建筑垃圾再生骨料在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用研究

孫 飛 馮哲源 高 強 徐若婷 郝晉序 黃鈺程*

Research 研究探討

建筑垃圾再生骨料在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用研究

孫 飛1馮哲源2高 強1徐若婷3郝晉序4黃鈺程2*

（1.江蘇建院營造股份有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215131； 3.澳大利亞國立大學(xué)，堪培拉 澳大利亞；4.蘇州市市政設(shè)施管理處，江蘇 蘇州 215000）

我國正處于城市化發(fā)展的關(guān)鍵時期，大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)每年產(chǎn)生超過30億噸建筑垃圾。建筑垃圾資源再利用成了土木工程發(fā)展的必然趨勢。本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對建筑垃圾生骨料的基本物理力學(xué)性質(zhì)、無側(cè)限抗壓強度、回彈模量和劈裂強度及在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用案例做了詳細(xì)的介紹。再生骨料的強度較高，吸水率約為6%。當(dāng)作為水泥穩(wěn)定碎石基層使用時，其抗壓強度大于4 MPa，模量高于1000 MPa。根據(jù)具體的工程案例，發(fā)現(xiàn)建筑垃圾再生骨料作為道路基層集料，可以滿足規(guī)范的強度要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

建筑垃圾；再生骨料；無側(cè)限抗壓強度；回彈模量；劈裂強度

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大量老齡建筑、水泥混凝土路面拆除改造，產(chǎn)生了巨量的建筑垃圾。根據(jù)中國環(huán)聯(lián)估計[1]，2017年共計產(chǎn)生建筑垃圾15.93億噸，2020年預(yù)計突破30億噸。由于施工地點和建筑物結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生的建筑垃圾的組成和占比也有所不同。表1列出了不同結(jié)構(gòu)類型的建筑施工垃圾組成。

表1 不同結(jié)構(gòu)類型建筑施工垃圾組成

我國大部分地區(qū)建筑垃圾未經(jīng)處理便直接運往郊外或鄉(xiāng)村廢棄物場露天堆放或填埋。如此簡單粗獷的處理建筑垃圾，將會侵占土地、污染水體、大氣及土壤，從而破壞生態(tài)環(huán)境，危機人類生命健康。

另一方面，隨著我國城市化的快速發(fā)展，混凝土的需求也大大增加。2019年我國商品混凝土總產(chǎn)量為27.38億立方米。然而1700–2000 kg的砂石骨料僅能滿足生產(chǎn)1 m3的混凝土需要。巨大砂石骨料的需求量，使得大量林地被毀壞和環(huán)境被破壞、生態(tài)平衡受到危害。我國對山石的過段量開采，已經(jīng)造成生態(tài)景觀破壞嚴(yán)重、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)以及礦山塌方等方面的破壞。

將廢棄建筑垃圾循環(huán)再利用，一方面能解決天然骨料資源日趨匱乏的局面。另一方面，又能解決建筑垃圾的隨意堆放、侵占公共用地和環(huán)境污染等問題。緩解了由建筑垃圾引起的社會矛盾、為企業(yè)減輕經(jīng)濟(jì)壓力以及直接有效的保護(hù)生態(tài)環(huán)境，對中國城市化進(jìn)程和土木工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有非常深遠(yuǎn)的意義。因此各國都在積極探索研究如何將建筑垃圾再生利用、循環(huán)利用。我國對建筑垃圾再利用通常采用以下四種方法：①用于制作再生骨料；②用于道路墊層或路基填料；③用于景觀工程；④用于地基加固工程。其中將建筑垃圾再利用制作再生骨料，不僅可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，還能夠節(jié)省大量的天然骨料，減少了開山采石所帶來的環(huán)境破壞，生態(tài)效益顯著。

1 建筑垃圾再生骨料的物理力學(xué)性質(zhì)

再生骨料的顆粒級配是建筑垃圾再生骨料的基本物理屬性之一。通過對前人[2-9]研究成果的整理分析，得到圖1。從圖1中不難發(fā)現(xiàn)，骨料的級配曲線大致相同。試驗結(jié)果基本滿足GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料規(guī)范》的要求。直徑在0-5 mm的骨料占比較少，骨料粒徑為5-14 mm占比超過80%。

圖1 再生骨料篩分分析結(jié)果

通過國內(nèi)外學(xué)者對再生骨料物理力學(xué)性質(zhì)的研究，得到表2。研究發(fā)現(xiàn)：再生骨料的表觀密度和堆積密度均低于天然骨料。這是因為再生骨料表面粘附大量的水泥砂漿、石子、水泥砂漿石顆粒，降低其密度。

針片狀顆粒含量既可表征骨料顆粒形狀的優(yōu)劣，也可對再生骨料抗壓能力進(jìn)行評價。通常情況下，針片狀顆粒含量的增加會提高再生骨料的表面積和空隙率。然而，骨料的抗壓強度隨著針片狀顆粒含量的增加而降低。

再生骨料吸水率比天然骨料要高出很多的原因是再生骨料中細(xì)小顆粒的含量巨大。由此，再生骨料的比表面積大于天然骨料，故再生骨料需水量大。所以再生骨料的顯著特征之一就是吸水率高。如果采用再生骨料作為基層材料，由于再生骨料吸水率高增加了施工用水量，基層的水穩(wěn)定性和耐久性下降。所以，僅從再生骨料吸水率的性質(zhì)上分析，再生骨料作為道路基層材料是不合理的。

國內(nèi)外大量試驗結(jié)果表明：天然骨料的壓碎值低于再生粗骨料。一方面是因為再生骨料壓碎值與原材料的強度和工藝有很大關(guān)系。廢棄骨料強度越高、表面附著物越少，產(chǎn)出的再生骨料顆粒越圓滑，其壓碎值也越低。另一方面，是再生骨料表面水泥砂漿強度較低，受到外力時容易開裂脫落，使得其壓碎值高于天然骨料。

表2 再生骨料基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果

2 水泥穩(wěn)定碎石及再生骨料基層性能

2.1. 無側(cè)限抗壓強度試驗

將再生骨料作為路基基層材料，抗壓強度是重要指標(biāo)。通過對陳朝金、賴錦華和蔣帥等人研究的歸納總結(jié)[6,7,19-21]，得到圖2。在水泥摻量4%和5%，齡期為28d，再生骨料摻量相同的情況下，隨著水泥劑量的增加混合料的強度也增大。這主要是以下三個原因。① 水泥是作為膠結(jié)材料，可以使骨料膠結(jié)成塊，因此隨著水泥摻量的增加膠結(jié)作用就越強烈。② 再生骨料表面的孔隙和微裂縫能被水泥有效修復(fù)，使得其強度增大。③骨料間的潤滑效果隨著水泥漿的增多而更明顯，使得骨料成型時具有高密實度。

圖2中體現(xiàn)了兩組不同齡期下，無側(cè)限抗壓強度隨再生骨料摻量的變化關(guān)系。在相同水泥劑量下，無側(cè)限抗壓強度與再生骨料的摻量有關(guān)，由圖2可知，無側(cè)限抗壓強度的最小值在再生骨料摻量為30%–50%之間。強度存在最小值的主要原因如下：① 再生骨料中存在活性物質(zhì)，會與水泥會發(fā)生反應(yīng)。再生骨料的摻量越高，參與反應(yīng)的活性物質(zhì)也越多，使得混合料的強度增加。② 當(dāng)混合料達(dá)到基本強度，隨著再生骨料摻量的增加，混合料的強度就會越低。

圖2 不同條件下無側(cè)限抗壓強度隨再生骨料摻量的變化關(guān)系

2.2. 無側(cè)限抗壓回彈模量

陳朝金，Liqun Hu和呂會等學(xué)者[19,20,22-24]，研究不同條件下無側(cè)限抗壓回彈模量與齡期的變化關(guān)系，如圖3所式。對圖3中曲線進(jìn)行分析可以得出：相同水泥摻量，再生骨料的抗壓回彈模量隨著齡期增加增大；各齡期抗壓回彈模量隨著水泥劑量的增加而增加。并且抗壓回彈模量與齡期之間的關(guān)系趨近于線性關(guān)系。

圖3 不同條件下無側(cè)限抗壓回彈模量與齡期的變化系

這是因為在生產(chǎn)和運輸再生骨料的過程中會產(chǎn)生裂縫，因此在一般情況下，再生骨料的抗外力變形不如天然骨料，通過試驗也驗證了再生骨料基層混合料抗壓回彈模量低于水泥穩(wěn)定碎石基層混合料。此外，再生骨料表面附著的高孔隙度的硬化水泥砂漿會滲透到再生骨料中，與再生骨料形成整體，提高了混合料的剛度。

2.3. 劈裂試驗

國內(nèi)外學(xué)者對為劈裂強度與再生骨料摻量的變化規(guī)律也進(jìn)行大量研究[6,7,20,21,23]，如圖4所示。由圖4可知，基層混合料劈裂強度隨著再生骨料摻量的增加而增大。這是由于添加了再生骨料使得基層混合料表面粗糙，增加了混合料中不參加水化反應(yīng)的顆粒。并且硬化水泥砂漿彈性模量與天然骨料彈性模量的差異較大，導(dǎo)致硬化水泥砂漿與天然骨料的變形不一致，兩者之間產(chǎn)生額外的張力。

圖4 劈裂強度與再生骨料摻量的變化規(guī)律圖

3 試驗段

通過彭亮等人對現(xiàn)場試驗總結(jié)[10,12,25,26]，得到表3。由表3中工程案例的結(jié)果表明：在40~60%的再生骨料摻量和6%水泥劑量下，水泥穩(wěn)定再生骨料基層混合料的壓實度及強度均符合規(guī)范要求，滿足設(shè)計需要。并且，通過后期長時間對現(xiàn)場觀測和試驗的跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)：水泥穩(wěn)定再生骨料基層材料的性能與材料級配和施工工藝密切相關(guān)，試驗路段基層性質(zhì)完全滿足設(shè)計規(guī)范要求。高速公路和一級公路均可使用再生骨料配制的水泥穩(wěn)定再生骨料基層。彭亮等人在國道G207線雷州市龍門水庫至海安港碼頭段鋪筑水泥穩(wěn)定再生骨料基層的試驗路段。根據(jù)研究分析能夠得出：試驗路段再生骨料鉆芯強度比室內(nèi)抗壓強度高的結(jié)論。京福高速公路德州段工程項目，通過一系列室內(nèi)試驗結(jié)果可知，通車使用一年后的再生骨料路面強度仍高于設(shè)計值，模量變化很小。由此可見，剛性基層路面的路用性能良好。其中揚州城市快速通道利用再生骨料進(jìn)行循環(huán)利用產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和資源環(huán)境效益，使得工程節(jié)約成本近2000萬元。

表3 試驗段結(jié)果

4 經(jīng)濟(jì)效益評估

對于再生骨料經(jīng)濟(jì)效益的分析，國內(nèi)外學(xué)者做了較多研究。其中Xijun Shi[27]提出了利用運營成本模型分析每年普通再生混凝土骨料和硅酸鹽水泥混凝土路面案列。根據(jù)公式(1)將每年的費用轉(zhuǎn)化為當(dāng)前價值，即第一年的價值。

P：當(dāng)前價值；F：未來價值；i：年度折扣率；n：年數(shù)

許遠(yuǎn)明[30]在稅收方面對如何選擇天然骨料或再生骨料做出研判。當(dāng)天然骨料于再生骨料質(zhì)量性能相當(dāng)，對天然再生骨料征收的稅款滿足式2，采購方會選擇進(jìn)購再生骨料。

再生骨料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層，不僅節(jié)約了清理和運輸成本，還大大降低了原材料成本，如表4所示。表4列舉了國內(nèi)外四位學(xué)者，對比不同地區(qū)的天然骨料和再生骨料的價格。

表4 骨料價格對比

6 結(jié)論

① 我國建筑垃圾產(chǎn)量巨大，約30 噸/年，其中廢磚瓦和廢混凝土的占比接近建筑垃圾總量的50%。

② 再生骨料與天然骨料相比，具有比表面積大、密度小和吸水性高等特點。其壓碎值相較于天然骨料高9%。

③ 再生骨料含量相同時，隨著水泥劑量的增大水泥穩(wěn)定再生膠骨料的強度而增大；當(dāng)水泥劑量相同時，強度在再生骨料含量為30–50%時達(dá)到最大值。

④ 用再生骨料取代天然骨料配基層材料具較高的經(jīng)濟(jì)效益高以及良好的環(huán)境效益。其強度可以滿足高速公路和一級公路的建設(shè)需求。

[1] 周豪奇, 張云寧, 趙杰. 基于灰色預(yù)測模型GM(1,1)的建筑垃圾產(chǎn)量研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版), 2016(38):612-615.

[2] 陸沈磊, 楊德志, 黃海. SEF:實現(xiàn)地震災(zāi)區(qū)建筑垃圾資源化處理[J]. 建設(shè)科技, 2008, 000(015):62-63.

[3] 王欣弋,CS Chin,陸沈磊,夏駿.再生骨料性質(zhì)檢測與再生透水磚配合比設(shè)計[J].江蘇建材,2018(05):25-28.

[4] 姜魯. 再生骨料物理性質(zhì)對再生保溫混凝土力學(xué)性能的影響研究[D].

[5] 馬劍,江飛飛,吳春楊,刁子坤,陳偉.非連續(xù)級配再生自密實混凝土梁受彎性能分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,31(02):241-246.

[6] 蔣帥, 徐安花, 房建宏,等. 水泥穩(wěn)定再生骨料的力學(xué)性能研究[J]. 青海交通科技, 2020, 032(001):76-80,99.

[7] Behiry E M . Utilization of cement treated recycled concrete aggregates as base or subbase layer in Egypt[J]. Ain Shams Engineering Journal, 2013, 4(4):661-673.

[8] Leite F D C , Motta R D S , Vasconcelos K L , et al. Laboratory evaluation of recycled construction and demolition waste for pavements[J]. Construction and Building Materials, 2011, 25(6):2972-2979.

[9] Mohammadinia A , Oskooei P R , Arulrajah A . Discrete element modeling of cemented recycled concrete aggregates under unconfined and k 0 loading conditions[J]. Transportation Geotechnics, 2020.

[10] 彭亮. 再生骨料在水泥穩(wěn)定碎石基層中的路用性能研究[D]. 2018.

[11] 吳仕成. 填充薄壁鋼管柱用再生骨料及混凝土性能研究[D]. 華僑大學(xué).

[12] 張建暉. 再生骨料在水泥穩(wěn)定基層中研究與應(yīng)用[D]. 中南大學(xué), 2009.

[13] 劉秦. 再生廢磚粗骨料混凝土配合比及物理性能試驗研究[D]. 鄭州大學(xué), 2010.

[14] Cundall P A , Strack O D L . A discrete numerical model for granular assemblies[J]. Géotechnique, 2008, 30(3):331-336.

[15] Walton O R , Braun R L . Viscosity, granular-temperature, and stress calculations for shearing assemblies of inelastic, frictional disks[J]. Journal of Rheology, 1998, 30(5):949-980.

[16] Campbell C S , Brennen C E . Computer simulation of granular shear flows[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1983, 151.

[17] Potyondy D O . Simulating stress corrosion with a bonded-particle model for rock[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining ences, 2007, 44(5):677-691.

[18] KAWAI,T. A new element in discrete analysis of plane strain problem[J]. Seisan-Kenkyu, 1977, 29.

[19] 陳朝金. 水泥穩(wěn)定再生廢磚塊集料性能研究[D]. 長安大學(xué), 2012.

[20] 賴錦華. 水泥穩(wěn)定再生骨料路面基層力學(xué)性能及疲勞特性研究[D].

[21] A K Y , A G L , B L Y , et al. Performance assessments of open-graded cement stabilized macadam containing recycled aggregate[J]. Construction and Building Materials, 233.

[22] Laboratory evaluation of cement treated aggregate containing crushed clay brick[J]. Journal of Traffic & Transportation Engineering, 2014, 1( 5):371-382.

[23] 呂會, 莊園. 水泥穩(wěn)定混凝土再生骨料在干線公路基層中的應(yīng)用[J]. 中外公路, 2017, 037(006):288-292.

[24] 張立明. 水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土骨料基層性能研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2006.

[25] 孔晨光. 京福高速公路德州段再生集料剛性基層研究[D]. 山東大學(xué), 2010.

[26] 楊宇軒. 舊復(fù)合式路面回收料在水泥穩(wěn)定碎石基層中的再生技術(shù)研究[D].

[27] Shi X , Mukhopadhyay A , Zollinger D , et al. Economic input-output life cycle assessment of concrete pavement containing recycled concrete aggregate[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 225(JUL.10):414-425.

[28] Ohemeng E A , Ekolu S O . Comparative analysis on costs and benefits of producing natural and recycled concrete aggregates: A South African case study[J]. Case Studies in Construction Materials, 2020.

[29] 左潔. 建筑廢棄物在水穩(wěn)碎石基層再利用技術(shù)研究[D].

[30] 許遠(yuǎn)明, 田金枝, 朱品國. 混凝土再生骨料應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 混凝土, 2019, 000(006):84-88,92.

孫飛（1982- ），男，江蘇蘇州人，碩士研究生畢業(yè)，高級工程師，研究方向：巖土工程。

黃鈺程（1987- ），男，江蘇海門人，博士，講師，研究方向：公路工程。

國家自然科學(xué)基金項目(52078317)；蘇州市建設(shè)系統(tǒng)科研項目(2020-15)；蘇州市科技計劃-重點研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項目(SGC201721)；江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項目(2019ZD149，2020ZD05)。

G322

A

1007-6344（2021）01-0343-03