建筑垃圾再生粗骨料大型直剪試驗研究

李 強，徐怡紅，童顏泱，杲加俊，徐 輝

(1.浙江理工大學科技與藝術學院，浙江 紹興 312369；2.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310018)

近年來，我國建筑垃圾產量巨大。據統計，截至2020年9月已經達到了20億t，其中，舊建筑物拆除產生的建筑垃圾占58%～60%，新建筑施工產生的建筑垃圾占32%～36%，建筑裝修產生的建筑垃圾占6%～8%[1]。目前，我國的建筑垃圾資源化利用率不足10%[2]，大量建筑垃圾處置不當帶來的安全隱患及環境問題日益凸顯[3]。

建筑垃圾組分復雜，其中的廢棄混凝土、碎磚等循環再生后可作為工程建筑材料使用[4- 5]。臧朋[6]對廢棄混凝土碎塊進行破碎、篩選，以其代替天然骨料制備再生混凝土樁，發現當再生骨料取代率為75%時，再生混凝土的強度最大；楊銳等[7]將建筑垃圾處理后作為樁基填料，通過有限元分析，發現建筑垃圾再生骨料樁的承載力可達到500～1100kN；鞠興華等[8]用建筑垃圾再生粗骨料代替碎石，細骨料代替中粗砂制備成的再生骨料混凝土樁加固軟土地基，結果表明單樁極限承載力為487.7kPa，較天然軟土地基承載力提高了3.8倍；李海濱等[9]將廢棄混凝土再生骨料與水泥、粉煤灰等膠凝材料按一定比例混合制成水泥粉煤灰再生骨料樁進行地基處理，結果表明處理后的地基承載力顯著提高，工后沉降降低；Zhao[10]等研究了建筑垃圾夯擴樁在沿海軟土地基加固中的應用，發現基礎的最小側向位移在2m左右，表現出良好的穩定性；Ridzuan[11]對再生混凝土進行了抗壓試驗，研究發現相同配合比的再生混凝土試件抗壓強度較普通混凝土有所提高，提高幅度最大接近20%；Hansen[12]、Saiem[13]同樣也發現再生混凝土的抗壓強度要高于普通混凝土。綜上可知，現有研究多集中于再生粗骨料混凝土的強度性能上，對于再生粗骨料力學性質的研究較少。當再生粗骨料作為主體材料時，其力學強度參數的選取將直接影響結構體的整體穩定性。

有鑒于此，本文通過大型直剪試驗對再生混凝土粗骨料和再生磚混粗骨料的抗剪強度特性進行了研究，并與天然粗骨料進行對比，以期為再生粗骨料在再生混凝土、再生樁等設計中提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗原材料取自于浙江省杭州市某拆遷工程產生的建筑垃圾，經破碎、篩分等處理后得到粒徑范圍為0～37.5mm的再生骨料，如圖1(a)及圖1(b)所示。將再生骨料運至實驗室，置于干燥箱中烘干，冷卻至室溫后，對再生骨料再次進行篩分，最后獲得粒徑范圍為4.75～37.5mm的粗骨料。天然粗骨料采用試驗室采購的碎石骨料，粒徑范圍為4.75～37.5mm，如圖1(c)所示。

圖1 骨料取樣圖

1.2 試驗儀器

基本物理特性試驗采用的主要儀器設備包括干燥箱、振篩機、比重瓶、壓碎指標測定儀等。抗剪強度測試設備采用STYE- 2000F型全自動大型直剪儀，其中剪切盒由上盒和下盒組成，盒高度均為200mm，試樣倉直徑620mm；水平及豎向伺服加載系統加載范圍為0～600kPa，控制精度1.0kPa；水平剪切速率為6.2mm/min，內置LVDT位移監測傳感裝置，運行位移最大值為100mm。

1.3 試驗方案

為研究再生粗骨料的抗剪強度性能，設計了3組共計12個大型直剪試驗，并以天然粗骨料作為對照組，見表1。法向應力設置為4個等級，100、200、300、400kPa，剪切速率控制為6.2mm/min。

表1 試驗方案表

1.4 試驗方法

參照GB/T 14685—2011《建設用碎石、卵石》[14]對粗骨料進行顆粒級配、表觀密度、吸水率及壓碎指標測試；參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[15]對粗骨料進行抗剪強度試驗。其中抗剪強度的具體測試方法如下：首先，將一定量的骨料倒入剪切盒內，采用分層壓實的方法，直到填滿剪切盒；隨后，通過起吊裝置放置荷載板，調整LVDT并記錄初始讀數；然后開始剪切，直到試樣破壞為止。試驗期間，通過數據采集器記錄試驗數據。

2 試驗結果分析

2.1 骨料基本物理特性

3種粗骨料的顆粒級配曲線如圖2所示，橫坐標為篩孔孔徑，縱坐標為對應孔徑下再生骨料的累計篩余百分比，虛線為GB/T 14685—2011中規定的卵石和碎石的上下限。從圖2中可以看到，天然粗骨料、再生混凝土粗骨料和再生磚混粗骨料的級配良好，在規范規定的上下限范圍內。

圖2 粗骨料粒徑級配曲線

3種粗骨料基本物理指標見表2。與GB/T 14685—2011中卵石、碎石的表觀密度應不小于2600kg/m3的一般要求相比，再生混凝土粗骨料以及再生磚混粗骨料的表觀密度偏小。天然粗骨料、再生混凝土粗骨料以及再生磚混粗骨料的平均吸水率分別為1.32%、6.13%、9.72%，壓碎值分別為4.72%、11.19%、19.92%。

表2 粗骨料基本物理指標

2.2 剪應力-剪切應變曲線

圖3為不同豎向壓力下3種粗骨料的應力-應變曲線。從圖中可以看出，3種粗骨料的應力-應變曲線呈現出相似的規律，當上覆應力為100、200kPa時，剪應力隨著剪切應變的增大快速上升后趨于平緩，峰值不明顯；當上覆應力增加至300、400kPa時，剪應力隨著剪切應變的增大快速上升，達到峰值后逐漸下降，表現為應變軟化特征。此外，3種骨料的應力-應變曲線均出現了不同程度的波動。在相同豎向應力下，峰值剪應力大小順序為：天然粗骨料>再生混凝土粗骨料>再生磚混粗骨料。

圖3 不同粗骨料應力應變曲線

2.3 抗剪強度包絡線

根據圖3，得到3種類型粗骨料的抗剪強度與豎向應力的關系，如圖4所示。隨著上覆應力的增大，3種粗骨料的抗剪強度均呈明顯的線性增長趨勢。利用庫倫抗剪強度理論對試驗數據進行擬合，得到相應的抗剪強度參數，見表3。天然粗骨料、再生混凝土粗骨料、再生磚混粗骨料的黏聚力分別為9.3、14.6、21.55kPa，內摩擦角分別為49.3°、45.2°、41.8°。

表3 抗剪強度包絡線擬合公式

圖4 不同粗骨料抗剪強度包絡線

3 再生粗骨料剪切過程作用機理分析

圖5為再生粗骨料剪切過程機理圖，從圖5中可以看到：

圖5 再生粗骨料剪切過程示意圖

(1)由于粗骨料顆粒多呈棱角狀，顆粒間的摩擦并不是簡單沿表面的滑動摩擦，在受到剪切作用時骨料出現破碎，部分破碎的骨料粒徑較小，經滑移、翻滾、重排等一系列過程填充了大粒徑骨料之間的空隙，這就使得骨料之間的摩擦咬合增強[16- 17]，因此在剪切過程中應力-應變曲線會出現小幅波動。

(2)再生粗骨料表面多附著砂漿，在剪切作用下，表面砂漿的脫落也會填充于骨料之間的縫隙，從而增加骨料之間的咬合摩擦[18- 19]，這也會導致應力-應變曲線在剪切過程發生波動現象。

(3)剪切過程中，再生混凝土粗骨料的破壞以表面砂漿的脫落破碎為主，再生磚混粗骨料的破壞除了表面砂漿的脫落破碎之外，還有磚骨料的破碎，因此，再生磚混粗骨料在受到剪切作用時會產生較多的細粒料，再生混凝土粗骨料次之，天然骨料粗最少。細粒料越多黏聚力就越大，而且碎磚細粒的黏聚力大于砂漿顆粒的黏聚力[16]，因此3種粗骨料的黏聚力大小順序為：再生磚混粗骨料>再生混凝土粗骨料>天然粗骨料。

(4)由于粗骨料形態不規則，所以顆粒之間主要以嵌鎖咬合接觸為主，以此來平衡外部施加的作用力[20]。粗骨料的壓碎值越高，其抵抗外力的能力就越弱，骨料間的嵌鎖咬合作用就越低，從而內摩擦角就越小。因此3種粗骨料的內摩擦角大小順序為：再生磚混粗骨料<再生混凝土粗骨料<天然粗骨料。

4 結論

(1)天然粗骨料、再生混凝土粗骨料、再生磚混粗骨料表觀密度分別為2738、2550、2460kg/m3，吸水率分別為1.32%、6.13%、9.72%，壓碎值分別為4.72%、11.19%、19.92%。

(2)在相同豎向應力下，天然粗骨料的峰值剪應力最大，再生混凝土粗骨料次之，再生磚混粗骨料最小。天然粗骨料、再生混凝土粗骨料、再生磚混粗骨料的黏聚力分別為9.3、14.6、21.55kPa，內摩擦角分別為49.3°、45.2°、41.8°。

(3)本文采用的再生粗骨料來自房屋拆除垃圾，研究成果能夠為應用類似骨料的再生混凝土、再生樁等工程的設計提供參考。在后續研究中，作者將深入分析其它來源的再生粗骨料以及再生細骨料的抗剪強度特性。