建筑垃圾回填道路基層材料關(guān)鍵技術(shù)研究

余 萌，廖 鑫

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢430000）

0 引 言

經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展的同時帶動了基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)的快速發(fā)展，大批建筑構(gòu)造物在城市化進(jìn)程中面臨著改擴(kuò)建問題，隨之會產(chǎn)生大量的建筑廢棄物，對其的科學(xué)綠色處理方式成為新的研究熱點(diǎn)。早期的廢舊建筑垃圾主要采用集中堆放和填埋的方式進(jìn)行處理，一方面造成了土地資源的浪費(fèi)，另一方面未能充分發(fā)揮建筑垃圾的功效[1-3]。近年來，在國家綠色可持續(xù)發(fā)展理念的號召下，很多工程項(xiàng)目采用建筑垃圾再加工處理的方式來提升建筑垃圾的利用率[4]。薛雪[5]針對西安周邊建筑垃圾的回收及分類情況，將其制備成各類道路用建筑材料應(yīng)用于路基及基層結(jié)構(gòu)中，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。薛振華[6]將建筑垃圾中分離的渣土材料進(jìn)行再生水泥穩(wěn)定底基層材料的研究，并對其力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行了驗(yàn)證。周文娟[7]以建筑垃圾處理得到的再生骨料為基礎(chǔ)，進(jìn)行再生無機(jī)結(jié)合料的力學(xué)和抗凍性能研究，認(rèn)為可滿足道路基層結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果。郭一枝[8]采用堿激發(fā)材料對再生骨料進(jìn)行基礎(chǔ)材料強(qiáng)化研究，并應(yīng)用于實(shí)體道路建設(shè)工程中，建造成本節(jié)約了近40%。李巖凌[9]研究了建筑垃圾再生骨料在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用效果，認(rèn)為再生骨料的PH 值是影響再生效果的關(guān)鍵因素。安振源[10]采用磚石廢舊集料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化骨料再生，并進(jìn)行再生水泥穩(wěn)定碎石基層材料的性能研究，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足施工要求。楊思韓[11]結(jié)合溫州市建筑垃圾回收及管理體系進(jìn)行研究，對不同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建筑垃圾進(jìn)行分類處理和加工，形成了建筑垃圾再生利用指導(dǎo)方案。現(xiàn)有研究表明：建筑垃圾通過特殊再生加工工藝可得到再生骨料，通過合理的施工配比可應(yīng)用于道路基層材料中。本研究結(jié)合建筑垃圾回填道路基層材料關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，旨在探究再生骨料對道路基層材料性能的影響變化規(guī)律，為建筑垃圾回填路基應(yīng)用提供理論技術(shù)支撐。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 再生骨料

根據(jù)建筑垃圾的來源不同，再生骨料的技術(shù)性能也存在較大差異，可具體分為磚骨料、混凝土骨料，見圖1、圖2。磚骨料是建筑廢棄材料中的廢舊磚塊破碎產(chǎn)生骨料，混凝土骨料是成型的含有天然集料的水泥混凝土塊經(jīng)破碎產(chǎn)生的混凝土骨料。

圖1 磚骨料

圖2 混凝土骨料

研究對上述兩種再生骨料進(jìn)行技術(shù)性能測試，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 再生骨料技術(shù)性能

兩類再生骨料性能對比分析表明，磚骨料的表觀密度較小，其材質(zhì)更為疏松多孔，空隙率較大，吸水率較多，磚塊材料是黏土經(jīng)高溫煅燒形成的，其強(qiáng)度較天然集料低。混凝土骨料是天然集料經(jīng)水泥混凝土包裹形成的碎石材料，強(qiáng)度等級較好。總體來說，混凝土骨料的性能要遠(yuǎn)高于磚骨料，本研究采用混凝土骨料為原材料進(jìn)行道路基層的回填鋪筑，對其技術(shù)性能進(jìn)行研究。

1.2 水泥

研究采用河南產(chǎn)42.5 普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)性能見表2。

表2 水泥技術(shù)性能

1.3 試驗(yàn)方案

研究將廢舊建筑再生骨料應(yīng)用于道路基層結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石材料中，為促進(jìn)再生骨料水泥穩(wěn)定碎石材料的抗開裂性能，研究選用骨架密實(shí)型碎石級配，其目標(biāo)級配見圖3。

試驗(yàn)采用的基礎(chǔ)水泥劑量為4.5%，再生水泥穩(wěn)定碎石材料的成型方式采用重型擊實(shí)，其中再生骨料的摻量為0%～50%不等，研究重點(diǎn)考察穩(wěn)定碎石最大干密度、最佳含水率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗凍性能、抗沖刷性能隨再生骨料摻量的變化規(guī)律。

圖3 穩(wěn)定碎石級配曲線

2 再生水泥穩(wěn)定碎石性能研究

2.1 最大干密度和最佳含水率

水泥穩(wěn)定碎石是一種半剛性基層材料，要求其具備較好的黏聚性和抗裂特性。為確保實(shí)際的路段施工基層材料性能可以達(dá)到室內(nèi)預(yù)期研究效果，研究會對4.5%水泥劑量下穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水率進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 穩(wěn)定碎石最大干密度

圖5 穩(wěn)定碎石最佳含水率

如圖4、圖5 所示，采用重型擊實(shí)成型方式制備再生水泥穩(wěn)定碎石時，最大干密度和最佳含水率隨著再生骨料的增加分別呈先下降和上升的趨勢。其中，當(dāng)再生骨料摻量達(dá)到30%以上時，穩(wěn)定碎石的最大干密度急劇下降，最大含水率急劇增大。其主要原因是再生骨料的孔隙率較大，材料呈疏松多孔狀態(tài)，其強(qiáng)度和堅(jiān)硬程度較弱。當(dāng)再生骨料的摻量達(dá)到一定程度時，在重型擊實(shí)作用下，再生骨料易產(chǎn)生開裂損傷。因此，為確保再生水泥穩(wěn)定碎石基層材料的路用性能，需合理調(diào)控碎石材料的最大干密度和最佳含水率。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為進(jìn)一步研究再生水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)性能，試驗(yàn)對4.5%水泥劑量下水泥穩(wěn)定碎石試件進(jìn)行7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

如圖6 所示，對5 種不同再生骨料摻量下的穩(wěn)定碎石進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的匯總，并與未摻再生骨料的普通穩(wěn)定碎石進(jìn)行對比。研究表明10%～50%摻量下5 種穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度相較于普通穩(wěn)碎碎石分別下降了2.33%、4.65%、9.30%、15.12%和24.42%，說明再生骨料摻加的提升對穩(wěn)定碎石性能的劣化影響還是較為顯著的。當(dāng)再生骨料摻量大于40%時，穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度已低于7.3 MPa。再生骨料的增加會使得混合料中空隙率增大，重型擊實(shí)作用下碎石材料更易破碎，材料的整體黏聚性和密實(shí)性降低。若需要進(jìn)一步提升碎石材料的整體性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可采用再生骨料強(qiáng)化和增加水泥劑量的方式進(jìn)行改良，但隨之會增加生產(chǎn)成本。在實(shí)際的再生骨料穩(wěn)定碎石基層路段施工中要控制好骨料的料原質(zhì)量，確保材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

為進(jìn)一步研究再生骨料穩(wěn)定碎石的性能變化規(guī)律，采用5.0%、5.5%和6%水泥劑量制備穩(wěn)定碎石，測試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并與4.5%水泥劑量下碎石材料的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，見圖7。

圖7 不同水泥劑量下碎石材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

研究表明水泥劑量的增加可以在一定程度上增強(qiáng)碎石材料的抗壓強(qiáng)度，但當(dāng)水泥劑量達(dá)到一定程度時，水泥摻量的繼續(xù)增加對穩(wěn)定碎石材料強(qiáng)度的提升幅度有限。水泥與再生骨料表層附著的砂漿產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)碎石材料整體的強(qiáng)度。但再生骨料本身的強(qiáng)度較低，水泥對其的強(qiáng)度增強(qiáng)作用也存在局限性。因此，考慮到再生水泥穩(wěn)定碎石材料抗壓強(qiáng)度的提升，建議采用5.0%～5.5%范圍的水泥使用劑量。

2.3 抗凍性能

基層穩(wěn)定碎石材料在服役過程中會面臨凍融損傷，因此，再生水泥穩(wěn)定碎石材料的抗凍性能就顯得格外重要。研究采用4.5%水泥劑量下水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，采用凍融損傷系數(shù)來表征不同凍融循環(huán)次數(shù)下碎石材料的抗壓強(qiáng)度與初始抗壓強(qiáng)度的比值，研究結(jié)果見圖8。

圖8 穩(wěn)定碎石凍融系數(shù)

如圖8 所示，對不同凍融循環(huán)下穩(wěn)定碎石的凍融系數(shù)進(jìn)行匯總分析，隨著凍融次數(shù)的增加，穩(wěn)定碎石的凍融系數(shù)逐漸減小，說明碎石材料的結(jié)果強(qiáng)度逐漸降低。其中，不摻再生骨料的普通穩(wěn)定碎石材料，其凍融1 次和9 次時，凍融系數(shù)分別為95%和78%，下降了約17%；而40%和50%再生骨料摻量時，其凍融系數(shù)分別降低了28%和30%。穩(wěn)定碎石的抗凍性能和材料的密實(shí)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有關(guān)，而再生骨料與天然集料按合理配比進(jìn)行骨架結(jié)構(gòu)的嵌擠，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部材料的性能耐久。考慮到穩(wěn)定碎石的長期抗凍性能穩(wěn)定，建議建筑垃圾回填路基材料時再生骨料的摻量不宜超過30%。

2.4 抗沖刷性能

研究對再生穩(wěn)定碎石材料制備而成標(biāo)準(zhǔn)柱型試件進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，分別記錄不同雨水沖刷時間下試件的質(zhì)量損失，試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9 不同沖刷時長下碎石材料質(zhì)量損失

如圖9 所示，隨著沖刷時長的增加，穩(wěn)定碎石材料的質(zhì)量損失逐漸增加。10～120 min 不同雨水沖刷時，50%再生骨料摻量下碎石材料的質(zhì)量損失分別從6.7%～31.2%不等。其中，當(dāng)雨水沖刷時長達(dá)到60 min 時，穩(wěn)定碎石材料的質(zhì)量損失隨再生骨料摻量的增加逐漸變大。當(dāng)雨水沖刷時間達(dá)到90 min 以上時，再生骨料摻量達(dá)到20%以上時，碎石材料的質(zhì)量損失均達(dá)到10%以上。再生骨料材料松散多孔，內(nèi)部空隙率較大，再生骨料摻量的增加會提升碎石材料雨水沖刷質(zhì)量損失的風(fēng)險。從抗沖刷性能和質(zhì)量損失角度而言，再生骨料的摻量不易大于40%。

2.5 性能綜合對比分析

研究對4.5%水泥劑量下的穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗凍性能（5 次凍融循環(huán)）和抗沖刷性能（60 min 沖刷時長）進(jìn)行綜合分析，建立無量綱化評價矩陣，將性能最大值賦值為1，將最小值賦值為0，其他相關(guān)參數(shù)根據(jù)差分法進(jìn)行取值，相關(guān)性能隨再生骨料摻量的變化規(guī)律見圖10。

圖10 穩(wěn)定碎石路用性能無量綱值

如圖10 所示，對穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗凍性能和抗沖刷性能進(jìn)行無量綱分析，研究表明抗沖刷性能受穩(wěn)定碎石中再生骨料的摻量變化最為明顯，而抗東性能次之。而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的下降先呈緩慢下降，后迅速下降的趨勢，綜合各相關(guān)性能的具體變化規(guī)律，建議將建筑垃圾用于路基回填筑路時，骨料摻量不宜超過30%.

3 結(jié) 語

本文以建筑回收垃圾材料為基礎(chǔ)進(jìn)行再生骨料回填路基筑路進(jìn)行技術(shù)研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）混凝土再生骨料相較于磚骨料而言，密度高、含水率和壓碎值小，更適用于再生水泥穩(wěn)定碎石基層材料；

（2）再生骨料的摻量逐漸增加，4.5%水泥劑量下再生水泥穩(wěn)定碎石材料的最大干密度逐漸下降，最佳含水率逐漸增大，其抗壓強(qiáng)度、抗凍性能和抗沖刷性能均不斷下降；

（3）水泥劑量的增加可在一定程度上改良和提升穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度，考慮到成本和性能雙重保障，建議再生水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量不宜超過5.5%；

（4）相較于抗壓強(qiáng)度和抗凍性能，抗沖刷強(qiáng)度隨再生骨料摻量的變化更為敏感；綜合再生水泥穩(wěn)定碎石性能的變化趨勢，建議再生骨料的摻量應(yīng)控制在30%以內(nèi)。