廢瓷磚用于道路路面路基的分析研究

趙維杰

（山西路橋第三工程有限公司，山西 忻州 034000）

0 引言

許多工業化國家都有大量粉煤灰、石粉、塑料、玻璃、橡膠、金屬屑以及各種建筑和拆除廢物等廢料資源。瓷磚和其他陶瓷產品在內的陶瓷材料在建筑廢料和拆除廢料中占比最大。每年約有25萬t瓷磚磨損，在住房領域會產生大量的廢瓷磚，廢瓷磚的堆放構成環境污染。當前廢瓷磚的處置方法是填埋，造成難降解等問題，主要是缺乏標準及缺乏使用廢瓷磚的經驗和知識。實際上，瓷磚是由高百分比黏土礦物的天然材料制成的，在700°C至1 000°C的溫度下燒制后，黏土礦物獲得了燒制黏土的特性。因此，廢瓷磚可以回收并在其他領域發揮積極作用[1-4]。

隨著對建筑路基設計和建筑材料的需求不斷增加，有必要從工業廢料以及生活垃圾和可回收材料中探索建筑替代材料。因為路基材料通常是碎石，需耗人力進行開采，而且相對昂貴。盡管發現將再生瓷磚材料再利用來生產混凝土是廢棄瓷磚可持續管理的可行替代方法，但尚無廢棄瓷磚顆粒在道路路面路基設計中的研究[5-6]。本文旨在評估廢棄的瓷磚顆粒與土壤的性能，以用作路基材料。這項研究的結果可能有助于增加廢瓷磚的再利用量，減少廢瓷磚的傾銷率和不可再生資源的消耗，促進可持續建筑，從而減少對環境的污染。

1 試驗研究

1.1 材料

用于測試的材料是低塑性黏土（CL）型土壤、廢瓷磚和去離子水。土壤顆粒的比重為2.61，土壤的內摩擦角（φ）和內聚力（c）分別為22°和15 kPa。廢瓷磚通過人工選擇了介于19.0～0.075 mm之間等級的廢瓷磚顆粒，顆粒的比重為2.42。D10、D30、D50和D60的大小分別約為1.0、3.8、7.5和9.5。均勻度系數和曲率系數分別為2.5和1.52。圖1、圖2顯示了土壤顆粒的掃描電子顯微照片（SEM）以及試驗研究中使用的廢瓷磚顆粒的照片。

圖1 土壤的SEM圖片

圖2 廢瓷磚顆粒的照片

1.2 測試儀器和樣品制備

研究中使用的儀器有軸承比（CBR）測試儀、無側限抗壓強度儀（UCS）、壓實度和里程表。不同尺寸的廢瓷磚顆粒都遵循測試程序，以滿足每個測試標準的要求。使用的CBR測試設備的測力環容量為28 kN，位移測量表精度為0.01 mm。在浸泡條件下，對土壤廢瓷磚顆粒的混合物進行了CBR測試，并將結果與ASTM給出的測試結果進行了比較，以了解這種混合物作為具有變化的廢瓷磚的路基材料的性能。用清潔土壤和具有廢瓷磚顆粒的土壤以干重的5%、10%、15%、20%和30%的比率混合以研究樣品的性能。在樣品的底部和頂部放置兩張濾紙，以防止在浸泡過程中細小材料從樣品中流失。將樣品在水浴中浸泡96 h以達到完全飽和，然后再進行CBR測量。通過標準活塞以1.25 mm/min的速率穿透2.54 mm、5.08 mm、7.62 mm、10.16 mm 和 12.70 mm的壓力分散到壓實的混合物中，獲得混合物的CBR。

制備的混合物壓制成直徑為43.2 mm、高度為98.5 mm的兩部分。通過施加壓力來壓實樣品，該壓力等于使用標準壓實測試獲得的壓力。然后將樣品從模具中取出，修整后放在UCS測試設備上，對每個樣品進行實驗室壓實測試，以建立混合物的水分含量與單位重量關系。對每個樣品進行里程表測試，以確定混合物中空隙率的變化。將干燥狀態的混合物倒入具有薄層的模具中，然后將所需的水添加到樣品池中使樣品飽和。測試是在一系列配有外部線性位移傳感器的常規里程表測試機中進行的。在研究過程中進行的固結測試方法是測量固結特性的標準方法，涉及試樣的增量載荷（25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 和 800 kPa）。增量載荷是將垂直載荷的每日增量施加到剛性環中的浸沒容器中，并通過底部和頂部的多孔石頭進行排水。

2 結果和討論

CL廢瓷磚顆粒的性能受混合物中水量的影響極大。為了預測可能出現的故障，混合物中的水量對于道路建設非常重要。當將水添加到干燥混合物中時，每個顆粒都首先被吸附的水膜覆蓋。繼續加水時，水膜的厚度增加，顆粒彼此容易滑動。采用可塑性指數（PI）識別細粒土壤的行為。通過標準壓實測試，研究不同含量廢瓷磚的含水量與干重之間的重量關系。通過常規測試混合物的水含量與干燥單位重量的關系，測試的混合物的最大干燥重量從17 kN/m3增加到18.4 kN/m3，廢瓷磚的含量從0%增加到30%。這是因為用比重相對較低的土壤顆粒代替了比重較高的廢瓷磚顆粒。但隨著廢瓷磚的含量從0%增加到30%，最佳含水量值從17%降低到12.7%。圖3、圖4分別顯示了最大干重和最佳含水量隨廢瓷磚量的變化。

圖3 最大干重隨廢瓷磚顆粒含量的變化

圖4 最佳含水量隨廢瓷磚顆粒含量的變化

圖5顯示了測試樣品CBR值隨含水量變化，廢瓷磚的添加增加了廢CL混合物的CBR值。最大干燥單位重量的增加使最大CBR值增大，從而導致用作路基材料的混合物的機械強度增加。這種壓實混合物提供強度的原因還包括：廢瓷磚與土壤之間的摩擦力、廢瓷磚與土壤之間的互鎖、廢瓷磚具有較高的剛度、降低黏土的可塑性以及廢瓷磚的級配。在含水量變化很小的情況下，廢瓷磚含量較高的樣品達到了最大CBR值。但是，廢瓷磚含量少而含水量多的樣品也達到了最大CBR值（圖6）。主要是由于混合物中可用的CL顆粒具有出色的吸水能力。

圖5 CBR值隨含水量的變化

如果路基的CBR值小于2%，則通過將CBR值設為2%來進行人行道的設計，并在其中提供150 mm厚的覆蓋層，除基地外使用最小CBR值為10%的材料。CL路基的CBR已被設計為8%。對于CBR值高于15%的路基，路基的厚度為150 mm。CL-廢瓷磚顆粒混合物的復合基質也具有膨脹潛力。膨脹勢用膨脹率表示，膨脹率定義為高度變化與樣品原始高度的比率。在混合物中添加廢瓷磚顆粒可有效控制溶脹潛力。各方向上產生的膨脹壓力將調動CL和廢瓷磚顆粒之間的界面力，進而抵消膨脹壓力，從而降低了升沉。溶脹率從CL為2.69%降低到含有30%廢瓷磚顆粒的土壤的1.48%。這是因為在更換非膨脹性的廢瓷磚顆粒減少了膨脹性土壤中黏土的含量。

圖6 廢瓷磚含量對最大CBR值的影響

樣品的初始剛度和峰值抗壓強度值均隨廢瓷磚顆粒數量的增加而降低。黏土-廢瓷磚顆粒混合物中相對較高的異質性導致強度降低，破壞面必須穿過試樣中最薄弱的區域。此外，在混合物測試中，剪切過程中廢瓷磚顆粒從側面掉落。這種現象減少了可承受施加載荷的試樣的橫截面積，從而降低了強度。

土壤與水和廢瓷磚之間的空隙率（e）的計示壓力變化如圖7所示。可以看出，由于樣品的初始條件，其初始孔隙率值分散在相對較寬的譜帶中。考慮到在里程表測試和文獻研究中獲得的測試結果，以這種方式制備的樣品形成過程中，廢瓷磚的物理特性可能導致較低的可壓縮性。混合物中的CL顆粒和廢瓷磚顆粒可以根據初始條件和外部施加的應力將它們重新排列為各種模式。混合物空隙的體積是由廢瓷磚顆粒引起的空隙以及由于CL顆粒而引起的空隙。因此，晶間空隙率（es）可以表示晶間空隙的體積與廢瓷磚顆粒的體積之比。當混合物的晶間空隙率等于廢瓷磚顆粒的最大空隙率（即es=emax）時，可認為廢瓷磚顆粒基體的直接顆粒-顆粒接觸的建立。

圖7 空隙率（e）隨廢瓷磚CL壓力計的影響變化

3 結論

本文進行CBR、UCS、壓實和固結測試等一系列深入的試驗，探究了CL型土壤和廢瓷磚混合物的性能變化。研究了摻有廢瓷磚顆粒比例為0%、5%、10%、15%、20%的土壤性能。結果表明：樣品最大干重隨廢瓷磚顆粒的增加而增加（從約17.3 kN/m3增至18.4 kN/m3），而最佳含水量則從約17%降至13%；廢瓷磚的添加提高了混合物的CBR性能（從大約8%到14%），從而可使公路路面的設計厚度大幅度降低；樣品的UCS峰值隨廢瓷磚顆粒含量的增加而降低（從540 kPa降至260 kPa）；溶脹率從CL為2.69%降低到含有30%廢瓷磚顆粒的土壤的1.48%。這表明廢瓷磚可用于路面路基層中。