建筑垃圾在高速公路上的應用研究*

張志躍，楊軍強，魏振國，王金山，房格莉，王 露

(1.中鐵七局第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著城市化進程的加快，建設、拆遷、裝修等生產活動越來越多，隨之產生大量渣土、棄土、碎磚塊等建筑垃圾，對社會環(huán)境造成不利影響，且造成巨大的資源浪費。與此同時，天然礦石的過度開采使公路工程中路基填料日益匱乏，因此，需為公路建設中的砂石材料供需不平衡尋找解決途徑。若將建筑垃圾回收利用用作路基填料，不僅能保護環(huán)境，還能緩解公路砂石材料短缺的緊張局面，雖然建筑垃圾再生材料的抗壓碎能力低于天然集料，但仍可滿足道路的材料強度要求[1]。近年來，許多學者對建筑垃圾用作路基填料進行了相關研究。聶夢強等[2]通過試驗將建筑垃圾與灰土按一定比例混合應用于路基工程中，取得了明顯的經濟效益。李俊鵬等[3]通過地基模型試驗和數(shù)值模擬分析研究廢舊輪胎加筋建筑垃圾土地基的力學性能和工作機理。徐寶龍[4]分析城市道路拆遷改造中建筑垃圾的組成及工程特性。馬永鋒[5]介紹了建筑垃圾在陜西省高速公路地基處理、路基填料中的應用，取得了顯著的經濟和社會效益。但對建筑垃圾是否可用作高速公路設計與施工的工程特性有待進一步分析。

本文基于西安外環(huán)高速公路(南段)項目，探討建筑垃圾的工程特性及用作路基填筑的可能性，為建筑垃圾用作公路路基的設計和施工提供參考。

1 建筑垃圾性能室內試驗研究

1.1 試驗材料

建筑垃圾成分與房屋結構有關，對于磚混結構而言，磚塊、砂漿占90%以上。本文研究的建筑垃圾再生材料取自西安市拆遷的老舊房屋，主要為磚混類建筑垃圾再生材料，對回收的建筑垃圾進行分揀并粉碎成一定粒徑，粒徑為0～100mm，輕質雜物含量為0.08%，如圖1所示。

按JTG 3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》[6]進行原材料試驗，主要包括表觀密度、含水率、界限含水率等基本性質，試驗得天然含水率為6.2%，吸水率為11.73%，表觀密度為2.41g/cm3，有機物含量為2.04%，液限、塑限分別為25.4%，20%。由此可知，該建筑垃圾雜物含量、界限含水率等指標符合DB61/T 1149—2018《建筑垃圾再生材料路基施工技術規(guī)范》[7]、JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術規(guī)范》[8]的要求，可用于高速公路段墊層填筑。

1.2 篩分試驗

為確定不同比例的混合料顆粒級配，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》對建筑垃圾填料進行篩分試驗。級配越好的混合料壓實后可達到的密實度越高，從而獲得低透水、低壓縮、高強度的混合料。填料級配曲線如圖2所示。

為保證路基的壓實度，通過現(xiàn)場總結，對填料有如下要求：①路床填料中粗骨料占比為50%～70%，最大粒徑應<60mm；②路堤填料中粗骨料占比40%～60%，最大粒徑<150mm，為最佳填料條件。由圖2可知，填料級配均滿足不均勻系數(shù)Cu≥5，曲率系數(shù)Cc=1～3，級配良好[3]。土樣中粒徑<0.075mm含量約占4.11%，粒徑為0.075～0.5mm含量約占16%，粒徑≥5mm含量約占57%，說明本批建筑垃圾填料符合規(guī)范，可用作高速公路路基回填。

1.3 標準擊實試驗

壓實效果檢驗指標中，壓實度為最關鍵的監(jiān)測項目，壓實度為現(xiàn)場實測密度與室內最大干密度的具體比值。擊實試驗的目的是為了形成擊實曲線以求得擾動土的最大干密度和最佳含水率，從而模擬現(xiàn)場壓路機的壓實方式。

由于建筑垃圾中顆粒組分較復雜，顆粒粒徑的分布范圍也較大，定義建筑垃圾中顆粒粒徑<4.75mm為細骨料，≥4.75mm的為粗骨料。在建筑垃圾混合料體系中，粗骨料主要起骨架支撐作用，而細骨料用來填筑粗料間空隙和連接骨料的作用，粗、細骨料相互補充。但若粗料過多，細骨料無法填滿粗骨料間的空隙，造成混合料中形成大量空隙，此時的結構為骨架-空隙結構，該結構摩擦角小、黏聚力小、滲透性強，混合料干密度也較小。當細骨料逐漸增加到一定含量時，混合料干密度達到峰值后，此時的混合料結構由骨架-空隙結構逐漸變?yōu)閼腋?密實結構，該結構摩擦角大、黏聚力大、滲透性小，且強度高、承載力大。因此，細骨料含量對建筑垃圾混合料的結構起著至關重要的作用，也是混合料干密度及強度的重要影響因素之一。確定建筑垃圾路基填料的合理粒徑組成時，應首先確定粒徑<4.75mm 的細骨料含量[5]。

參考《公路土工試驗規(guī)程》《建筑垃圾再生材料路基施工技術規(guī)范》，選用多功能電動擊實儀和烘箱進行擊實試驗，分3層擊實，每層擊實98次，錘重25kN，重錘落距45cm。

將建筑垃圾材料劃分為7組，經過試驗及計算得到擊實曲線，如圖3所示。擊實曲線峰值點對應的干密度和含水率即為該擊實功下的最大干密度與最優(yōu)含水率。由圖3可知，7種不同的混合料配合比的干密度與含水率間的關系較密切，均為干密度隨含水率先增大后減小，只出現(xiàn)1個峰值點。

圖3 擊實曲線

建筑垃圾擊實試驗結果如表1所示。建筑垃圾再生材料的最優(yōu)配合比應為最小孔隙率或最大干密度。由于磚石顆料密度通常比石料顆粒間的土體密度大得多，所以土中超尺寸石料顆粒越多，土的最大干密度越大。由表1可知，建筑垃圾的最大干密度隨含石量的增大而增大，故磚塊與細粒土試樣最佳配合比為粗∶細=8∶2，配合比的最優(yōu)含水率為14.6%，最大干密度為1.84g/cm3。

表1 建筑垃圾擊實試驗結果

1.4 CBR試驗

路基填料的加州承載比CBR值(California bearing ratio)一般指試料貫入量為2.5mm時，單位壓力與標準壓力(貫入量2.5mm的標準壓力為 7 000kPa) 之比，能很好地反映填料抵抗局部荷載產生變形的能力，是表征路基填料強度的重要指標，也是評定路基填料的標準和依據(jù)，以標準碎石的承載能力相對百分比表示CBR值。選取施工現(xiàn)場的建筑垃圾填料，按最優(yōu)含水率制備試件，分3層擊實，每層擊實30，60，98次，使試件達到100%的最大干密度；為模擬混合料在使用過程中的最不佳狀態(tài)，將混合料泡水4個晝夜后(見圖4)再進行加載[9]。加載時，在試樣內放入4塊荷載板來模擬路面荷載，加載速度為1～1.25mm/min。利用所得的貫入量與貫入阻抗關系繪出對應關系曲線，經原點修正后得到貫入量2.5，5mm時的承載比。

圖4 試樣浸水

不同擊實次數(shù)下，貫入量分別為2.5，5mm時的CBR值如表2所示。由表2可知，其CBR值均滿足高速公路路基填筑要求，建筑垃圾混合料CBR值均隨壓實度(擊實次數(shù))的增大而增大，這是因為混合料經壓實后，顆粒間會進行重組并彼此擠密，孔隙不斷縮小，混合料的單位質量會提高，從而提高整體強度，相應的CBR值也會提高。

表2 不同擊實次數(shù)下的CBR值

1.5 壓實度檢測

壓實度是衡量公路填料工程性質的重要指標，在公路路基工程中得到廣泛應用。建筑垃圾填料壓實控制標準參考《建筑垃圾再生材料路基施工技術規(guī)范》[7]。

利用灌砂法求得現(xiàn)場壓實度為94%～95%，均>94%， 符合路基填筑要求。

2 工程應用

西安外環(huán)高速公路(南段LJ-7標段)位于長安縣子午鎮(zhèn)，起止里程為K20+951—K26+900，線路長5.949km，建筑垃圾再生材料填方合計66.3萬m3，填筑量大。建筑垃圾回收利用的結構橫斷面如圖5所示。清表后基底平整碾壓密實，壓填50cm大粒徑建筑垃圾再生材料墊層，后在其上鋪設建筑垃圾填料找平層，層厚≥30cm，墊層需高出原地面30cm。

圖5 路面結構橫斷面

西安外環(huán)高速公路總計利用建筑垃圾再生材料600萬t，可減少建筑垃圾堆放占用土地3 000畝，同時可減少借土填方取土場臨時用地1 500余畝，另外，節(jié)約水泥5萬t，節(jié)約燃煤3.2萬t，減少CO2排放量4 000多萬m3，產生直接、間接效益10億元，具有良好的社會和經濟效益。

3 結語

1)雖然建筑垃圾再生材料抗壓碎能力及吸水率不如天然集料，但通過試驗分析等手段發(fā)現(xiàn)建筑垃圾填料可滿足路基回填要求，能消耗大量建筑垃圾，具有明顯的社會和經濟效益，對生態(tài)文明建設具有重要意義。

2)通過試驗得知，建筑垃圾可用作高速公路工程回填材料，建筑垃圾的不均勻系數(shù)Cu為35～50，曲率系數(shù)Ce為1.07～1.61，組成均勻，級配連續(xù)，CBR值能滿足路基填料要求。通過不同配合比的擊實試驗，得到碎石/細粒土試樣最佳配合比為粗∶細=8∶2，最優(yōu)含水率為14.6%，最大干密度為1.84g/cm3。