水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石基層性能研究

時成林 姚俊杰 宋文祝 王 勇

（1.吉林建筑大學， 吉林 長春 130119； 2.吉林省公路管理局， 吉林 長春 130012 ）

0 引言

隨著我國城市化進程的推進，老舊房屋拆遷改造工作日益增多，使得我國每年的建筑固廢數量呈遞增的趨勢。截至2020年，我國因新建、拆除、裝修等建筑業(yè)生產活動產生的建筑固廢已突破26億噸，占城市固廢總量的30%～40%。對于建筑固廢的處理，我國目前主要以填埋堆放為主，占用大量的土地，污染水土環(huán)境，對環(huán)境造成不良的影響。因此，如何有效利用建筑固廢，成為我國亟待解決的問題。近年來，隨著環(huán)境保護問題的持續(xù)升溫，廢棄資源的再利用成為國內外學者的研究重點。建筑固廢的利用尚存在一些問題急需解決，因為建筑固廢的來源不同，使得建筑固廢的組成成分較為復雜，經過分揀、破碎和篩分后的建筑固廢性能差別較大，導致建筑固廢難以被充分利用。

國內外許多學者對建筑固廢在道路上的應用進行了相關的研究。樊興華等人對建筑固廢骨料的特性進行了相關研究，發(fā)現與天然集料相比建筑固廢具有密度低、吸水率大、壓碎值大的特點[1]。田振對再生水泥混凝土集料進行了研究，其結論說明隨著試件齡期的增長，水泥穩(wěn)定再生混凝土試件的無側限抗壓強度增長幅度高于水泥穩(wěn)定碎石，這說明建筑固廢摻量的增加能提高水泥穩(wěn)定材料后期強度[2]。肖杰將磚和混凝土混合摻入水泥穩(wěn)定碎石中研究建筑固廢對混合料的影響，發(fā)現隨著建筑固廢摻量的增加混合料的抗沖刷性能和溫縮性能有著較大幅度的下降，建筑固廢摻量超過60%時各個齡期的無側限抗壓強度和劈裂強度開始下降[3]。劉克非對水泥穩(wěn)定建筑固廢材料進行了干縮試驗，結果表明水泥穩(wěn)定建筑固廢干縮較大，失水率高，建筑固廢摻量不宜超過50%[4]。郭遠臣將建筑固廢的含泥量和天然碎石進行對比，發(fā)現建筑固廢的含泥量遠高于天然碎石[5]。吳超凡對水泥穩(wěn)定建筑固廢基層路面結構進行了受力分析，結果表明隨著建筑固廢摻量的增加，路表彎沉值先增后減，基層層底彎拉應力同樣先增后減[6]。

將建筑固廢用于基層，首先要研究建筑固廢材料性能，開展一系列室內試驗，探討水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量、抗凍性等路用性能，研究建筑固廢水泥穩(wěn)定碎石材料的路用性能，為建筑固廢的應用提供理論支撐。

1 原材料特性

1.1 水泥

試驗采用32.5復合硅酸鹽水泥，其性能滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB175）的要求，水泥的技術指標見表1。

表1 水泥性能試驗結果

1.2 碎石集料

試驗采用石灰?guī)r碎石，分4檔，碎石集料的壓碎值、表觀密度、吸水率見表2。

表2 集料性能試驗結果

1.3 建筑固廢

建筑固廢集料為混凝土樓板經拆除、分揀、破碎和篩分而成的，建筑固廢的破碎采用顎式破碎機進行破碎，破碎后篩分為三檔備用。建筑固廢集料的壓碎值、表觀密度和吸水率見表3。

表3 集料性能試驗結果

從外觀看建筑固廢集料的棱角性較好，表面有較多的孔隙，與天然集料相比，建筑固廢集料表面較為粗糙。從表2、表3可以看出碎石的壓碎值和吸水率分別比建筑固廢的小16%和93.4%，碎石的密度比建筑固廢密度大4%，碎石強度比建筑固廢高，在利用建筑固廢時要考慮到吸水率大所導致的基層防水、防凍問題。規(guī)范中對于壓碎值的規(guī)定為≤30%，試驗中所采用的碎石和建筑固廢滿足規(guī)范要求。

2 混合料組成

將碎石和建筑固廢各檔料用標準篩進行篩分，將建筑固廢以0%、25%、50%、75%這幾種比例摻入混合料中，調整級配使合成級配滿足規(guī)范級配上、下限的要求，級配見表4。

表4 水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石級配表

3 試驗結果和分析

試驗中將0%、25%、50%、75%、100%五種建筑固廢摻量進行試驗，探討了擊實試驗、無側限抗壓強度、劈裂強度、抗凍性、靜態(tài)回彈模量等路用性能。

3.1 擊實特性

不同水泥劑量、不同建筑固廢摻量情況下混合料最佳含水率和最大干密度的變化趨勢，見圖1、圖2。

圖1 最大干密度趨勢圖

圖2 最佳含水率趨勢圖

由圖1、圖2可以看出，隨著建筑固廢摻量的逐漸增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的最大干密度呈下降趨勢，最佳含水率呈上升趨勢。這是因為建筑固廢的密度低于碎石，吸水率高于碎石，隨著建筑固廢含量的增加，混合料的內部孔隙增多，使得混合料的密度下降。因為建筑固廢含有大量的微小孔隙和裂縫，使得建筑固廢吸水量增多，因此隨著建筑固廢摻量的增加混合料的最佳含水率逐漸增加。從水泥劑量的角度看，水泥劑量對混合料的最大干密度和最佳含水率的影響較小，因為水泥的質量在混合料中的占比較小，其影響較弱。從圖2可以看出隨著水泥劑量的增加，最佳含水率有小幅的上升，這是因為水泥的水化反應需要混合料中的水進行反應，隨著水泥劑量的增加，水化反應需要的水的質量也會上升。

3.2 無側限抗壓強度

水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石各個建筑固廢摻量下7d、28d、90d、180d齡期的無側限抗壓強度結果見圖3。

圖3 無側限抗壓強度試驗結果

由圖3、圖4可以看出，隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的無側限抗壓強度在下降。當建筑固廢摻量為25%時下降幅度較小，而當建筑固廢的摻量達到50%時，抗壓強度大幅下降。這是因為建筑固廢相比于碎石其內部有較多的裂縫和孔隙這使得其壓碎值大于天然碎石，強度小于碎石，因此摻加過多的建筑固廢會使強度大幅下降。建筑固廢中含有水泥活性成分，其火山灰反應仍在繼續(xù)，這一作用對于強度的形成是有利的，所以摻加25%的建筑固廢混合料的強度下降幅度較小。從齡期上看7～28d這一階段強度提升最為明顯，28d之后強度提升有限，這說明添加建筑固廢對于水泥穩(wěn)定建筑固廢的長齡期強度提升有限，雖然建筑固廢中會有火山灰反應但因為是混凝土舊料所以反應的程度很弱，因而不能對混合料長齡期強度的形成有所幫助。

圖4 劈裂強度試驗結果

《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）對于高速公路和一級公路中、輕交通道路的底基層7d無側限抗壓強度的要求為2～4MPa，試驗中摻入建筑固廢的水泥穩(wěn)定碎石7d無側限抗壓強度最低為2.98MPa，滿足規(guī)范要求，可以用于高速公路和一級公路中、輕交通道路底基層的鋪設。建筑固廢摻量達到25%、50%時7d無側限抗壓強度分別為3.85MPa和3.13MPa滿足規(guī)范中對于高速公路和一級公路對于中、輕交通道路基層的7d強度要求。綜上，從7d無側限抗壓強度可以看出，摻入建筑固廢的水泥穩(wěn)定碎石可以用于高速公路和一級公路底基層的修筑，對于二級及二級以下重交通和中、輕交通道路的道路基層也適用(見表5)。

表5 水泥穩(wěn)定材料的7d齡期無側限抗壓強度標準 MPa

3.3 劈裂強度

因為工程中常用5%水泥劑量，各水泥劑量7d強度均滿足規(guī)范要求，為了研究應用的廣泛，故路用性能試驗中水泥劑量采用5%。水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石90d齡期的劈裂強度結果見圖4?？梢钥闯?，隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的劈裂強度逐漸下降，在建筑固廢的摻量達到75%時劈裂強度大幅下降。通過和圖3進行對比可以發(fā)現，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的劈裂強度隨建筑固廢摻量的增加，強度變化趨勢和無側限抗壓強度變化趨勢一致，這主要是因為相同材料的抗壓強度和劈裂強度具有一定的關系。建筑固廢本身的強度不如碎石，因為建筑固廢自身表面有較多的小裂紋和孔隙，故隨著摻量的增加，混合料中的薄弱部位增多，使得劈裂強度下降。

3.4 抗壓回彈模量

不同建筑固廢摻量下水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的90d、180d、180d凍融后抗壓回彈模量試驗結果見圖5。

圖5 抗壓回彈模量試驗結果

由圖5可知隨著建筑固廢摻量的增加，混合料的抗壓回彈模量呈逐漸下降的趨勢，建筑固廢摻量和抗壓回彈模量的變化趨勢與無側限抗壓強度的變化趨勢一致。因為建筑固廢中有較多的孔隙，這使得其與相同質量較低受力時，隨著建筑固廢摻量的增加，建筑固廢在試件中占有的體積增大，當試件體積中建筑固廢占比較大時，對于水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的削弱作用非常明顯，這是建筑固廢摻量增加對于試件強度呈削弱作用的主要原因。

通過對比90d和180d抗壓回彈模量可以發(fā)現，各個建筑固廢摻量的180d抗壓回彈模量相比于90d抗壓回彈模量分別提高11%、12%、26%、34%，這說明隨著建筑固廢摻量的增加，齡期對于抗壓回彈模量的提升越明顯。建筑固廢中含具有活性的SiO2和Al2O3玻璃態(tài)物質，當普通水泥穩(wěn)定碎石中摻入一定數量粒徑較細的建筑固廢后，建筑固廢中的部分活性物質能夠和水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生一定的火山灰反應，這種反應對于長齡期試件的強度和模量提升較為明顯，因此隨著建筑固廢摻量的增加，齡期對于模量的提升越明顯。

3.5 凍融循環(huán)試驗結果

抗凍試驗試件齡期為180d，凍融循環(huán)次數為10次，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石抗凍性通過凍融循環(huán)前后無側限抗壓強度變化來表征，抗凍指數（BDR）為試件凍融后抗壓強度和180d無側限抗壓強度的比值。此外在滿足規(guī)范的基礎上對進行過凍融的抗壓回彈模量試件進行強度試驗，以進一步表征試件的抗凍性能，試驗結果見圖6。

圖6 凍融循環(huán)試驗結果

由圖6可以看出，隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的抗凍性能下降。原因是建筑固廢有著較多的孔隙和裂縫，導致試件在浸泡時水會填滿這些縫隙并滯留在其中，而這些在孔隙中的水經過冷凍后體積會膨脹，進一步的撐開孔隙使得原本脆弱的結構進一步破壞。同時建筑固廢有著較大的吸水率，試件經過浸泡后建筑固廢吸收大量的水分無法排出，而這些多出來的水分經過凍融循環(huán)會削弱試件內部的粘結力和結構的穩(wěn)定性，進而使得水泥穩(wěn)定固廢碎石的性能下降。

4 結束語

（1）隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石材料的最大干密度呈下降趨勢，最佳含水率呈上升趨勢。

（2）摻建筑固廢的水泥穩(wěn)定碎石7d滿足規(guī)范中的要求，其中建筑固廢摻量小于50%時，強度和模量降低較小，可視同水泥穩(wěn)定碎石進行設計，適合修筑道路的基層；當建筑固廢摻量大于50%時，強度和模量降低較大，適合修筑底基層，有利于與路基的變形協(xié)調，提高公路使用壽命。

（3）隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的抗凍性能下降，但可滿足規(guī)范對抗凍性能的要求。