以3種動偏應力(σd)加載，然后改變圍壓進行下一輪試驗；前后2次不同圍壓下，至少有1組試件在相同的豎向應力下加載.參考文獻[7]中20.7，34.5，68.9，103.4和137.9kPa的5級加載圍壓及序列進行加載，σd/σ3以1，2，3這3種動應力水平來模擬路面級配碎石等粒料材料的受力狀態(tài).為減小端部接觸的影響，試件先在初始應力狀態(tài)下預加載1000次，達到接觸壓力后，再在相應偏應力下重復加載100次，認為其回彈應變值達到穩(wěn)定.

(5)回彈特性模型 每個試件完成加載后，試驗結果取其穩(wěn)定后(一般取第98，99，100次)的平均值.動回彈模量由式(1)求得：

(1)

式中：MR為動回彈模量；σd為動偏應力(σd=σ1-σ3，其中σ1為主應力，σ3為圍壓)；εe為可恢復應變(彈性應變).

1965年，Seed等[8]通過試驗提出了更符合實際的模型(K-θ模型)來反映動回彈模量與體應力(應力不變量)間的關系，見式(2)：

MR=K1θK2

(2)

式中：K1，K2分別為與材料有關的試驗參數(shù)；θ為應力不變量，θ=σ1+2σ3=σd-3σ3.

國內許多學者[9-10]通過級配碎石的動三軸試驗也發(fā)現(xiàn)用K-θ模型能夠較好地擬合試驗數(shù)據(jù).為此，本文采用K-θ模型對混合料動回彈模量的試驗結果進行擬合.

(6)試驗方案 為了研究RCA摻量對混合料動回彈模量的影響，開展了最佳含水率與98%壓實度條件下NA、75%NA+25%RCA、50%NA+50%RCA、25%NA+75%RCA、RCA及含30%磚渣的RBCA共6種混合料試件的動回彈模量試驗；在此基礎上，又開展了3種壓實度(93%，96%，98%)下上述6種混合料試件的動回彈模量試驗及含水率不同的NA、RCA與RBCA這3種混合料試件的動回彈模量試驗，以探討壓實度及含水率對不同類型混合料動回彈模量的影響.

3 試驗結果及分析

3.1 CBR值

各試件CBR值的試驗結果見表2.

表2 各試件的CBR值Table 2 CBR values of specimens with different mixture types %

由表2可知：隨RCA摻量增加，試件的CBR值逐漸增大，Leite等[11]也得到了類似結論；即便是試件RBCA，其CBR值也大于試件NA.因此，RCA的摻入可提高石灰?guī)r天然集料的承載能力.究其原因是根據(jù)粒料材料強度形成機理，影響混合料強度的因素有干密度、骨料外形特征以及界面結合程度等.與天然集料相比，盡管RCA及RBCA的干密度小，但因其棱角性強、表面更粗糙，使得顆粒之間的嵌擠作用更強；另外，RCA中還可能存在部分水化或未水化的水泥，其浸水4d后即可發(fā)生復雜的物理與化學反應，產(chǎn)生硅酸鹽、鋁酸鹽等具有膠結作用的物質，使RCA顆粒間移動更加困難.磚渣的摻入會降低RCA的承載能力，這是因為磚渣的自身強度低，吸水后會進一步降低，從而導致試件RBCA的CBR值小于試件RCA.因此，在實際工程應用時，需考慮磚渣含量對混合料CBR值的影響，依據(jù)其所處路面結構層位及受力特性來確定合適的磚渣含量.

3.2 RCA摻量及含磚渣對混合料動回彈模量的影響

各試件的動回彈模量MR-應力不變量θ的關系曲線(98%壓實度)如圖1所示，K-θ模型公式中的擬合參數(shù)見表3.為便于對比分析，采用表3中的擬合參數(shù)，按式(2)分別計算了各試件在低應力(圍壓30kPa、偏應力30kPa)、中應力(圍壓70kPa、偏應力70kPa)和高應力(圍壓120kPa、偏應力120kPa)下的動回彈模量，結果如表4所示.

圖1 各試件的動回彈模量-應力不變量關系曲線Fig.1 Relationship between dynamic resilience modulus and stress of specimens with different mixture types

Mixture type of specimenK1K2R2NA13.500.49370.953375%NA+25%RCA33.790.35830.924550%NA+50%RCA51.120.30070.920525%NA+75%RCA72.080.25410.8938RCA102.790.22350.8891RBCA19.340.43960.9573

表4 不同應力狀態(tài)下各試件的動回彈模量Table 4 Dynamic resilience modulus for specimens with different mixture types at different stresses MPa

由圖1和表3可知：隨應力不變量θ增大，各試件的動回彈模量MR均增大；K-θ模型公式中的參數(shù)K1隨試件中RCA摻量的增加而增大，K2的變化規(guī)律則相反；相同應力路徑下，隨RCA摻量增加，試件的動回彈模量逐漸增加，且試件RCA和RBCA的動回彈模量均比試件NA大，這與前述RCA摻量對試件CBR值的影響規(guī)律一致.由表4可知，低應力條件下，試件NA的動回彈模量為144MPa，RCA為300MPa，后者比前者增長了108%，其他應力狀態(tài)下也具有相似規(guī)律.這表明在同一應力狀態(tài)下，混合料動回彈模量隨RCA摻量的增加而增大.這可能與再生混凝土材料的內摩擦角比天然集料大有關[3].Molenaar等[4]的研究也發(fā)現(xiàn)再生非膠結材料的內摩擦角大約為40o，從而使其抗剪強度得到改善，回彈模量變大.另外，試件RBCA中含有30%的磚渣，低應力條件下其動回彈模量比試件RCA減小了47%，說明磚渣的存在會顯著降低RCA的動回彈模量.

3.3 壓實度對混合料動彈性模量的影響

93%和96%壓實度下，各試件動回彈模量MR-應力不變量θ的關系曲線如圖2所示.

圖2 各試件的動回彈模量-應力不變量關系曲線Fig.2 Relationship between dynamic resilience modulus and stress of specimens with different mixture types

比較圖1,2可知：98%壓實度條件下，在全應力不變量范圍內的各試件動回彈模量分別為131～343MPa(試件NA)、176～353MPa(試件75%NA+25%RCA)、204～367MPa(試件50%NA+50%RCA)、232～381MPa(試件25%NA+75%RCA)、288～444MPa(試件RCA)和146～345MPa(試件RBCA)；在全應力不變量范圍內(壓實度分別為96%和98%)以及550～700kPa高應力不變量范圍內(壓實度為93%)，各試件的動回彈模量隨RCA摻量的增加而不斷增大，且試件RBCA的動回彈模量大于試件NA(96%壓實度，100～400kPa的應力不變量除外)；隨壓實度的增加，各試件的動回彈模量均顯著增大.因此，提高壓實度是改善混合料剛度的一種有效措施.

3.4 含水率對混合料動彈性模量的影響

NA、RCA及RBCA這3種試件在98%壓實度、OMC，OMC+2%和OMC-2%這3種含水率條件下的動回彈模量試驗結果如圖3所示.

圖3 含水率對試件動回彈模量的影響Fig.3 Effects of water contents on dynamic resilience modulus of specimens with different mixture types

由圖3可知：3種試件的動回彈模量均隨含水率的增大而減小；不同含水率下，各試件K-θ模型擬合曲線變化范圍為NA最小，RCA與RBCA相差不大，但均比NA大，表明含水率的變化對試件RBCA和RCA的動回彈模量影響較大.對試件NA而言，含水率的增加會使其顆粒間的潤滑作用增強，削弱骨料間的相互作用，同時孔隙水壓力和有效應力也增加，從而導致其動回彈模量降低[9]；對試件RCA和RBCA來說，除上述影響外，混合料中的砂漿塊、磚渣等集料吸水軟化、自身強度降低也將導致其動回彈模量比試件NA衰減明顯.因此，使用RCA或RBCA混合料作為路面結構層時，應采取有效措施來保持其含水率相對穩(wěn)定，不致因混合料含水率顯著增大而使其動回彈模量發(fā)生顯著衰減，進而影響路面結構的使用壽命.

4 結論

(1)隨RCA摻量的增加，混合料的CBR值逐漸增大；含有30%磚渣的RBCA混合料承載能力降低明顯.

(2)相同應力路徑下，隨RCA摻量的增加，混合料的動回彈模量逐漸增加，且RCA和RBCA混合料的動回彈模量均比NA混合料大；RBCA混合料的CBR值與動回彈模量均比RCA混合料低，說明磚渣的摻入降低了RCA混合料的力學性質，應適當控制磚渣在工程應用中的摻量.

(3)隨壓實度的增加，各混合料的動回彈模量均顯著增大，且RCA混合料增長最大，RBCA混合料次之，NA混合料最小；含水率對NA混合料動回彈模量的影響較小，而對RCA與RBCA混合料影響較大.

(4)實際工程應用中，可提高混合料壓實度以改善混合料的剛度，同時應嚴格控制RBCA及RCA混合料的含水率，宜不大于其最佳含水率，且應做好防排水處理，保持混合料含水率相對穩(wěn)定，使作為路面結構層的建筑固體廢棄物混合料具有良好的路用性能.

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