建筑固廢物再生粒料基層混合料的性能研究

肖 杰， 馬海峰， 吳超凡， 楊 敏， 張繼森

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.湖南云中再生科技股份有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410021； 3.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 江西 南昌 330052)

近30年來(lái)，隨著中國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，每年建筑垃圾的產(chǎn)量、填埋或堆放存量及其增長(zhǎng)速率令人觸目驚心.據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，新建與拆除1m2的磚混凝土結(jié)構(gòu)、全現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)以及框架混凝土結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)，將分別產(chǎn)生0.5～0.6t和0.7～1.2t建筑垃圾，到2020年，中國(guó)的建筑垃圾總量將接近50億t.這無(wú)疑將給中國(guó)的生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅，而建筑垃圾的再生循環(huán)利用是解決該問(wèn)題的一種有效途徑.

根據(jù)拆遷建筑物類(lèi)型不同，其固廢物經(jīng)分揀、破碎與篩分處理后的成品也有所區(qū)別.全現(xiàn)澆及框架混凝土結(jié)構(gòu)物經(jīng)處理后，主要為舊混凝土集料，而磚混凝土結(jié)構(gòu)物因處理時(shí)磚塊與混凝土難以分離，主要為磚渣與混凝土的混合集料.廢磚與舊混凝土集料自身具有一定強(qiáng)度，許多學(xué)者已開(kāi)展了將其代替碎石作為道路基層或底基層加以利用的相關(guān)研究.Xuan等[1]研究了廢磚集料對(duì)水泥穩(wěn)定碎石物理力學(xué)性能的影響；Poon等[2]開(kāi)展了將磚渣和舊混凝土作為細(xì)集料摻入天然集料中的CBR(California bearing ratio)試驗(yàn)，獲得了一些有意義的結(jié)論；Bennert等[3]分析了再生混凝土集料用于道路基層與底基層的性能，發(fā)現(xiàn)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的舊混凝土集料與75%的天然集料所組成的混合料性能與天然集料混合料相當(dāng)；Molenaar[4]研究發(fā)現(xiàn)再生非膠結(jié)材料的內(nèi)摩擦角大約為40°;O’Mahony等[5]研究了將舊混凝土集料及建筑垃圾用作路面底基層粗集料的可行性，得到舊混凝土集料與天然集料的CBR值相近，但建筑垃圾的CBR值有一定程度降低的結(jié)論.

粒料材料用作路面基層時(shí)，在降雨潮濕季節(jié)，其含水率會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致其力學(xué)性能改變，在反復(fù)交通荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)會(huì)嚴(yán)重惡化，從而影響路面的使用性能.與天然集料相比，舊混凝土與廢磚集料的吸水率較高，受含水率的影響會(huì)更明顯，而相關(guān)研究還很少；同時(shí)，也缺乏對(duì)舊混凝土集料與天然集料混合料、磚渣與舊混凝土集料混合料這些粒料材料路用性能方面的研究.

為此，本文在研究天然集料(NA)、再生混凝土集料(RCA)、再生磚渣與混凝土集料(RBCA)基本物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，分析了RCA摻量1)及含磚渣對(duì)混合料CBR值的影響，并探討了壓實(shí)度與含水率對(duì)不同類(lèi)型混合料動(dòng)回彈模量的影響，所得結(jié)果可為建筑固廢物混合料用作道路結(jié)構(gòu)層提供參考.

1)本文所涉及的摻量、吸水率等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1 試驗(yàn)用原材料

原材料分別為NA、RCA以及RBCA.NA為天然石灰?guī)r；RCA由舊混凝土塊破碎而成，主要為混凝土塊和砂漿塊；RBCA包含RCA、磚渣及少量陶渣和玻璃渣等，其中磚渣約占30%，陶渣、玻璃渣等含量不足0.5%.

按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)試驗(yàn)方法，測(cè)得9.5～19mm粒徑NA、RCA和RBCA粗集料的表觀密度分別為2.498，2.231和1.877g/cm3，吸水率分別為0.50%，7.13%和7.43%，壓碎值分別為21.2%、32.1%和34.5%.顯然，表觀密度為NA最大，RCA次之，RBCA最小，壓碎值與吸水率則相反；不同種類(lèi)細(xì)集料的相關(guān)指標(biāo)變化規(guī)律與粗集料一致，其塑性指數(shù)均在7.5左右.

2 混合料組成設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

2.1 級(jí)配

NA,75%NA+25%RCA,50%NA+50%RCA,25%NA+75%RCA,RCA和RBCA共6種混合料級(jí)配均采用JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中表4.5.8中推薦的G-A-3級(jí)配范圍中值.為保證混合料集料級(jí)配的一致性，用26.5，19，9.5，4.75，2.36，0.6和0.075mm 篩，將NA、RCA與RBCA集料分別過(guò)篩，各分成7檔料備用.

2.2 最大干密度與最佳含水率

采用重型擊實(shí)法確定6種混合料的最大干密度與最佳含水率(OMC)，結(jié)果如表1所示.由表1可知：NA混合料的最大干密度最大，為2.28g/cm3，RBCA混合料最小，僅為1.84g/cm3；RBCA混合料的最佳含水率最大，為12.70%，NA混合料最小，僅有5.70%.表明隨RCA摻量的增加，混合料的最大干密度逐漸減小，而最佳含水率逐漸增加，磚渣的存在使混合料的最大干密度進(jìn)一步減小，最佳含水率進(jìn)一步增大.

表1 混合料的最大干密度與最佳含水率Table 1 Maximum dry density and optimum moisture content(OMC) of mixtures

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.3.1CBR試驗(yàn)

為研究RCA摻量及含磚渣對(duì)混合料CBR值的影響，在最佳含水率、98%壓實(shí)度條件下將6組混合料分別成型試件，每組3個(gè)，共計(jì)18個(gè).

2.3.2動(dòng)回彈模量試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)設(shè)備 采用深圳瑞格爾儀器公司生產(chǎn)的R-8001T動(dòng)三軸試驗(yàn)儀，軸向荷載氣壓動(dòng)態(tài)輸出，側(cè)向壓力采用水壓控制，范圍分別為0～5kN和0～300kPa.

(2)試件制備 試件采用靜壓成型，尺寸為φ100mm×200mm.首先將原材料加水拌和至預(yù)定含水率后悶料2h；為防止成型過(guò)程中試件受到擾動(dòng)并損傷，采用相應(yīng)尺寸的對(duì)開(kāi)圓形鋼模，內(nèi)壁套一層厚乳膠薄膜，然后將混合料均分5次裝入試模并分別壓實(shí)，嚴(yán)格控制每層壓實(shí)高度；最后一層壓實(shí)完成后，靜壓3h；卸除對(duì)開(kāi)模，取出試件，在裝入壓力室前，再套一層較薄的乳膠膜，并在底座和頂面應(yīng)力接觸塊上用橡皮條將試件上下兩端扎緊，防止漏水、漏氣.

現(xiàn)如今，企業(yè)進(jìn)入了新的歷史階段，開(kāi)始逐步打破傳統(tǒng)的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)模式，發(fā)展成為以市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)為主導(dǎo)，內(nèi)抓管理、外抓市場(chǎng)的新型模式。隨著電力企業(yè)改革的不斷深化，原有的管理體系急需“去其糟糠、取其精華”，同時(shí)引入先進(jìn)的管理理念與方法，以提高企業(yè)的管理水平，從而促進(jìn)企業(yè)健康發(fā)展。

(3)應(yīng)力波形、脈沖時(shí)間和頻率 動(dòng)三軸試驗(yàn)中，加載波形及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間需模擬公路荷載的實(shí)際情況.柔性路面結(jié)構(gòu)中單元體的應(yīng)力脈沖波形可近似為半正弦或三角函數(shù).因此，本文采用間斷半正弦波形的偏應(yīng)力波形，加載頻率1Hz，持續(xù)加載應(yīng)力0.1s，間隔0.9s.

(4)應(yīng)力施加順序 采用AASHTO指南[6]中的試驗(yàn)方法，先在相同圍壓(σ3)下以3種動(dòng)偏應(yīng)力(σd)加載，然后改變圍壓進(jìn)行下一輪試驗(yàn)；前后2次不同圍壓下，至少有1組試件在相同的豎向應(yīng)力下加載.參考文獻(xiàn)[7]中20.7，34.5，68.9，103.4和137.9kPa的5級(jí)加載圍壓及序列進(jìn)行加載，σd/σ3以1，2，3這3種動(dòng)應(yīng)力水平來(lái)模擬路面級(jí)配碎石等粒料材料的受力狀態(tài).為減小端部接觸的影響，試件先在初始應(yīng)力狀態(tài)下預(yù)加載1000次，達(dá)到接觸壓力后，再在相應(yīng)偏應(yīng)力下重復(fù)加載100次，認(rèn)為其回彈應(yīng)變值達(dá)到穩(wěn)定.

(5)回彈特性模型 每個(gè)試件完成加載后，試驗(yàn)結(jié)果取其穩(wěn)定后(一般取第98，99，100次)的平均值.動(dòng)回彈模量由式(1)求得：

(1)

式中：MR為動(dòng)回彈模量；σd為動(dòng)偏應(yīng)力(σd=σ1-σ3，其中σ1為主應(yīng)力，σ3為圍壓)；εe為可恢復(fù)應(yīng)變(彈性應(yīng)變).

1965年，Seed等[8]通過(guò)試驗(yàn)提出了更符合實(shí)際的模型(K-θ模型)來(lái)反映動(dòng)回彈模量與體應(yīng)力(應(yīng)力不變量)間的關(guān)系，見(jiàn)式(2)：

MR=K1θK2

(2)

式中：K1，K2分別為與材料有關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)；θ為應(yīng)力不變量，θ=σ1+2σ3=σd-3σ3.

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者[9-10]通過(guò)級(jí)配碎石的動(dòng)三軸試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)用K-θ模型能夠較好地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù).為此，本文采用K-θ模型對(duì)混合料動(dòng)回彈模量的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合.

(6)試驗(yàn)方案 為了研究RCA摻量對(duì)混合料動(dòng)回彈模量的影響，開(kāi)展了最佳含水率與98%壓實(shí)度條件下NA、75%NA+25%RCA、50%NA+50%RCA、25%NA+75%RCA、RCA及含30%磚渣的RBCA共6種混合料試件的動(dòng)回彈模量試驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，又開(kāi)展了3種壓實(shí)度(93%，96%，98%)下上述6種混合料試件的動(dòng)回彈模量試驗(yàn)及含水率不同的NA、RCA與RBCA這3種混合料試件的動(dòng)回彈模量試驗(yàn)，以探討壓實(shí)度及含水率對(duì)不同類(lèi)型混合料動(dòng)回彈模量的影響.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 CBR值

各試件CBR值的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 各試件的CBR值Table 2 CBR values of specimens with different mixture types %

由表2可知：隨RCA摻量增加，試件的CBR值逐漸增大，Leite等[11]也得到了類(lèi)似結(jié)論；即便是試件RBCA，其CBR值也大于試件NA.因此，RCA的摻入可提高石灰?guī)r天然集料的承載能力.究其原因是根據(jù)粒料材料強(qiáng)度形成機(jī)理，影響混合料強(qiáng)度的因素有干密度、骨料外形特征以及界面結(jié)合程度等.與天然集料相比，盡管RCA及RBCA的干密度小，但因其棱角性強(qiáng)、表面更粗糙，使得顆粒之間的嵌擠作用更強(qiáng)；另外，RCA中還可能存在部分水化或未水化的水泥，其浸水4d后即可發(fā)生復(fù)雜的物理與化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生硅酸鹽、鋁酸鹽等具有膠結(jié)作用的物質(zhì)，使RCA顆粒間移動(dòng)更加困難.磚渣的摻入會(huì)降低RCA的承載能力，這是因?yàn)榇u渣的自身強(qiáng)度低，吸水后會(huì)進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致試件RBCA的CBR值小于試件RCA.因此，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，需考慮磚渣含量對(duì)混合料CBR值的影響，依據(jù)其所處路面結(jié)構(gòu)層位及受力特性來(lái)確定合適的磚渣含量.

3.2 RCA摻量及含磚渣對(duì)混合料動(dòng)回彈模量的影響

各試件的動(dòng)回彈模量MR-應(yīng)力不變量θ的關(guān)系曲線(xiàn)(98%壓實(shí)度)如圖1所示，K-θ模型公式中的擬合參數(shù)見(jiàn)表3.為便于對(duì)比分析，采用表3中的擬合參數(shù)，按式(2)分別計(jì)算了各試件在低應(yīng)力(圍壓30kPa、偏應(yīng)力30kPa)、中應(yīng)力(圍壓70kPa、偏應(yīng)力70kPa)和高應(yīng)力(圍壓120kPa、偏應(yīng)力120kPa)下的動(dòng)回彈模量，結(jié)果如表4所示.

圖1 各試件的動(dòng)回彈模量-應(yīng)力不變量關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1 Relationship between dynamic resilience modulus and stress of specimens with different mixture types

Mixture type of specimenK1K2R2NA13.500.49370.953375%NA+25%RCA33.790.35830.924550%NA+50%RCA51.120.30070.920525%NA+75%RCA72.080.25410.8938RCA102.790.22350.8891RBCA19.340.43960.9573

表4 不同應(yīng)力狀態(tài)下各試件的動(dòng)回彈模量Table 4 Dynamic resilience modulus for specimens with different mixture types at different stresses MPa

由圖1和表3可知：隨應(yīng)力不變量θ增大，各試件的動(dòng)回彈模量MR均增大；K-θ模型公式中的參數(shù)K1隨試件中RCA摻量的增加而增大，K2的變化規(guī)律則相反；相同應(yīng)力路徑下，隨RCA摻量增加，試件的動(dòng)回彈模量逐漸增加，且試件RCA和RBCA的動(dòng)回彈模量均比試件NA大，這與前述RCA摻量對(duì)試件CBR值的影響規(guī)律一致.由表4可知，低應(yīng)力條件下，試件NA的動(dòng)回彈模量為144MPa，RCA為300MPa，后者比前者增長(zhǎng)了108%，其他應(yīng)力狀態(tài)下也具有相似規(guī)律.這表明在同一應(yīng)力狀態(tài)下，混合料動(dòng)回彈模量隨RCA摻量的增加而增大.這可能與再生混凝土材料的內(nèi)摩擦角比天然集料大有關(guān)[3].Molenaar等[4]的研究也發(fā)現(xiàn)再生非膠結(jié)材料的內(nèi)摩擦角大約為40o，從而使其抗剪強(qiáng)度得到改善，回彈模量變大.另外，試件RBCA中含有30%的磚渣，低應(yīng)力條件下其動(dòng)回彈模量比試件RCA減小了47%，說(shuō)明磚渣的存在會(huì)顯著降低RCA的動(dòng)回彈模量.

3.3 壓實(shí)度對(duì)混合料動(dòng)彈性模量的影響

93%和96%壓實(shí)度下，各試件動(dòng)回彈模量MR-應(yīng)力不變量θ的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示.

圖2 各試件的動(dòng)回彈模量-應(yīng)力不變量關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Relationship between dynamic resilience modulus and stress of specimens with different mixture types

比較圖1,2可知：98%壓實(shí)度條件下，在全應(yīng)力不變量范圍內(nèi)的各試件動(dòng)回彈模量分別為131～343MPa(試件NA)、176～353MPa(試件75%NA+25%RCA)、204～367MPa(試件50%NA+50%RCA)、232～381MPa(試件25%NA+75%RCA)、288～444MPa(試件RCA)和146～345MPa(試件RBCA)；在全應(yīng)力不變量范圍內(nèi)(壓實(shí)度分別為96%和98%)以及550～700kPa高應(yīng)力不變量范圍內(nèi)(壓實(shí)度為93%)，各試件的動(dòng)回彈模量隨RCA摻量的增加而不斷增大，且試件RBCA的動(dòng)回彈模量大于試件NA(96%壓實(shí)度，100～400kPa的應(yīng)力不變量除外)；隨壓實(shí)度的增加，各試件的動(dòng)回彈模量均顯著增大.因此，提高壓實(shí)度是改善混合料剛度的一種有效措施.

3.4 含水率對(duì)混合料動(dòng)彈性模量的影響

NA、RCA及RBCA這3種試件在98%壓實(shí)度、OMC，OMC+2%和OMC-2%這3種含水率條件下的動(dòng)回彈模量試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 含水率對(duì)試件動(dòng)回彈模量的影響Fig.3 Effects of water contents on dynamic resilience modulus of specimens with different mixture types

由圖3可知：3種試件的動(dòng)回彈模量均隨含水率的增大而減?。徊煌氏?，各試件K-θ模型擬合曲線(xiàn)變化范圍為NA最小，RCA與RBCA相差不大，但均比NA大，表明含水率的變化對(duì)試件RBCA和RCA的動(dòng)回彈模量影響較大.對(duì)試件NA而言，含水率的增加會(huì)使其顆粒間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，削弱骨料間的相互作用，同時(shí)孔隙水壓力和有效應(yīng)力也增加，從而導(dǎo)致其動(dòng)回彈模量降低[9]；對(duì)試件RCA和RBCA來(lái)說(shuō)，除上述影響外，混合料中的砂漿塊、磚渣等集料吸水軟化、自身強(qiáng)度降低也將導(dǎo)致其動(dòng)回彈模量比試件NA衰減明顯.因此，使用RCA或RBCA混合料作為路面結(jié)構(gòu)層時(shí)，應(yīng)采取有效措施來(lái)保持其含水率相對(duì)穩(wěn)定，不致因混合料含水率顯著增大而使其動(dòng)回彈模量發(fā)生顯著衰減，進(jìn)而影響路面結(jié)構(gòu)的使用壽命.

4 結(jié)論

(1)隨RCA摻量的增加，混合料的CBR值逐漸增大；含有30%磚渣的RBCA混合料承載能力降低明顯.

(2)相同應(yīng)力路徑下，隨RCA摻量的增加，混合料的動(dòng)回彈模量逐漸增加，且RCA和RBCA混合料的動(dòng)回彈模量均比NA混合料大；RBCA混合料的CBR值與動(dòng)回彈模量均比RCA混合料低，說(shuō)明磚渣的摻入降低了RCA混合料的力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)適當(dāng)控制磚渣在工程應(yīng)用中的摻量.

(3)隨壓實(shí)度的增加，各混合料的動(dòng)回彈模量均顯著增大，且RCA混合料增長(zhǎng)最大，RBCA混合料次之，NA混合料最?。缓蕦?duì)NA混合料動(dòng)回彈模量的影響較小，而對(duì)RCA與RBCA混合料影響較大.

(4)實(shí)際工程應(yīng)用中，可提高混合料壓實(shí)度以改善混合料的剛度，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制RBCA及RCA混合料的含水率，宜不大于其最佳含水率，且應(yīng)做好防排水處理，保持混合料含水率相對(duì)穩(wěn)定，使作為路面結(jié)構(gòu)層的建筑固體廢棄物混合料具有良好的路用性能.

參考文獻(xiàn)：

[1] XUAN D X,MOLENAAR A,HOUBEN L J M.Evaluation of cement treatment of reclaimed construction and demolition waste as road bases[J].Journal of Cleaner Production,2015,100:77-83.

[2] POON C S,CHAN D.Feasible use of recycled concrete aggregates and crushed clay brick as unbound road sub-base[J].Construction and Building Materials,2006,20(8):578-585.

[3] BENNERT T,PAPP W,MAHER A,et al.Utilization of construction and demolition debris under traffic-type loading in base and subbase applications[J].Transportation Research Record,2000,1714:33-39.

[4] MOLENAAR A,NIEKERK A.V.Effects of gradation,composition,and degree of compaction on the mechanical characteristics of recycled unbound materials[J].Transportation Research Record,2002,1787:73-82.

[5] O’MAHONY M M,MILLIGAN G W E.Use of recycled materials in subbase layers[J].Transportation Research Record,1991,1310:73-80.

[6] AASHTO T307—99 Standard method of test for resilient modulus of subgrade soils and untreated base subbase materials[S].

[7] 許濤，黃曉明，屈言賓，等.含水量對(duì)級(jí)配碎石基層動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2008,11(4):425-430.

XU Tao,HUANG Xiaoming,QU Yanbin,et al.Effects of moisture on dynamic mechanical property of grading macadam base[J].Journal of Building Materials,2008,11(4):425-430.(in Chinese)

[8] SEED H B,MITRY F G,MONISMITH C L,et al.Predictions of pavement deflection from laboratory repeated load tests[R].Berkeley:University of California,1965.

[9] 袁峻,黃曉明.級(jí)配碎石回彈變形特性[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,27(6):29-33.

YUAN Jun,HUANG Xiaoming.Resilient deformation behavior of unbound stone aggregates[J].Journal of Chang’an University(Natural Science),2007,27(6):29-33.(in Chinese)

[10] 金剛.級(jí)配碎石三軸試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué),2007.

JIN Gang.Laboratory study of triaxial test on graded broken stone[D].Dalian:Dalian University of Technology,2007.(in Chinese)

[11] LEITE F D C,MOTTA R D S,VASCONCELOS K L,et al.Laboratory evaluation of recycled construction and demolition waste for pavements[J].Constructionand Building Materials,2011,25(6):2972-2979.