紅磚建筑固廢路基填料的路用性能研究

王 勇，時(shí)成林*，張 健，宋文祝

1 吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118 2 吉林省高速公路管理局長(zhǎng)春管理分局,長(zhǎng)春 130031 3 吉林省公路管理局,長(zhǎng)春 130021

0 引言

資源緊缺、環(huán)境污染已成為制約我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要因素.目前對(duì)于建筑固廢的主要處理方法是露天堆積或填埋于地下，這不僅占用了大量的土地資源,對(duì)周邊環(huán)境也造成了一定的影響.因此,利用建筑固廢作為路基填料是資源化利用的一個(gè)重要方面.

姚志雄[1]、王新宇[2]、黃開正等[3]人在對(duì)建筑固廢進(jìn)行分析時(shí),分別對(duì)其進(jìn)行了擊實(shí)和CBR等室內(nèi)試驗(yàn).結(jié)果表明，CBR值符合路基填料要求,且最佳含水率和最大干密度與粗顆粒含量有關(guān).李少康[4]首先利用建筑固廢的來源、物理性和可利用性對(duì)其進(jìn)行分類,對(duì)建筑固廢進(jìn)行擊實(shí)、CBR試驗(yàn)結(jié)果說明建筑固廢是很好的路基填筑材料.韓保剛[5]、劉陽[6]、張威等[7]人研究發(fā)現(xiàn)原始建筑固廢的級(jí)配不符合路基填料的要求,但是擊實(shí)后的級(jí)配符合要求.商曉儒[8]對(duì)建筑固廢分揀,將其分為磚和混凝土,之后對(duì)這兩種材料進(jìn)行性能研究,結(jié)果表明，建筑固廢可以用于路基填筑且路用性能良好.

本文通過研究和總結(jié)國(guó)內(nèi)外已有技術(shù)和成果,結(jié)合紅磚建筑固廢路基的室內(nèi)試驗(yàn),提出關(guān)于紅磚建筑固廢的技術(shù)指標(biāo);采用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc,對(duì)紅磚建筑固廢原始級(jí)配以及擊實(shí)前后顆粒粒徑的變化進(jìn)行評(píng)價(jià).

1 紅磚建筑固廢填料技術(shù)要求

1.1 材料加工

由于紅磚建筑固廢組成較為復(fù)雜,其中內(nèi)部含有很多對(duì)工程不利的雜物,如塑料、木板、鋼筋以及泡沫等,這些都需要通過人工和機(jī)器方式去除[9-11].對(duì)去除雜物后的建筑固廢采用固定式鄂式破碎機(jī)進(jìn)行破碎,即可滿足路基施工的要求.根據(jù)建筑固廢用于路基層位的要求,通過一定尺寸的篩孔進(jìn)行溜篩處理,加工后最大粒徑應(yīng)符合紅磚建筑固廢對(duì)應(yīng)路基不同層位的設(shè)計(jì)要求.

1.2 單質(zhì)技術(shù)

在利用紅磚建筑固廢填筑路基時(shí),需要了解關(guān)于紅磚建筑固廢單質(zhì)材料各個(gè)物理性能指標(biāo),如吸水率、密度、承載比等，這些指標(biāo)在室內(nèi)試驗(yàn)和路基施工質(zhì)量控制中發(fā)揮著重要的作用,為了更好地將建筑固廢用于公路路基,首先進(jìn)行了單質(zhì)材料試驗(yàn),結(jié)果見表1.

表1 紅磚建筑固廢材料的檢測(cè)結(jié)果Table 1 Test results of red brick building solid waste materials

由表1可以看出，紅磚建筑固廢具有顆粒內(nèi)部孔隙較大、吸水性高等特點(diǎn),這是由于紅磚建筑固廢中含有棱角的廢磚塊以及廢砂漿,磚塊源于粘土燒制而成,各層紅磚間的砌筑泥漿或砂漿的強(qiáng)度偏低,且磚的表面粗糙,內(nèi)部含有許多大小尺寸的空隙,吸水能力強(qiáng).紅磚建筑固廢的CBR值為132.79遠(yuǎn)大于規(guī)范對(duì)高速公路上路床承載比不得小于8 %的要求.可見,用現(xiàn)有的規(guī)范評(píng)價(jià)紅磚建筑固廢路基的承載比存在不合理性.因此,需要提出新的關(guān)于紅磚建筑固廢路基填料最小承載比指標(biāo).

2 紅磚建筑固廢室內(nèi)試驗(yàn)分析

紅磚建筑固廢的顆粒組成對(duì)于路基的穩(wěn)定性起到很重要的作用,需要研究不同級(jí)配對(duì)其路用性能的影響,同時(shí)為了滿足土工室內(nèi)試驗(yàn)中擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)等對(duì)于材料粒徑的要求,將室內(nèi)試驗(yàn)所用的試樣風(fēng)干,之后進(jìn)行破碎,破碎后的最大粒徑不超過40 mm,根據(jù)粒徑的大小分為大、中、小3種顆粒類型.對(duì)紅磚建筑固廢路基填料在不同配比下分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),了解其最佳含水率和最大干密度的變化情況.

2.1 篩分試驗(yàn)

首先對(duì)紅磚建筑固廢中大(≤40 mm)、中(≤19 mm)和小(≤13.2 mm)各檔料進(jìn)行初步篩分,其級(jí)配如圖1所示.然后對(duì)比例為大∶中∶小=0∶2∶8,2∶0∶8,1∶2∶7,0∶4∶6,1∶3∶6,4∶0∶6的紅磚建筑固廢進(jìn)行篩分,了解級(jí)配情況,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖1 各檔料的篩分曲線Fig.1 Screening curves of each material

圖2 不同配比下的篩分曲線Fig.2 Screening curves under different ratios

通過圖1可以得出,紅磚建筑固廢中大顆粒與中、小顆粒的粒徑相比差別較大,3種顆粒粒徑之間沒有出現(xiàn)斷檔現(xiàn)象,可以組成滿足基層規(guī)范要求的級(jí)配曲線.通過對(duì)不同配比下紅磚建筑固廢的不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc來對(duì)圖2中的顆粒級(jí)配進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見表2.

表2 各配比下的紅磚建筑固廢的級(jí)配情況Table 2 Gradation of red brick building solid waste under different proportions

根據(jù)表2發(fā)現(xiàn)紅磚建筑固廢中,大、中、小不同顆粒比例下的曲率系數(shù)均不滿足Cc=1～3,說明其級(jí)配不良.這是由于紅磚填料中粗顆粒偏多，其中比例為大∶小=4∶6的紅磚建筑固廢中小于4.75 mm的顆粒含量為28.1 %，屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)[12],在實(shí)際填筑紅磚建筑固廢路基時(shí),粗顆粒在碾壓的情況下易碎;為了模擬現(xiàn)場(chǎng)碾壓狀況,對(duì)比例為大∶小=4∶6紅磚建筑固廢進(jìn)行擊實(shí)，前后級(jí)配變化的對(duì)比分析如圖3所示.

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

為了解粗顆粒含量對(duì)紅磚建筑固廢的最佳含水率以及最大干密度的影響,選用粗顆粒占比較大的比例大∶小=4∶6,以及粗顆粒占比較小的比例中∶小=2∶8的填料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),結(jié)果見表3.

表3 紅磚建筑固廢的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Compaction test results of red brick building solid waste

根據(jù)表3的結(jié)果,可以得到中∶小=2∶8的最佳含水率為15.38 %,最大干密度為1.75 g/cm3；大∶小=4∶6的最佳含水率為15.14 %,最大干密度為1.77g/cm3,這兩種比例的最佳含水率以及最大干密度的變化范圍和差異性都較小.這是由于在擊實(shí)時(shí)大、中顆粒的磚塊極易被擊碎,在擊實(shí)完成后不同比例的紅磚建筑固廢填料中,其大、中、小顆粒的比例含量基本相同,導(dǎo)致了不同級(jí)配下紅磚建筑固廢的最佳含水率與最大干密度值變化不大.

2.2.1 擊實(shí)前后顆粒分析

紅磚填料中含有大量的大顆粒磚塊,作為填筑路基的材料,受到外面的壓力碾壓和撞擊時(shí),顆粒很容易被破碎,其顆粒的形狀以及大小極易發(fā)生改變，導(dǎo)致紅磚的大、中、小顆粒的比例也會(huì)發(fā)生變化.因此,只對(duì)比例為大∶小=4∶6的紅磚建筑固廢進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),來分析級(jí)配的變化即可,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知,紅磚材料在擊實(shí)后,總體上顆粒的級(jí)配發(fā)生明顯的變化,擊實(shí)前小于4.75 mm的細(xì)集料通過率在28.1 %,擊實(shí)后小于4.75 mm的細(xì)集料通過率在45.2 %,細(xì)集料在擊實(shí)前后增長(zhǎng)了61.5 %,其結(jié)構(gòu)由骨架空隙轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌苊軐?shí).說明了通過擊實(shí),粒徑較大的顆粒很容易轉(zhuǎn)化為粒徑小的顆粒,顆粒的總體粒徑在減小.對(duì)擊實(shí)前后的紅磚建筑固廢級(jí)配進(jìn)行不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表4.

表4 紅磚擊實(shí)前后級(jí)配情況Table 4 Gradation of red brick before and after compaction

根據(jù)表4,能夠發(fā)現(xiàn)在擊實(shí)前紅磚建筑固廢中,大小顆粒之比為4∶6的曲率系數(shù)不滿足Cc=1～3的要求.而擊實(shí)后的紅磚級(jí)配由不良狀況轉(zhuǎn)化為良好,大顆粒被擊碎轉(zhuǎn)化為小顆粒,小顆粒充分將粗顆粒間的空隙填滿使填料總體變得更加的密實(shí),對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性也會(huì)提高.在進(jìn)行實(shí)際路基填筑時(shí)，紅磚建筑固廢最大顆粒不易超過40 %；路基填料按照相應(yīng)的比例，利用推土機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬笱b車運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)；整平之后的路基表面若出現(xiàn)粗集料集中，應(yīng)采用人工的方式進(jìn)行細(xì)料填充.紅磚建筑固廢路基填料需要根據(jù)路基的不同層位進(jìn)行分層填筑，并對(duì)每層容許的最大粒徑進(jìn)行相應(yīng)的控制，使其在進(jìn)行碾壓后能夠達(dá)到良好的壓實(shí)效果；為了說明不同層位的壓實(shí)狀態(tài)，利用灌砂法和沉降差法對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)度測(cè)量.

圖3 紅磚擊實(shí)前后級(jí)配曲線Fig.3 Grading curves of red brick before and after compaction

圖4 貫入量與CBR關(guān)系Fig.4 Relationship between penetration and CBR

2.3 CBR試驗(yàn)

CBR值是表達(dá)路基強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo),CBR也稱為加州承載比, 是選擇路基填料的一個(gè)重要依據(jù).根據(jù)擊實(shí)得出的最佳含水率和最大干密度,進(jìn)行不同級(jí)配下的紅磚建筑固廢CBR試驗(yàn).通過控制壓實(shí)度來進(jìn)行承載比試驗(yàn),壓實(shí)度的控制參數(shù)分別是96 %,93 %,90 %,分別代表路床、上路堤和下路堤,分析在路基填筑不同部位的控制參數(shù).試驗(yàn)過程中同時(shí)記錄兩個(gè)貫入量的百分表,為了更準(zhǔn)確地表達(dá)承載比值,當(dāng)貫入量達(dá)到5 mm時(shí),并未停止試驗(yàn),而是繼續(xù)記錄貫入量,對(duì)紅磚比例為大∶小=4∶6的填料進(jìn)行CBR試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.為了表述方便將壓實(shí)度為96 %,93 %和90 %分別用A,B,C表示.

通過圖4可知,在相同貫入量下,CBR值最大是A,其次是B,最小是C.紅磚建筑固廢的CBR值開始隨著貫入量的增加而增大,在5 mm左右處不論A,B還是C,都有下降的趨勢(shì).因此,在5 mm左右時(shí)紅磚建筑固廢的CBR能夠達(dá)到最大值.根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430-2020)可知,當(dāng)貫入量為2.5 mm和5 mm時(shí)計(jì)算承載比,最終取較大者作為該材料的CBR值.通過試驗(yàn)證明紅磚建筑固廢的CBR最大值在貫入量達(dá)到5 mm左右取得,因此在進(jìn)行承載比試驗(yàn)時(shí),使讀數(shù)能夠到500×10-2mm(5 mm)即可,最后結(jié)果見表5.

表5 紅磚建筑固廢的CBR值、干密度以及膨脹量Table 5 CBR value, dry density and expansion of red brick building solid waste

從表5可以得出，隨著壓實(shí)度的增加,CBR值和膨脹量也隨之增大.其中CBR值最小為33.69 %,因此不能用現(xiàn)有的規(guī)范來對(duì)此進(jìn)行評(píng)價(jià),需要提出新的關(guān)于紅磚建筑固廢路基填料最小承載比指標(biāo).膨脹量增大的原因是相同體積下,隨著壓實(shí)度的增加,質(zhì)量變大,密度也增大.利用紅磚建筑固廢進(jìn)行吸水率試驗(yàn)時(shí),由于填料中磚含量較多使其吸水率增大,但填料總體吸水膨脹率小,僅僅介于2.3×10-4～3.1×10-4之間，原因在于和粘性土路基相比最佳含水率偏小,且紅磚建筑固廢屬于骨架結(jié)構(gòu),骨架顆粒吸水沒有膨脹，所以總體紅磚建筑固廢吸水膨脹量小.

3 結(jié)語

通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)分析，總結(jié)出關(guān)于紅磚建筑固廢填筑路基時(shí)的路用性能和設(shè)計(jì)指標(biāo),得出如下結(jié)論：

(1) 通過密度、吸水率以及液塑限等室內(nèi)試驗(yàn)，表明紅磚建筑固廢具有顆粒內(nèi)部孔隙較大,吸水性高等特點(diǎn).

(2) 隨著紅磚大、中、小顆粒比例的變化,其最佳含水率變化范圍并不是太大,差異性較小.其中小顆粒越多，其含水率越高,干密度減小.通過Cu和Cc能夠發(fā)現(xiàn)比例為大∶小=4∶6的紅磚建筑固廢在擊實(shí)前后級(jí)配由不良轉(zhuǎn)化為良好.

(3) 承載比試驗(yàn)表明,紅磚建筑固廢的CBR值隨壓實(shí)度的增加而增加,且利用現(xiàn)有的規(guī)范評(píng)價(jià)紅磚建筑固廢路基的承載比存在不合理性.因此,提出新的關(guān)于紅磚建筑固廢路基填料最小承載比指標(biāo)值不得低于30 %.