再生建筑集料公路路基建設適用性分析

閆立來

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的加快，廢棄建筑材料急劇增加，大量的建筑垃圾廢棄一方面導致資源的嚴重浪費，另一方面建筑垃圾處置不當也將帶來嚴重的環(huán)境污染隱患.因此，是否存在合理的建筑垃圾再生處置方案成為當前循環(huán)經(jīng)濟的熱點議題之一[1,2].廢棄建筑材料包括城鎮(zhèn)化改造與建設中產(chǎn)生的廢棄房建材料、廢棄道路建筑材料等，主要包括廢棄磚、廢棄墻柱混凝土以及廢棄鋼筋、防水材料等.目前對于道路材料的再生利用已有了廣泛的探討，如陳峰等對水泥穩(wěn)定碎石基層再生應用進行了研究，分析表明，只要經(jīng)過適當改良，再生水穩(wěn)集料可以滿足道路水泥穩(wěn)定碎石填筑要求[3]；侯勁汝等對道路水泥混凝土再生應用進行了研究，結果表明其具有較好的經(jīng)濟性和發(fā)展?jié)摿4]；王軍龍、顧萬等對城市道路上、下面層瀝青混合料再生應用進行了研究，室內試驗及工程應用表明舊瀝青路面銑刨料再生利用科學可行[5-7].但相對上述研究而言，如何對廢棄建筑材料進行再生的研究相對較少.公路路基作為道路工程的基礎，一方面所需筑路材料使用量較大，另一方面比較其他結構層，材料性能指標要求相對較低，若可將上述廢棄建筑材料再生應用于路基工程，將具有很好的經(jīng)濟及環(huán)保價值.由于廢棄建筑材料組成成分的復雜性，使得對廢棄材料的篩選、加工以及使用方式的研究具有重要意義[8,9].

研究擬先對再生建筑集料進行基本性能指標測試，然后設計不同摻配比例路基填筑混合集料，并采用重型擊實試驗以及CBR試驗進行性能表征，進而得出相關結論，為再生建筑集料在公路路基建設中的應用提供參考.

再生建筑集料一般來源于房建工程、道路工程拆除過程，常與廢棄水泥混凝土塊(含砂漿)、廢棄磚以及鋼筋、防水材料等其他各種建筑廢棄物混合.上述建筑廢棄物中只有廢棄水泥混凝土塊(含砂漿)、廢棄磚可用于公路工程路基建設中，為保證使用效果，需先將建筑廢棄物進行分揀，取出不可用雜物.分揀完成后，對集料進行破碎加工制備再生建筑集料，為保證路基填筑效果，破碎粒徑最大值應小于等于37.5mm.

參照填石路基集料劃分標準，將再生建筑集料按公稱最大粒徑劃分為粗集料(>4.75mm)、細集料(<4.75mm).隨機各選取3組再生建筑粗集料、細集料及常規(guī)石灰?guī)r路基集料，參照《公路路基施工技術規(guī)范(JTG F10-2015)》進行密度、吸水率試驗，試驗結果取3組平均值，測試結果如表1所示.

表1 再生建筑集料與常規(guī)路基填料技術指標

上述測試結果顯示，再生建筑集料與常規(guī)路基填料性能指標差異較大，其細、粗集料表觀密度分別為常規(guī)路基填料的71%、81%，而吸水率則分別為常規(guī)路基填料的7.4、13.5倍.這一方面是由于再生混凝土集料加工破碎后，破碎面存在大量疏松、多孔水泥砂漿物，且再生建筑集料粒徑越小，破碎面附著物比例相對越大，導致密度顯著減小、吸水率急劇增大.另一方面，再生磚自身即為疏松多孔材料，密度更小、吸水率更大，其與再生混凝土集料混合后將進一步減小再生建筑集料密度、增大含水率，以上二者混合導致再生建筑集料尤其是再生建筑細集料性能發(fā)生較大改變.

1 試驗方案設計

1.1 摻配比例設計

由表1分析可知，再生建筑集料較常規(guī)路基填料性能出現(xiàn)較大衰減，其中細集料性能指標衰減更加顯著.根據(jù)摩爾-庫倫理論，路基混合料抗剪強度由粘聚力和摩擦力組成，其中摩擦力主要由粗集料提供，粘聚力主要由細集料提供.由于再生建筑細集料性能衰減過大，過大的吸水率及過小的密度將導致路基填筑質量難以保障，試驗設計時不考慮使用再生建筑細集料，而采用0～4.75mm素填土替代.其中素填土統(tǒng)一采用粉質黏土，密度為2.326g/cm3，含水率為2.1%，級配良好.

為研究再生建筑集料比例、再生建筑集料中再生磚與再生混凝土比例(以下簡稱磚混比)對路基集料性能的影響，采用4種再生建筑集料比例(15%、30%、45%、60%)、3種再生磚與再生混凝土比例(1∶2、1∶1、2∶1)進行摻配設計，具體設計方案如表2所示.

表2 摻配比例設計方案

1.3 性能試驗表征

為分析再生建筑集料比例以及磚混比對路基填料性能的影響，采用相關試驗對上述各摻配方案進行表征，具體試驗方案為：

(1)擊實試驗：為分析各摻配方案對路基填料最佳含水率與最大干密度影響，對不同含水率路基填料進行擊實試驗.擊實試驗選取重型擊實法(Ⅱ型)，分3層擊實，每層錘擊98次.

(2)CBR試驗：作為室內試驗強度表征重要指標，試驗將上述各方案按98%壓實度進行摻配計算，試樣制作完成后將其浸水4d，最終進行強度檢測.

2 試驗結果與分析

2.1 擊實試驗結果與分析

對上述12組不同摻配比例路基混合料進行重型擊實試驗，試驗結果按再生建筑集料比例劃分如圖1至圖4所示.

由圖1到圖4的擊實試驗結果可知：整體而言，在再生建筑集料摻量相同條件下，隨著磚混比減小，混合料最大干密度增大、最佳含水率減小，且當磚混比為2∶1時，混合料密度曲線較其他兩個摻量相差較大.這是由于磚混比越大，再生建筑集料中再生磚摻量越大，而再生磚較再生混凝土具有更小的密度、更高的吸水率，其摻量增大降低了混合料整體密度.因此，在再生建筑集料應用時，應嚴格控制再生磚摻量比例，就本混合料設計方案而言，應控制磚混比<1∶2.

為比較再生建筑集料摻量對混合料擊實試驗結果的影響，將上述各配比混合料最大干密度、最佳含水率匯總如表3所示.

表3 各摻配比例混合料最佳含水率、最大干密度匯總

由表3分析可知：

(1)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量的增大，最佳含水率先持續(xù)減小然后增大.

(2)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量的增大，最大干密度呈現(xiàn)先增大后減小的“凸”形變化規(guī)律，且均在30%、45%時具有較大最大干密度.這是由于，隨著再生建筑集料摻量增大，混合料中粗集料含量逐漸增加，混合料相互填充，級配比例逐漸達到最優(yōu).因此就最大干密度指標而言，表明混合料再生建筑集料摻量存在最佳摻量，最佳摻量為30% ～ 45%.

2.2 CBR試驗結果與分析

對上述12組不同摻配比例路基混合料進行加州承載比試驗，試驗結果如表4所示.

表4 各摻配比例混合料CBR值

由表4分析可知：

(1)相同再生建筑集料比例下，隨著磚混比增大，混合料CBR值逐漸增大.這是由于再生磚力學性能相對再生混凝土較差，減小其摻量有利于增強再生建筑集料承載能力.因此，應對再生建筑集料磚混比進行有效控制.

(2)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量增大，混合料CBR值與最大干密度類似，呈現(xiàn)先增大后減小的“凸”形變化規(guī)律，在30%、45%時具有較大CBR值.表明混合料再生建筑集料摻量存在最佳摻量，最佳摻量為30% ～ 45%.

3 結論

首先對再生建筑集料進行基本性能指標測試，然后為研究再生建筑集料比例、磚混比對路基集料性能的影響，采用4種再生建筑集料比例(15%、30%、45%、60%)、3種磚混比(1∶2、1∶1、2∶1)進行混合料摻配設計，進行重型擊實試驗以及CBR試驗，得出如下結論：

(1)再生建筑集料與常規(guī)路基填料性能指標差異較大，其細、粗集料表觀密度分別為常規(guī)路基填料的71%、81%，而吸水率則分別為常規(guī)路基填料的7.4、13.5倍.由于再生建筑細集料性能衰減過大，過大的吸水率及過小的密度將導致路基填筑質量難以保障，路基填筑時應不予采用.

(2)在再生建筑集料摻量相同條件下，隨著磚混比減小，混合料最大干密度、混合料CBR值均增大、最佳含水率減小.

(3)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量的增大，最大干密度、混合料CBR值均呈現(xiàn)先增大后減小的“凸”形變化規(guī)律，且均在30%、45%時具有較大最大干密度或混合料CBR值.

(4)綜合分析表明，再生建筑集料在公路路基建設中應用時，應控制磚混比<1∶2，保證混合料再生建筑集料摻量在30% ～ 45%.