顆粒粒度與級(jí)配對(duì)飽和建筑垃圾剪切強(qiáng)度的影響

毛贊慶　佟濤　劉強(qiáng)　王善濤　王一鳴　尹勝?gòu)?qiáng)

摘要：近年來(lái)隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量建筑垃圾也隨之產(chǎn)生，使用建筑垃圾回填既可解決其污染環(huán)境問(wèn)題又能解決城市建設(shè)工程需要大量填筑材料的問(wèn)題，但建筑垃圾回填需滿足一定的強(qiáng)度指標(biāo)。對(duì)單一粒度及連續(xù)粒度紅磚碎料在軸向應(yīng)力25，50，100，200 kPa條件下開(kāi)展大型直剪試驗(yàn)，研究了不同軸向應(yīng)力條件下顆粒粒度與級(jí)配變化對(duì)飽和紅磚碎料的剪切強(qiáng)度影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)我涣６扰c連續(xù)粒度紅磚碎塊的抗剪強(qiáng)度所受影響規(guī)律不同，單一粒度紅磚碎塊在低軸壓（25 kPa）條件下抗剪強(qiáng)度隨著中值粒徑增大而增加，而在高軸壓（200 kPa）條件下不同中值粒徑的單一粒度紅磚碎塊抗剪強(qiáng)度相同;連續(xù)粒度紅磚碎塊在任何軸壓條件下的抗剪強(qiáng)度均隨著中值粒徑增大而增加;在中值粒徑相同的條件下，連續(xù)粒度的紅磚碎塊抗剪強(qiáng)度高于單一粒度紅磚碎塊;在相同密度及中值粒徑條件下，剪切過(guò)程中連續(xù)粒度紅磚碎塊豎向位移小于單一粒度紅磚碎塊。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾; 紅磚碎塊; 抗剪強(qiáng)度; 豎向位移; 大型直剪試驗(yàn); 中值粒徑; 顆粒級(jí)配; 飽和狀態(tài)

中圖法分類號(hào)： TU433

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.031

0引 言

建筑垃圾是指建設(shè)單位、施工單位新建、改建、擴(kuò)建和拆除各類建筑物、構(gòu)筑物、管網(wǎng)等以及居民裝飾裝修房屋過(guò)程中所產(chǎn)生的棄土、棄料及其他廢棄物。大量的建筑垃圾若不能得到妥善處理利用，則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染及土地空間資源浪費(fèi)。與此同時(shí)，隨著中國(guó)城市建設(shè)、道路基建工程的進(jìn)行，需要大量的填料。采用素土回填需要占用大量土地資源甚至毀壞耕地，而采用石料回填需開(kāi)山也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成永久破壞。建筑垃圾經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后可作為混凝土再生骨料、工程渣土、廢塑料再生品等而重新被資源化利用，既可解決建筑垃圾污染環(huán)境的問(wèn)題，又能解決城市建設(shè)、道路基建工程需要大量土石方資源問(wèn)題。

對(duì)于建筑垃圾的回收再利用研究國(guó)外起步較早，日本政府最早于1991年制定了《資源重新利用促進(jìn)法》，規(guī)定建筑垃圾應(yīng)以回填等方式盡可能地重新利用。陸凱安[1]總結(jié)了國(guó)外建筑垃圾綜合利用的技術(shù)及方法，并認(rèn)為應(yīng)在全國(guó)范圍內(nèi)推廣建筑垃圾回填等再利用措施。林榮[2]通過(guò)分層夯實(shí)及注漿技術(shù)處理不同粒徑的回填建筑垃圾，發(fā)現(xiàn)粒徑小于150 mm的建筑垃圾回填效果較好。石熊等[3]研究了在素土中摻入不同粒度碎石料對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)試樣的抗剪強(qiáng)度與粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)正相關(guān)性，且黏聚力與內(nèi)摩擦角隨著粗顆粒摻入量增加而增大。樊興華等[4]提出了利用建筑垃圾填筑高速公路路基的技術(shù)方法，認(rèn)為對(duì)填筑路基應(yīng)進(jìn)行反復(fù)壓實(shí)直至其孔隙度小于20%，同時(shí)填筑前應(yīng)先去除建筑垃圾中的生活垃圾等雜質(zhì)。Rey等[5]發(fā)現(xiàn)在粗再生骨料（0～40 mm）中摻入0～8 mm細(xì)再生骨料可以提高無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。成浩等[6-7]研究了粒度、級(jí)配對(duì)干燥碎石料抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)平均粒度越大抗剪強(qiáng)度越高，連續(xù)級(jí)配的碎石料抗剪強(qiáng)度高于單一級(jí)配碎石料。郭鴻[8]、王海波[9]等研究了砂土顆粒級(jí)配對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦角與不均勻系數(shù)成正相關(guān)性。

農(nóng)村老舊民房拆遷改造工程會(huì)產(chǎn)生大量以紅磚為主的建筑垃圾碎塊，這些碎塊分選性差，自身強(qiáng)度不高，不經(jīng)處理則不再適合用作建筑材料。Poon等[10]利用黏土磚碎料作為道路路基，發(fā)現(xiàn)摻入黏土磚的道路路基承載比雖然較使用混凝土碎料及碎石料的路基低，但仍然符合香港地區(qū)路基承載比標(biāo)準(zhǔn)，并具有密度較低、承載比受含水率變化影響較小的特點(diǎn)。王武祥[11]提出將紅磚大體積碎塊用作道路路基、建筑基礎(chǔ)回填基礎(chǔ)材料。郭陽(yáng)陽(yáng)等[12]研究了紅磚回填料對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)紅磚不影響水泥水化產(chǎn)物種類，相較于純水泥其90 d抗壓強(qiáng)度提高了7%。蔡喬[13]利用大型直剪試驗(yàn)研究了黃土與紅磚碎料混合比例對(duì)回填體抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)在黃土中摻入紅磚可以提高抗剪強(qiáng)度，質(zhì)量摻入比為60%時(shí)抗剪強(qiáng)度最大。

建筑垃圾回填通常用剪切強(qiáng)度作為回填材料性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而級(jí)配及粒度對(duì)剪切強(qiáng)度影響顯著。Al-Hussaini等[14]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)及平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)火山碎石內(nèi)摩擦角隨著平均粒徑增大而增大;同樣地戴北冰等[15]利用不同粒徑的玻璃柱直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦角隨著玻璃柱直徑增大而增加。而Marschi等[16]通過(guò)三軸排水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碎石土的內(nèi)摩擦角隨著粒度增大而減小。兩者研究結(jié)論相反可能是材料質(zhì)地不同所致，也有可能是試驗(yàn)條件不同所致，所以粒度及級(jí)配對(duì)建筑垃圾回填的剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律應(yīng)根據(jù)回填材料及回填條件進(jìn)行具體分析。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們利用直剪、三軸等試驗(yàn)方法對(duì)不同建筑種類建筑垃圾在不同處理方法、粒度及級(jí)配條件下的抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究。然而現(xiàn)場(chǎng)因受到降雨及地下水位的影響，用于回填的建筑垃圾可能長(zhǎng)期處于濕潤(rùn)甚至飽和狀態(tài)，因而其飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)更具實(shí)踐意義。本文擬通過(guò)一系列大型直剪試驗(yàn)研究飽和狀態(tài)下粒度及級(jí)配變化對(duì)紅磚碎塊抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1試驗(yàn)設(shè)備與材料

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用自行設(shè)計(jì)的ZJ-500大型直剪儀，如圖1所示。該設(shè)備由上剪切盒、下剪切盒、伺服電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、頂針式位移計(jì)、計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。上、下剪切盒尺寸為500 mm×500 mm×225 mm（長(zhǎng)×寬×高）。豎向荷載通過(guò)氣缸及剛性板均勻施加，最大可達(dá)300 kPa。剪切過(guò)程中，上剪切盒固定，下剪切盒位移以及沉降量通過(guò)頂針式位移計(jì)測(cè)量，最大剪切行程為80 mm?？紤]到尺寸效應(yīng)，該設(shè)備可以對(duì)直徑不大于60 mm的材料進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為青島市城陽(yáng)區(qū)老舊農(nóng)村建筑物拆遷過(guò)程中破碎的紅磚，紅磚碎塊呈棱角型，紅磚之中常常夾雜著水泥砂漿填充料導(dǎo)致其物理性質(zhì)不均勻。利用大型圓孔篩將紅磚碎塊按照粒徑大小篩分成5～10 mm，10～20 mm，20～30 mm，30～40 mm，40～50 mm 5組不同粒度范圍的粒組，如圖2所示。

1.3試驗(yàn)方案

設(shè)置試驗(yàn)組及其基本物理參數(shù)如表1所列，其中DY1～DY4為中值粒徑d50由小到大單一粒度試驗(yàn)組，探究單一粒度條件下剪切強(qiáng)度隨中值粒徑的變化規(guī)律。HH1～HH3為篩分后得到的不同粒度碎石料顆粒配置的連續(xù)級(jí)配紅磚碎塊試驗(yàn)組，其級(jí)配曲線如圖3所示。3組試樣的不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)相近，中值粒徑分別為1.94，2.42 cm與3.25 cm，探究連續(xù)級(jí)配條件下剪切強(qiáng)度隨中值粒徑的變化規(guī)律。然后，通過(guò)DY1、HH1，DY2、HH2，DY3、HH3兩兩一組對(duì)比，研究在控制中值粒徑相近的條件下級(jí)配對(duì)剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律。每組試驗(yàn)分別在法向應(yīng)力25，50，100，200 kPa條件下進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顆粒粒度對(duì)紅磚碎塊抗剪強(qiáng)度的影響

DY1～DY4為單一粒度試驗(yàn)組，采用中值粒徑d50評(píng)價(jià)紅磚碎塊粒度大小，不同軸向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。本文以應(yīng)變10%時(shí)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)：相同試驗(yàn)組的抗剪強(qiáng)度均隨著軸向應(yīng)力增加而增大;軸向應(yīng)力為25 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著顆粒粒度增加而增大，且最大抗剪強(qiáng)度（DY4，62.34 kPa）較最小抗剪強(qiáng)度（DY1，47.93 kPa）高30.0%;軸向應(yīng)力為50 kPa和100 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著中值粒徑提高而呈現(xiàn)規(guī)律性變化，且最大抗剪強(qiáng)度較最小抗剪強(qiáng)度分別提高21.8%，20.9%;而軸向應(yīng)力為200 kPa時(shí)，各粒度的抗剪強(qiáng)度相同。這是因?yàn)樵谳S向應(yīng)力較小時(shí)，固結(jié)過(guò)程中不會(huì)壓碎紅磚碎塊，抗剪強(qiáng)度隨著顆粒粒度增大而增加，與成浩等[7]對(duì)碎石料的研究結(jié)果相同。當(dāng)軸向應(yīng)力增大到50～100 kPa時(shí)，部分紅磚碎塊強(qiáng)度低，在固結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生破碎填充原有孔隙，同時(shí)部分孔隙被壓縮，而50～100 kPa的軸向應(yīng)力又不能完全破碎壓密剪切體，使得剪切帶處的粒度分布呈現(xiàn)隨機(jī)性，從而使抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)隨機(jī)性;當(dāng)軸向應(yīng)力增大到200 kPa時(shí)，剪切體在巨大的軸向應(yīng)力作用下破碎固結(jié)密實(shí)到極限狀態(tài)，此時(shí)的抗剪強(qiáng)度主要取決于紅磚本身的材料強(qiáng)度而與粒度大小無(wú)關(guān)。

HH1～HH3為連續(xù)粒度試驗(yàn)組，其不均勻系數(shù)分別為3.20，3.24，3.01，曲率系數(shù)分別為0.94，1.23，1.11，均非常接近，因此他們的剪切強(qiáng)度差異主要由中值粒徑d50決定，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。與單一粒度試驗(yàn)相似，相同試驗(yàn)組的抗剪強(qiáng)度隨著軸向應(yīng)力增加而增大;而在相同軸向應(yīng)力條件下，無(wú)論軸向應(yīng)力多大，抗剪強(qiáng)度均隨著中值粒徑d50增加而增大，這是因?yàn)镠H1～HH3均為連續(xù)粒度，不會(huì)在剪切體內(nèi)部形成大孔隙，受到較大的軸向應(yīng)力擠壓時(shí)，也不會(huì)像單一粒度試驗(yàn)組一樣因?yàn)榇罂紫洞嬖诙a(chǎn)生大量的大顆粒破碎現(xiàn)象，所以抗剪強(qiáng)度隨著中值粒徑d50增加而增大。

2.2級(jí)配對(duì)紅磚碎塊抗剪強(qiáng)度的影響

DY1與HH1，DY2與HH2，DY3與HH3組的中值粒徑相近但級(jí)配形式不同，其中DY1、DY2、DY3為單一粒度試驗(yàn)組，HH1、HH2、HH3為連續(xù)級(jí)配試驗(yàn)組，在不同軸向應(yīng)力下的剪切強(qiáng)度變化規(guī)律相同，選取軸向應(yīng)力100 kPa條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，如圖6所示。在相近的中值粒徑條件下，連續(xù)級(jí)配的紅磚碎塊抗剪強(qiáng)度略高于單一粒度的紅磚碎塊的抗剪強(qiáng)度，這是因?yàn)閱我涣６鹊募羟畜w孔隙較大，且因?yàn)榻?jīng)過(guò)篩選的顆粒大小相近，不能有效填充形成的孔隙，而在剪切面處的大孔隙則會(huì)影響剪切強(qiáng)度，而連續(xù)粒度的剪切體大孔隙則會(huì)被連續(xù)級(jí)配中的小顆粒填充，使剪切體較密實(shí)，不會(huì)在剪切面處存在較大的孔隙，剪切強(qiáng)度相較于單一粒度試驗(yàn)組有所提高。現(xiàn)場(chǎng)使用紅磚碎塊作回填材料時(shí)，連續(xù)級(jí)配的紅磚回填可以提高回填體的抗剪強(qiáng)度及坡體穩(wěn)定性。

圖7為軸向應(yīng)力在100 kPa條件下DY1與HH1，DY2與HH2，DY3與HH3剪切時(shí)的剪應(yīng)變-豎向位移變化曲線（剪縮為正）。由表1可知，各試驗(yàn)組裝填密度相近，可以認(rèn)為裝填密度相同，在相同的裝填密度下，連續(xù)粒度試驗(yàn)組剪切過(guò)程中的豎向位移均小于與其中值粒徑相近的單一粒度試驗(yàn)組，這是因?yàn)檫B續(xù)粒度試驗(yàn)組中大孔隙被小顆粒填充，剪切剖面孔隙所占面積較小，所以剪切體受到軸向壓力時(shí)實(shí)際作用到紅磚骨料的應(yīng)力較小，紅磚破碎程度較小，所以沉降較少。而單一粒度試驗(yàn)組由于紅磚碎塊顆粒大小相近，形成的大孔隙沒(méi)有小顆粒填充，剪切剖面孔隙所占面積較大，在剪切體受到軸向壓力時(shí)實(shí)際作用于紅磚骨料的應(yīng)力較大，且各骨料因大孔隙存在相互搭接，在受到較大的應(yīng)力時(shí)更容易產(chǎn)生破碎，而破碎后的細(xì)小骨料填充于大孔隙中，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的沉降。綜上可以認(rèn)為，在相同的裝填密度下連續(xù)粒度裝填相較于單一粒度裝填更為密實(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)利用紅磚作回填料時(shí)，使用連續(xù)級(jí)配的紅磚碎塊引起的沉降較小。

3結(jié) 論

（1） 顆粒粒度對(duì)單一粒度紅磚碎塊與連續(xù)粒度紅磚碎塊的抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律不同。單一粒度紅磚碎塊在低軸向應(yīng)力（25 kPa）作用下，抗剪強(qiáng)度隨著中值粒徑增大而增加，隨著軸向應(yīng)力的增加，抗剪強(qiáng)度變化呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律性，在高軸向應(yīng)力（200 kPa）作用下，各粒度抗剪強(qiáng)度相同。而連續(xù)粒度紅磚碎塊在任何軸向應(yīng)力條件下的抗剪強(qiáng)度均隨著中值粒徑增大而增大。

（2） 在中值粒徑相同的條件下，連續(xù)級(jí)配的紅磚碎塊抗剪強(qiáng)度高于單一粒度紅磚碎塊的抗剪強(qiáng)度。

（3） 在相同的裝填密度條件下，相同中值粒徑的連續(xù)級(jí)配紅磚碎塊在剪切過(guò)程中的豎向位移小于單一級(jí)配的紅磚碎塊豎向位移，即采用紅磚碎塊作為回填材料時(shí)，使用連續(xù)級(jí)配的紅磚碎料在較高壓實(shí)能條件下效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸凱安.我國(guó)建筑垃圾的現(xiàn)狀與綜合利用[J].建材工業(yè)信息，2005（6）：15-16.

[2]林榮.淺談建筑垃圾作回填土的處理[J].施工技術(shù)，2008（增1）：357-358.

[3]石熊，張家生，孟飛，等.改良粗粒土填料大型三軸試驗(yàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（2）：645-652.

[4]樊興華，唐嫻.建筑垃圾填筑高速公路路基施工技術(shù)[J].工業(yè)建筑，2014，44（4）：111-114.

[5] DEL REY I，AYUSO J，BARBUDO A，et al.Feasibility study of cement-treated 0～8 mm recycled aggregates from construction and demolition waste as road base layer[J].Road Materials and Pavement Design，2016，17（3）：678-692.

[6]成浩，王晅，張家生，等.顆粒粒徑對(duì)粗粒土-混凝土接觸面剪切特性影響試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，26（1）：145-153.

[7]成浩，王晅，張家生，等.顆粒粒度與級(jí)配對(duì)碎石料與結(jié)構(gòu)接觸面剪切特性的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，49（4）：925-932.

[8]郭鴻，陳茜.顆粒級(jí)配對(duì)砂土剪切特性的影響及細(xì)觀機(jī)理研究[J].人民長(zhǎng)江，2017，48（11）：86-91.

[9]王海波.粒度分布及顆粒形狀對(duì)砂土最小孔隙比及抗剪強(qiáng)度的影響研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2019.

[10]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.

[11]王武祥.建筑垃圾再生技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2009（1）：24-28，30.

[12]郭陽(yáng)陽(yáng)，張金喜，王革，等.紅磚對(duì)建筑垃圾流動(dòng)性回填材料性能的影響機(jī)理[C]∥中國(guó)公路學(xué)會(huì)養(yǎng)護(hù)與管理分會(huì)，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，中交第三公路工程局有限公司.中國(guó)公路學(xué)會(huì)養(yǎng)護(hù)與管理分會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)公路學(xué)會(huì)養(yǎng)護(hù)與管理分會(huì)，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，中交第三公路工程局有限公司，2020.

[13]蔡喬.建筑垃圾再生骨料改良黃土的抗剪強(qiáng)度特性研究[D].太原：中北大學(xué)，2018.

[14]Al-HUSSAINI，MOSAID.Effect of particle size and strain conditions on the strength of crushed basalt[J].Canadian Geotechnical Journal，1983，20（4）：706-717.

[15]戴北冰，楊峻，周翠英.顆粒大小對(duì)顆粒材料力學(xué)行為影響初探[J].巖土力學(xué)，2014，35（7）：1878-1884.

[16]MARSCHI N D，CHAN C K，SEED H B.Evaluation of properties of rockfill materials[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1972，98（1）：95-114.

（編輯：胡旭東）

Abstract：In recent years，with the development of the society，many construction wastes are produced.The backfill using the construction waste can not only solve the problem of environmental pollution，but also solve the demand of many filling materials for urban construction projects.However，the construction waste backfill needs to meet certain strength requirement.In this paper，the influence of particle size and gradation on the shear strength of saturated redbrick fragments under different axial stress conditions were studied by the large-scale direct shear experiments of single particle size and continuous size redbrick fragments under the axial stress of 25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa.The test result showed that the shear strength was different for the single particle size redbrick fragments and continuous particle size redbrick fragments.For the single particle size redbrick，under the condition of low axial pressure （25 kPa），the shear strength increased with the median particle size coarser，however under the high axial pressure （200 kPa），the shear strength for different median particle size was the same.For the continuous particle size redbrick，the shear strength increased with the increase of the median particle size at any axial pressures.The shear stress for continuous particle size redbrick was larger than that of the single particle size redbrick at the same median particle size.At the same loading density and median particle size，the vertical displacement for the continuous particle size redbrick fragments was smaller than the single particle size redbrick fragments.

Key words：construction waste;redbrick fragment;shear strength;vertical displacement;large-scale direct shear test;median particle size;particle gradation;saturation state