建筑垃圾材料在北京公路工程中的試驗研究

李萬舉， 叢鋮東， 王文宏

(北京市道路工程質量監督站 公路監督科， 北京市 100076)

建筑垃圾材料主要分為磚混類、水泥混凝土類，循環利用可減少道路建設過程中新集料開采，符合公路交通行業節能減排和建設資源節約型、環境友好型交通行業要求，是可持續發展的有效措施。新設計規范JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規范》已頒布實施，與原設計標準變動較大，主要在材料驗證和結構驗算方面，該文以新設計規范為基礎，對水泥穩定類建筑垃圾再生材料進行驗算，并結合實際工程進行驗證。

1 水泥穩定建筑垃圾再生材料試驗研究

磚混類建筑垃圾再生集料多為磚瓦、砌筑砂漿、混凝土等混合物，是磚混結構物經破碎、除雜、篩分形成的建筑垃圾。由于磚瓦類物質中黏土的存在及其多孔結構，導致磚混類建筑垃圾含水率變化較大，同時由于黏土在高溫作用下具有較強黏性，水泥穩定磚混類再生材料拌和、養生過程中，水泥水化反應產生膠結能力，釋放熱量，使黏土具備一定黏性，在水泥與黏土的共同作用下，水泥穩定磚混類再生材料形成一定強度，但由于磚混類建筑垃圾本身性質(含水率變化大、堅固性等)原因，水泥穩定磚混類再生材料形成強度過程更為復雜，拌和、鋪筑、養生等過程要求更高。

水泥混凝土類建筑垃圾再生集料多為水泥混凝土等混合物，經破碎、除雜、篩分形成的建筑垃圾。由于水泥混凝土類建筑垃圾中水泥成分失效，再生的粗細集料性能類似于普通新集料，拌和形成的水泥穩定水泥混凝土類再生材料強度形成機理與普通水泥穩定材料類似，水泥水化反應形成主要強度。

1.1 建筑垃圾再生集料性能

該文選用的磚混類及水泥混凝土類建筑垃圾再生集料均分為3檔，0～5、5～25及25～31.5 mm，對再生集料主要進行篩分、含泥量、細集料塑性指數、壓碎值、軟石含量及針片狀含量試驗研究，試驗結果見表1。

由表1可知，磚混類建筑垃圾再生集料壓碎值偏高，無法滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》對于高等級公路基層及底基層指標要求，同時由于磚混類建筑垃圾中磚類的力學特性，軟石含量、0.075 mm以下粉塵含量均超過指標要求，磚混類建筑垃圾再生集料無法應用在高等級公路基層及底基層；磚混類建筑垃圾再生集料相關性能滿足二級以下公路底基層集料相關指標要求。水泥混凝土類建筑垃圾再生集料各項指標基本滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》對于高等級公路基層指標要求。

1.2 水泥穩定建筑垃圾再生材料性能

磚混類混凝土再生骨料目標應用道路底基層，壓實度97%；水泥混凝土類再生骨料目標應用道路基層，壓實度98%，配合比見表2。

表1 建筑垃圾再生集料試驗結果

表2 水泥穩定建筑垃圾再生骨料混合料配合比

注：水泥摻量為集料質量的百分比。

根據表2分別靜壓成型φ150 mm×150 mm圓柱形試件及150 mm×150 mm×550 mm短形梁試件，分別進行7、15、28、90 d無側限抗壓強度試驗，28 d凍融循環試驗、90 d抗壓回彈模量試驗、90 d彎拉強度及彈性模量試驗，試驗結果見表3。

由表3可知，水泥穩定磚混類再生材料7 d無側限抗壓強度完全滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》中二級及以下公路底基層抗壓強度指標要求，隨著養生天數增加，抗壓強度隨之增加，抗凍性能、抗彎拉性能優良，具有良好的工作性能。工程所用的水泥穩定磚混類再生材料90 d抗壓回彈模量與普通水泥穩定碎石相當。綜合磚混類建筑垃圾再生集料性質，水泥穩定磚混類再生材料可以應用到二級及以下公路底基層。

水泥穩定水泥混凝土類再生材料7 d無側限抗壓強度完全滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》中高等級公路極重、特重交通基層抗壓強度指標要求，隨著養生天數增加，抗壓強度隨之增加，抗凍性能、抗彎拉性能優良，具有良好的工作性能。工程所用的水泥穩定水泥混凝土類再生材料90 d抗壓回彈模量與普通水泥穩定碎石相當。綜合水泥混凝土類建筑垃圾再生集料性質，水泥穩定水泥混凝土類再生材料可以應用到高等級公路基層。

表3 水泥穩定建筑垃圾再生材料試驗結果

2 水泥穩定建筑垃圾再生材料結構組合驗算

JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規范》，2017年9月1日正式施行，較舊版JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規范》結構設計驗算方面改變較大。該文以新規范為標準，以2017年北京市某路大修工程結構為原型(此路設計依據2006年版規范)，探討水泥穩定建筑垃圾再生材料路面結構設計及驗算。

2.1 舊路調查與研究

通過FWD落錘式彎沉儀對銑刨完的舊路進行檢測。銑刨清理后的舊路頂面彎沉值變化較大，主要集中在0.7～1.2 mm，取代表彎沉值2.02 mm進行舊路當量回彈模量計算，采用FWD彎沉儀，50 kN沖擊荷載，承載板直徑0.3 m。

根據規范JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規范》中公式7.4.4計算。

(1)

計算得：Ed=92.5 MPa，舊路強度良好。

2.2 加鋪層材料檢驗

2017年版規范進行結構驗算前，要求對加鋪層材料相關性能進行試驗檢驗，并確定相關指標參數。背景工程為二級公路，設計年限8年，標準軸載累計作用次數Ne5=3.265×106次/車道，加鋪層路面結構為上面層4 cm AC-13，下面層6 cm AC-20，上基層18 cm水泥穩定水泥混凝土類再生材料，下基層18 cm水泥穩定水泥混凝土類再生材料，底基層16 cm水泥穩定磚混類再生材料。

無機結合料穩定類材料規范要求的指標只有7 d無側限抗壓強度及殘留抗壓強度比，上文對水泥穩定建筑垃圾再生材料兩項指標都進行了試驗，滿足二級公路基層及底基層相關性能要求。

瀝青混合料材料性能較2006年版規范增加了瀝青混合料貫入強度性能驗證，參照規范JTG D50-2017附錄F制作了相應規格的壓頭，分別對加鋪層瀝青混合料AC-13及AC-20進行貫入強度試驗，旋轉壓實成型高度100 mm試件，60 ℃加載速率1 mm/min，測得AC-13貫入強度0.84 MPa，AC-20貫入強度0.87 MPa。

(1) 根據JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規范》公式5.5.8-3計算路面結構綜合貫入強度Rτs：

(2)

式中：n為瀝青混合料層數，背景工程為2層；ωis為第i層瀝青混合料權重，瀝青混合料層為2層時，自上而下，ω1可取0.44，ω2可取0.56；Rτi為第i層瀝青混合料貫入強度，第一層為AC-13，Rτ1試驗值為0.84 MPa；第二層為AC-20，Rτ2試驗值為0.87 MPa。

代入式(2)，計算得Rτs=0.86 MPa。

(2) 根據JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規范》公式5.5.8-2計算路面結構系數ψs：

(3)

式中：ha為瀝青混凝土層厚度，背景工程為100 mm；hb為無機結合料穩定層厚度，背景工程為520 mm；Eb為無機結合料穩定層模量，由于規范沒有明確多層結構模量如何取值，該文根據兩種不同材料90 d彎拉彈性模量試驗值取平均值取整后確定為18 000 MPa。

代入式(3)，計算得ψs=1.146。

(3) 根據JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規范》公式5.5.8-1進行貫入強度驗算Rτs：

(4)

式中：Td為設計溫度，北京地區月平均氣溫大于0 ℃，各月份氣溫平均值，17 ℃；[Ra]為瀝青混合料層容許永久變形量，根據公路等級查表(JTG D50-2017 表3.0.6-1)確定為20 mm；Ne5為標準軸載累計作用次數，為3.265×106次/車道。

代入式(4)，計算得Rτs=0.86≥0.02。

可見使用水泥穩定建筑垃圾再生材料瀝青路面結構滿足二級公路貫入強度驗算要求。

2.3 路面結構驗算

該文主要對水泥穩定建筑垃圾再生材料進行研究，由于應用層位為大修道路基層，需要對無機結合料穩定層疲勞開裂進行驗算，設計指標、力學響應及豎向位置如表4所示，路面結構材料相關指標如表5所示。

AC-13、AC-20采用20 ℃、10 Hz條件下動態壓縮模量試驗值，水泥穩定建筑垃圾再生材料采用90 d彎拉彈性模量試驗值，舊路模量為落錘式彎沉儀測量確定，泊松比參照規范JTG D50-2017表5.6.1確定。

表4 設計指標力學響應及豎向位置

表5 路面結構材料指標

力學響應計算點位置如圖1所示，選取4點位置計算最大力學響應值。

圖1 力學響應計算點位置圖(單位：mm)

采用Ansys軟件，計算荷載采用標準荷載BZZ—100，輪胎接地壓強為0.7 MPa，當量圓半徑為10.65 cm，兩輪中心距為3倍當量圓半徑，A點設置為當量圓原點0 mm，B點為106.5 mm，C點為159.8 mm，D點為133.2 mm。

計算結果如表6所示。

表6 Ansys軟件力學響應值計算結果

選取位置A層底拉應力σt作為計算值，根據規范JTG D50-2017中公式B.2.1-2計算現場綜合修正系數kc=c1ec2(ha+hb)+c3，按照規范JTG D50-2017表B.2.1-2取值，c1=18.5、c2=-0.01、c3=-1.32，ha為瀝青混合料層厚度取10 mm，hb為計算點以上無機結合料穩定層厚度，上基層層底取180 mm，下基層層底取360 mm，底基層層底取520 mm。

計算得：kc-上基層=1.447，kc-下基層=-0.863，kc-底基層=-1.228。

根據規范JTG D50-2017中公式B.2.1-1計算各無機結合料穩定層的疲勞開裂壽命Nf2。

式中：ka為季節性凍土地區調整系數，取0.8；kT2為溫度調整系數，取1.23；a、b為疲勞試驗回歸參數，根據JTG D50-2017 表B.2.1-1確定，a=13.24、b=12.52；β為目標可靠指標，二級公路取1.04。

計算得：Nf2-上基層= 6.56×1013次/車道，Nf2-下基層=3.09×1010次/車道，Nf2-底基層=1.75×109次/車道。

三層水泥穩定建筑垃圾再生材料疲勞開裂壽命遠遠大于標準軸載累計作用次數3.265×106次/車道，滿足無機結合料穩定層疲勞開裂驗算要求。

3 結論

(1) 磚混類建筑垃圾再生集料壓碎值等關鍵性指標較弱，建議用于二級以下公路底基層；水泥混凝土類建筑垃圾再生集料各項指標基本滿足高等級公路基層指標要求，可替代普通粗、細集料，但由于破碎、除雜等技術問題，使用前需要對各項關鍵指標進行試驗檢驗，加大抽檢頻率。

(2) 水泥穩定磚混類再生材料7 d無側限抗壓強度滿足二級及以下公路底基層抗壓強度指標要求，抗壓強度穩步增長，抗凍性能、抗彎拉性能優良，具有良好的工作性能。

(3) 水泥穩定水泥混凝土類再生材料7 d無側限抗壓強度滿足高等級公路極重、特重交通基層抗壓強度指標要求，抗壓強度穩步增長，抗凍性能、抗彎拉性能優良，具有良好的工作性能。

(4) JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規范》對于瀝青路面結構驗算變化較大，水泥穩定建筑垃圾再生材料完全滿足瀝青混合料貫入強度性能驗證及疲勞開裂驗算要求，建議設計院所及檢測公司根據設計規范要求配備相關設備，通過試驗確定原材料性能。