建筑垃圾碎末和石灰粉對上海黏土抗壓強度的影響

朱墨沙， 璩繼立

(上海理工大學 環(huán)境與建筑學院， 上海 200093)

1 研究背景

在實際的工程實施中，常常會遇到工地的土體并不能滿足實際工程中所要求的土體強度，特別是工程選址在一些沖積平原地形或東南沿海地帶時，土體強度往往較弱。上海地區(qū)地處東南沿海，為長江三角洲的中心，是由長江流域河水在出海口處，經(jīng)長時間的沖刷堆積形成的大范圍平原，其土體以軟黏土為主。嚴學新等[1]和李曉[2]在研究中發(fā)現(xiàn)：上海地區(qū)的土地在埋深大約75 m內(nèi)，多為黏性土體，其物理力學性能均不完全滿足實際施工要求。所以，本研究致力于找出一種合適的方法，用于改良此類土體的物理力學性能，使其滿足實際施工要求。

建筑垃圾[10]是建筑實踐和城市化的必然產(chǎn)物，少數(shù)建筑工地會以將建筑垃圾進行回填的方法處理建筑垃圾，但仍有大部分的建筑垃圾面臨無法處理的境地，這對環(huán)境的影響十分巨大。當前，一些學者如Lachimpadi 等[11]正致力于研究如何能夠從施工手段上減少建筑垃圾的產(chǎn)生，還有其他一些學者也在呼吁能夠從立法的角度來限制建筑垃圾的肆意產(chǎn)生[12]。所以處理建筑垃圾是目前建筑行業(yè)的一個難點，也是對其再利用進行研究的熱點。本文選取建筑垃圾作為加筋材料，一方面提出了對建筑垃圾再利用的一個新方向，另一方面也為加筋土的研究開拓了新方向。在研究方面，Wojciech等[13]發(fā)現(xiàn)，軟質(zhì)土如沙質(zhì)黏土在使用了水泥進行穩(wěn)定處理后，其地面改善效果對工程建設產(chǎn)生了實質(zhì)影響；Hasan等[14]在研究中表明，在膨潤土中添加一定比例的建筑垃圾碎末，雖然無法明顯地提高土體的抗壓強度，但能起到很好的穩(wěn)定效果，即提高了土體的延性。目前，雖然沒有直接結論證明，在上海黏土中添加建筑垃圾碎末后能夠改善土體物理力學性能，但綜合以上相關結論，在上海黏土中選擇建筑垃圾碎末作為加筋材料，還是具有研究價值的。針對上海黏土的抗壓性能差的特點，本文還選擇了石灰粉作為另一種加筋材料。石灰粉是以碳酸鈣為主要成分的白色粉末狀物質(zhì)，是建筑行業(yè)中一種常見的材料，應用范圍非常廣泛。孫中明等[15]、Chen等[16]、Jha等[17]等在研究中發(fā)現(xiàn)，在土體中添加適量的石灰粉，能夠有效地提高土體的抗壓強度，但同時也提高了土體的脆性[18]。所以，石灰粉作為單加筋材料加入上海黏土中，顯然不合適，土體脆性提高，意味著土體更加容易發(fā)生脆性破壞。所以，為了在不降低土體某一方面性能的同時，提高上海黏土的物理力學性能，本研究選取建筑垃圾碎末和石灰粉作為加筋材料，通過不同的加筋配比，對素土、建筑垃圾碎末加筋土、石灰粉加筋土、建筑垃圾和石灰粉加筋土進行無側限抗壓試驗，通過試驗結果的對比分析，得到較為合理的加筋配比，用于提高上海黏土的力學性能[19]。

2 試驗與材料選取

2.1 材料選取

本次試驗所選用的土樣采集于上海市崇明島地區(qū)長江農(nóng)場的較深處土體，試驗土體取回后，進行了烘干過篩處理，其物理力學性能如表1；本次試驗所添加的建筑垃圾碎末取自于上海市楊浦區(qū)某建筑工地的建筑廢料，取回后進行粉碎烘干，并選取通過4.75 mm篩保留在2.36 mm篩上的顆粒，其具體物理性質(zhì)和組成見表2；本試驗所添加的石灰粉選購于某品牌碳酸鈣，并在使用前過2 mm篩，其具體物理性質(zhì)見表3。

表1 試驗黏土的物理力學性能

表2 建筑垃圾碎末的物理性質(zhì)

表3 石灰粉的物理性質(zhì) %， mm

2.2 試驗儀器與樣品制備

本次無側限抗壓試驗儀器均采用南京水利電力儀器工程有限責任公司生產(chǎn)的PY-3型應變控制式無側限壓縮儀，控制加載速率為2.5 mm/min,位移測量范圍為0～30 mm。 試驗樣品制作時，均使用同一三瓣膜，并分3次加土，錘擊27次制成。得到的試驗樣品高80 mm，直徑39 mm。樣品制成后，均包入保鮮袋密封養(yǎng)護，養(yǎng)護時間分別為7、14、21、28 d[20]。樣品的所有制作過程和養(yǎng)護方法均按照《公路土工試驗規(guī)程》JTGE40-2007[21]嚴格執(zhí)行。由于本次試驗所采用的建筑垃圾粒徑為2.36～4.75 mm的顆粒，如果在土中添加過多的此種加筋材料，會破壞土體原有的內(nèi)部結構且完全改變其受力機理，導致試驗得出的結論有悖于改良土體性能的初衷，故建筑垃圾碎末的加筋率控制在20%以下，分別為10%、15%、20%。其次，石灰粉的添加會降低土體的塑性指數(shù)，為了在不降低土體其他性能的前提下改良土體，石灰粉的添加量選定為3%、4%、5%。本次試驗樣品共分為4大組：素土、建筑垃圾碎末加筋土、石灰粉加筋土、建筑垃圾碎末和石灰粉加筋土。其中建筑垃圾碎末加筋土分別按10%、15%、20%的質(zhì)量加筋率制得；石灰粉加筋土，分別按3%、4%、5%的質(zhì)量加筋率制得；建筑垃圾碎末和石灰粉加筋土，分別按10%、15%、20%和3%、4%、5%的質(zhì)量加筋率兩兩混合制得。單加筋分組中的6個試樣和雙加筋分組中的9個試樣的研究結果，已經(jīng)可以反映出土體在該加筋范圍內(nèi)的力學性能改變情況，但為降低試驗中的偶發(fā)情況，試驗中每組試樣均做3份，4組試驗一共192個樣本。將以上4組樣品通過如上的過程進行試驗，試驗均在樣品破壞后終止，并記錄每組測得的無側限抗壓強度(UCS)[22]。圖1為終止試驗后的樣本代表性破壞狀態(tài)。

圖1 樣本代表性破壞狀態(tài)

3 試驗結果分析和討論

經(jīng)過對以上4組樣品的試驗，得到相應的試驗結果，將試驗結果進行整合，得到試樣的無側限抗壓強度，如表4。

3.1 建筑垃圾碎末對土強度的影響

經(jīng)過7 d養(yǎng)護后，對添加不同建筑垃圾碎末加筋率的試樣進行試驗，試驗所測得的應力應變曲線如圖2，由圖2可見：素土和建筑垃圾碎末加筋土的軸向應力均隨著軸向應變的升高先增大后減小。素土與建筑垃圾碎末加筋土的軸向應力峰值相差不多，其中素土的軸向應力峰值相對最低，在添加建筑垃圾碎末后，土的軸向應力峰值有所提高，加筋率為15%的建筑垃圾碎末加筋土的軸向應力峰值最高，當建筑垃圾碎末的加筋率提高到20%的時候，土的軸向應力峰值雖然略高于素土，但要比加筋率為15%的小。說明添加建筑垃圾碎末使土的軸向應力僅略有增大，且在配筋率為15%的時候較為適宜。另外，在加載前半段，建筑垃圾加筋土的軸向應力均小于素土，但在試驗后半段，在素土達到極限軸向應力后，建筑垃圾加筋土軸向應力仍然緩慢上升，最后的峰值要大于素土，且建筑垃圾碎末的加筋率越高，土樣到達極限軸向應力時的軸向應變也越大。在回落階段，素土的軸向應力回落速度最大，20%加筋率的建筑垃圾加筋土的軸向應力回落速度最慢。這說明在添加建筑垃圾碎末后，提高了土的延性，降低了其脆性。在破壞狀態(tài)方面，建筑垃圾碎末的加筋率越高，構件在破壞時的結構越完整，也說明了在添加建筑垃圾碎末后，土的延性提高。

表4 試樣無側限抗壓強度表 %， MPa

圖2 7 d齡期時不同建筑垃圾碎末配比土應力應變曲線

圖3為養(yǎng)護齡期對建筑垃圾碎末加筋土無側限抗壓強度的影響曲線圖，由圖3可見：所有樣土的無側限抗壓強度均隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大。與素土相比，齡期為7、14、21、28 d的10%建筑垃圾碎末加筋土的無側限抗壓強度分別是素土的1.029、1.033、1.021、1.015倍，平均為1.025倍；15%建筑垃圾碎末加筋土分別是素土的1.040、1.038、1.026、1.025倍，平均為1.032倍;20%建筑垃圾碎末加筋土分別是素土的1.012、1.005、1.021、1.010倍，平均為1.012倍?？梢姰斀ㄖ槟┘咏盥蕿?5%時，對土的抗壓強度提升最多，但也不十分明顯。

圖3 養(yǎng)護齡期對垃圾土無側限抗壓強度的影響

綜上所述：在土中添加建筑垃圾碎末對土的無側限抗壓強度只有略微提升；但在土中添加建筑垃圾碎末后，土體的延性明顯上升，脆性降低。從添加的材料來看，建筑垃圾碎末主要包含有水泥碎末、磚粒和陶粒，這些顆粒的表面均有孔隙和空腔，在添加到素土中后，土顆粒會占據(jù)這些孔隙和空腔，形成了較為穩(wěn)定的組織，產(chǎn)生了一定的黏結力和摩擦力，限制了土體的形變，從而提高了土體的延性，一定程度上減緩了脆性破壞的發(fā)生[23]。

3.2 石灰粉對土強度的影響

經(jīng)過7 d養(yǎng)護后，對添加不同石灰粉加筋率的試樣進行試驗，試驗所測得的應力應變曲線如圖4所示。

圖4 7 d齡期時不同石灰粉配比土應力應變曲線

由圖4可見：素土和石灰粉加筋土的軸向應力均隨著軸向應變的升高先增大后減小。添加了石灰粉后的土樣軸向應力峰值均大于素土，其中添加了3%石灰粉的加筋土軸向應力峰值較素土增加量不大，添加了4%和5%石灰粉的加筋土較素土的軸向應力峰值增加十分顯著，其中添加了5%石灰粉的加筋土軸向應力增加最為顯著。另外，石灰粉加筋土的軸向應力隨著應變的增加而增加尤為明顯，相較素土可更快地達到軸向應力峰值，且加筋土的石灰粉含量越高，到達極限應力的時間也越快，曲線在下降階段也越快。這說明添加了石灰粉后，確實能提高土體的極限軸向應力，但同時也使土體延性降低，脆性破壞明顯，并隨著石灰粉含量增加愈加明顯。在破壞狀態(tài)方面，石灰粉的加筋率越高，構件在終止試驗時的破壞越嚴重，這也說明了石灰粉的添加使土的脆性提高。

圖5為養(yǎng)護齡期對石灰粉加筋土無側限抗壓強度的影響曲線圖。

圖5 養(yǎng)護齡期對石灰土無側限抗壓強度的影響

由圖5可見：所有土樣的無側限抗壓強度都隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大。石灰粉加筋土的無側限抗壓強度均大于素土，與素土相比，齡期為7、14、21、28 d 的3%石灰粉加筋土的無側限抗壓強度分別是素土的1.070、1.082、1.126、1.174倍，平均為1.113倍；4%石灰粉加筋土分別是素土的1.129、1.143、1.178、1.221倍，平均為1.168倍;5%石灰粉加筋土分別是素土的1.228、1.203、1.236、1.277倍，平均為1.236倍?？梢娫谕林刑砑邮曳酆?，對土的無側限抗壓強度均有明顯提升，其中石灰粉加筋率為5%時，對土的抗壓強度提升最多。

綜上所述：在土體中添加石灰粉，能夠有效提升土體的無側限抗壓強度，當石灰粉加筋率為5%時，提升效果最為顯著。同時，添加了石灰粉的土體延性下降，脆性上升，石灰粉加筋率為5%時，脆性提升最為明顯。從微觀層面分析，石灰粉的顆粒較土顆粒更加均勻，且粒徑較小，其添加到土體中后，可填補土顆粒之間的空隙，使土樣內(nèi)顆粒排列更加緊密，土體密實性增強，從而提高了土體的抗壓強度，但添加石灰粉后，土體的塑性指數(shù)降低，土體延性減弱，使得土體更容易發(fā)生脆性破壞[24]。

3.3 建筑垃圾碎末和石灰粉對土強度的綜合影響

圖6為7 d養(yǎng)護齡期時不同建筑垃圾碎末和石灰粉加筋率土樣的應力應變曲線，綜合圖6可知：在7 d養(yǎng)護齡期時，建筑垃圾碎末和石灰粉加筋土的軸向應力均大于素土。當建筑垃圾碎末加筋率為10%時，添加5%石灰粉，土的軸向應力極限值最大；當建筑垃圾碎末加筋率為15%時，添加5%石灰粉，土的軸向應力極限值最大；當建筑垃圾碎末加筋率為20%時，添加4%石灰粉，土的軸向應力極限值最大，且上述三者相比，加筋率為20%建筑垃圾碎末和4%石灰粉的加筋土極限軸向應力為最大。另外，相對素土，當建筑垃圾碎末的加筋率為10%，無論石灰粉的加筋率為3%、4%、5%，其達到軸向應力的峰值均比素土要快，下降趨勢也更加急劇，且在石灰粉加筋率為5%時表現(xiàn)最為明顯；當建筑垃圾碎末加筋率為15%時，無論石灰粉的加筋率為3%、4%、5%，其達到軸向應力峰值的速度略優(yōu)于素土，但效果并不明顯；當建筑垃圾碎末的加筋率為20%時，土樣達到軸向應力極限值的時間隨著石灰粉的加筋率增大而變短，但總體來說達到軸向應力極限值的時間都明顯長于素土，當石灰粉加筋率為3%時效果最為明顯。

圖6 7 d養(yǎng)護齡期時不同建筑垃圾碎末和石灰粉加筋率土樣的應力應變曲線

圖7為養(yǎng)護齡期對不同建筑垃圾碎末和石灰粉加筋率土樣的影響圖，由圖7可知：土樣的無側限抗壓強度均隨著養(yǎng)護齡期的增加而變大，且建筑垃圾碎末和石灰粉加筋土的無側限抗壓強度均高于素土。具體來說：(1)10%建筑垃圾碎末3%石灰粉加筋土在齡期為7、14、21、28 d 的無側限抗壓強度分別是素土的1.082、1.093、1.120、1.159倍，平均為1.114倍；10%建筑垃圾碎末4%石灰粉加筋土分別是素土的1.146、1.181、1.178、1.190倍，平均為1.174倍；10%建筑垃圾碎末5%石灰粉加筋土分別是素土的1.246、1.220、1.215、1.226倍，平均為1.227倍；(2)15%建筑垃圾碎末3%石灰粉加筋土分別是素土的1.158、1.165、1.183、1.205倍，平均為1.178倍；15%建筑垃圾碎末4%石灰粉加筋土分別是素土的1.240、1.225、1.210、1.246倍，平均為1.230倍；15%建筑垃圾碎末5%石灰粉加筋土分別是素土的1.270、1.264、1.251、1.292倍，平均為1.270倍；(3)20%建筑垃圾碎末3%石灰粉加筋土分別是素土的1.200、1.214、1.241、1.287倍，平均為1.236倍；20%建筑垃圾碎末4%石灰粉加筋土分別是素土的1.327、1.308、1.309、1.349倍，平均為1.323倍；20%建筑垃圾碎末5%石灰粉加筋土分別是素土的1.246、1.264、1.277、1.323倍，平均為1.278倍。在破壞模式方面，對于齡期相同的試件來說，雙加的土體均優(yōu)于單加石灰粉的土體，但略遜于單加建筑垃圾碎末的土體，這說明在土體中同時加入石灰粉和建筑垃圾碎末，這兩者可以在土體中同時產(chǎn)生各自單加時的作用，可以起到互補的功效。對于同加筋率不同齡期的試件來說，齡期越長，試件在破壞時的狀態(tài)越好。雖然養(yǎng)護的時間可以一定程度上提高土體的物理力學性能，但加筋材料的添加后，如建筑垃圾碎末，在養(yǎng)護期間必定會產(chǎn)生一定的水泥固化效果，使得土體的延性提升更多，力學性能也上升更加明顯。相比之下，當加筋率為建筑垃圾碎末20%石灰4%時，土樣的無側限抗壓強度提升幅度最大，且此時土體的延性相較于素土也有明顯提高。因此，最優(yōu)的加筋方案是20%建筑垃圾碎末和4%石灰粉。

綜上所述：在土體中同時添加建筑垃圾碎末和石灰粉，均在一定程度上提高了土體的無側限抗壓能力，并且在建筑垃圾碎末的加筋率提高到20%時，土體的韌性有明顯提高，減緩了脆性破壞。從綜合角度看，在土體中添加建筑垃圾碎末和石灰粉后，兩者都在其中發(fā)揮了相應的作用，首先在加入石灰粉后，提高了土體的無側限抗壓強度，而同時加入的建筑垃圾碎末能有效地彌補加入石灰粉后土體的韌性降低，使得土體能夠在提高抗壓強度的同時，脆性降低，殘余強度增加。

圖7 養(yǎng)護齡期對不同建筑垃圾碎末和石灰粉加筋率土樣的無側限抗壓強度影響

4 結 論

(1)建筑垃圾碎末作為加筋材料加入上海黏土，對土體的無側限抗壓強度提升并不明顯，但能夠明顯提高土體的延性。

(2)石灰粉作為加筋材料加入上海黏土，能夠有效提高土體的抗壓強度，并隨著養(yǎng)護齡期的延長而增加，但同時提高了土體的脆性。

(3)建筑垃圾碎末和石灰粉共同作為加筋材料加入上海黏土后，兩種材料能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，顯著的提高了土體的抗壓強度，并隨著養(yǎng)護齡期的延長而增加，同時也有效降低了土體的脆性。與建筑垃圾碎末土相比提高了抗壓強度，與石灰土相比提高了延性。

(4)當土體的加筋率為20%建筑垃圾碎末、4%石灰粉時，土體的抗壓強度最大，并在養(yǎng)護齡期為28 d時達到最高值。另外延性也有明顯提高，故為最適宜的加筋率。

以上結論可以看出，用建筑垃圾碎末和石灰粉作為加筋材料，能夠有效改良上海黏土的物理力學性能，并且為建筑垃圾再利用和加筋土的研究提供了新的方向。但是在實際工程中，其具體的可行性還涉及到施工工藝、施工地點、工程造價等，本文僅提供一種有效的改良方法，希望可以在實際工程中起到參考作用。