再生建筑集料公路路基建設適用性分析

閆立來

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032)

隨著我國城鎮化建設的加快，廢棄建筑材料急劇增加，大量的建筑垃圾廢棄一方面導致資源的嚴重浪費，另一方面建筑垃圾處置不當也將帶來嚴重的環境污染隱患.因此，是否存在合理的建筑垃圾再生處置方案成為當前循環經濟的熱點議題之一[1,2].廢棄建筑材料包括城鎮化改造與建設中產生的廢棄房建材料、廢棄道路建筑材料等，主要包括廢棄磚、廢棄墻柱混凝土以及廢棄鋼筋、防水材料等.目前對于道路材料的再生利用已有了廣泛的探討，如陳峰等對水泥穩定碎石基層再生應用進行了研究，分析表明，只要經過適當改良，再生水穩集料可以滿足道路水泥穩定碎石填筑要求[3]；侯勁汝等對道路水泥混凝土再生應用進行了研究，結果表明其具有較好的經濟性和發展潛力[4]；王軍龍、顧萬等對城市道路上、下面層瀝青混合料再生應用進行了研究，室內試驗及工程應用表明舊瀝青路面銑刨料再生利用科學可行[5-7].但相對上述研究而言，如何對廢棄建筑材料進行再生的研究相對較少.公路路基作為道路工程的基礎，一方面所需筑路材料使用量較大，另一方面比較其他結構層，材料性能指標要求相對較低，若可將上述廢棄建筑材料再生應用于路基工程，將具有很好的經濟及環保價值.由于廢棄建筑材料組成成分的復雜性，使得對廢棄材料的篩選、加工以及使用方式的研究具有重要意義[8,9].

研究擬先對再生建筑集料進行基本性能指標測試，然后設計不同摻配比例路基填筑混合集料，并采用重型擊實試驗以及CBR試驗進行性能表征，進而得出相關結論，為再生建筑集料在公路路基建設中的應用提供參考.

再生建筑集料一般來源于房建工程、道路工程拆除過程，常與廢棄水泥混凝土塊(含砂漿)、廢棄磚以及鋼筋、防水材料等其他各種建筑廢棄物混合.上述建筑廢棄物中只有廢棄水泥混凝土塊(含砂漿)、廢棄磚可用于公路工程路基建設中，為保證使用效果，需先將建筑廢棄物進行分揀，取出不可用雜物.分揀完成后，對集料進行破碎加工制備再生建筑集料，為保證路基填筑效果，破碎粒徑最大值應小于等于37.5mm.

參照填石路基集料劃分標準，將再生建筑集料按公稱最大粒徑劃分為粗集料(>4.75mm)、細集料(<4.75mm).隨機各選取3組再生建筑粗集料、細集料及常規石灰巖路基集料，參照《公路路基施工技術規范(JTG F10-2015)》進行密度、吸水率試驗，試驗結果取3組平均值，測試結果如表1所示.

表1 再生建筑集料與常規路基填料技術指標

上述測試結果顯示，再生建筑集料與常規路基填料性能指標差異較大，其細、粗集料表觀密度分別為常規路基填料的71%、81%，而吸水率則分別為常規路基填料的7.4、13.5倍.這一方面是由于再生混凝土集料加工破碎后，破碎面存在大量疏松、多孔水泥砂漿物，且再生建筑集料粒徑越小，破碎面附著物比例相對越大，導致密度顯著減小、吸水率急劇增大.另一方面，再生磚自身即為疏松多孔材料，密度更小、吸水率更大，其與再生混凝土集料混合后將進一步減小再生建筑集料密度、增大含水率，以上二者混合導致再生建筑集料尤其是再生建筑細集料性能發生較大改變.

1 試驗方案設計

1.1 摻配比例設計

由表1分析可知，再生建筑集料較常規路基填料性能出現較大衰減，其中細集料性能指標衰減更加顯著.根據摩爾-庫倫理論，路基混合料抗剪強度由粘聚力和摩擦力組成，其中摩擦力主要由粗集料提供，粘聚力主要由細集料提供.由于再生建筑細集料性能衰減過大，過大的吸水率及過小的密度將導致路基填筑質量難以保障，試驗設計時不考慮使用再生建筑細集料，而采用0～4.75mm素填土替代.其中素填土統一采用粉質黏土，密度為2.326g/cm3，含水率為2.1%，級配良好.

為研究再生建筑集料比例、再生建筑集料中再生磚與再生混凝土比例(以下簡稱磚混比)對路基集料性能的影響，采用4種再生建筑集料比例(15%、30%、45%、60%)、3種再生磚與再生混凝土比例(1∶2、1∶1、2∶1)進行摻配設計，具體設計方案如表2所示.

表2 摻配比例設計方案

1.3 性能試驗表征

為分析再生建筑集料比例以及磚混比對路基填料性能的影響，采用相關試驗對上述各摻配方案進行表征，具體試驗方案為：

(1)擊實試驗：為分析各摻配方案對路基填料最佳含水率與最大干密度影響，對不同含水率路基填料進行擊實試驗.擊實試驗選取重型擊實法(Ⅱ型)，分3層擊實，每層錘擊98次.

(2)CBR試驗：作為室內試驗強度表征重要指標，試驗將上述各方案按98%壓實度進行摻配計算，試樣制作完成后將其浸水4d，最終進行強度檢測.

2 試驗結果與分析

2.1 擊實試驗結果與分析

對上述12組不同摻配比例路基混合料進行重型擊實試驗，試驗結果按再生建筑集料比例劃分如圖1至圖4所示.

由圖1到圖4的擊實試驗結果可知：整體而言，在再生建筑集料摻量相同條件下，隨著磚混比減小，混合料最大干密度增大、最佳含水率減小，且當磚混比為2∶1時，混合料密度曲線較其他兩個摻量相差較大.這是由于磚混比越大，再生建筑集料中再生磚摻量越大，而再生磚較再生混凝土具有更小的密度、更高的吸水率，其摻量增大降低了混合料整體密度.因此，在再生建筑集料應用時，應嚴格控制再生磚摻量比例，就本混合料設計方案而言，應控制磚混比<1∶2.

為比較再生建筑集料摻量對混合料擊實試驗結果的影響，將上述各配比混合料最大干密度、最佳含水率匯總如表3所示.

表3 各摻配比例混合料最佳含水率、最大干密度匯總

由表3分析可知：

(1)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量的增大，最佳含水率先持續減小然后增大.

(2)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量的增大，最大干密度呈現先增大后減小的“凸”形變化規律，且均在30%、45%時具有較大最大干密度.這是由于，隨著再生建筑集料摻量增大，混合料中粗集料含量逐漸增加，混合料相互填充，級配比例逐漸達到最優.因此就最大干密度指標而言，表明混合料再生建筑集料摻量存在最佳摻量，最佳摻量為30% ～ 45%.

2.2 CBR試驗結果與分析

對上述12組不同摻配比例路基混合料進行加州承載比試驗，試驗結果如表4所示.

表4 各摻配比例混合料CBR值

由表4分析可知：

(1)相同再生建筑集料比例下，隨著磚混比增大，混合料CBR值逐漸增大.這是由于再生磚力學性能相對再生混凝土較差，減小其摻量有利于增強再生建筑集料承載能力.因此，應對再生建筑集料磚混比進行有效控制.

(2)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量增大，混合料CBR值與最大干密度類似，呈現先增大后減小的“凸”形變化規律，在30%、45%時具有較大CBR值.表明混合料再生建筑集料摻量存在最佳摻量，最佳摻量為30% ～ 45%.

3 結論

首先對再生建筑集料進行基本性能指標測試，然后為研究再生建筑集料比例、磚混比對路基集料性能的影響，采用4種再生建筑集料比例(15%、30%、45%、60%)、3種磚混比(1∶2、1∶1、2∶1)進行混合料摻配設計，進行重型擊實試驗以及CBR試驗，得出如下結論：

(1)再生建筑集料與常規路基填料性能指標差異較大，其細、粗集料表觀密度分別為常規路基填料的71%、81%，而吸水率則分別為常規路基填料的7.4、13.5倍.由于再生建筑細集料性能衰減過大，過大的吸水率及過小的密度將導致路基填筑質量難以保障，路基填筑時應不予采用.

(2)在再生建筑集料摻量相同條件下，隨著磚混比減小，混合料最大干密度、混合料CBR值均增大、最佳含水率減小.

(3)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量的增大，最大干密度、混合料CBR值均呈現先增大后減小的“凸”形變化規律，且均在30%、45%時具有較大最大干密度或混合料CBR值.

(4)綜合分析表明，再生建筑集料在公路路基建設中應用時，應控制磚混比<1∶2，保證混合料再生建筑集料摻量在30% ～ 45%.