建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土臺(tái)背填料技術(shù)研究

庾會(huì)軍，封翔宇

(1.中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710000； 2.海南省交通工程建設(shè)局,海南 ?？?570100)

1 概述

我國(guó)每年因拆除、新建、裝修等產(chǎn)生的建筑垃圾到2020年年底預(yù)計(jì)將突破30億t，建筑垃圾的數(shù)量已占到城市垃圾總量的30%～40%[1]。采用建筑垃圾制備各種道路工程用再生材料，具有消納建筑垃圾量大、可操作性強(qiáng)、使用性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[2-5]，為了更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境和利用好現(xiàn)有資源，將建筑垃圾加工處置成再生骨料進(jìn)行利用勢(shì)在必行[6]，尤其是我國(guó)為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)與碳中和愿景，資源高效利用與環(huán)境保護(hù)將進(jìn)一步強(qiáng)化。

涵洞是公路構(gòu)造物的基礎(chǔ)部分之一，臺(tái)背體作為二者之間的過(guò)渡，應(yīng)防止沉降差變出現(xiàn)的跳車現(xiàn)象。臺(tái)背回填效果的主要影響因素包括填料性質(zhì)以及其密實(shí)程度、施工條件及臺(tái)背的排水工程的設(shè)置情況，其中提高填料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及壓實(shí)程度是解決臺(tái)背沉降的關(guān)鍵[7]。通常會(huì)在填料中添加石灰或設(shè)置土工格柵等加筋材料，提高填筑材料的穩(wěn)定性[8-9]。近年來(lái)，用于臺(tái)背回填的材料雖然種類繁多，但需要根據(jù)使用地區(qū)的資源環(huán)境情況進(jìn)行選擇，缺乏普適性，其中采用低自重、抗變形性能強(qiáng)的泡沫混凝土材料具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

泡沫混凝土是在混凝土中摻入發(fā)泡膠凝材料，經(jīng)成型、養(yǎng)護(hù)制成的一種含有大量氣孔的輕質(zhì)水泥混凝土材料，在我國(guó)的工程建設(shè)中已廣泛應(yīng)用[10-13]，具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用效果。而采用建筑垃圾再生骨料制備泡沫混凝土材料，將其應(yīng)用于涵洞臺(tái)背填筑，為其資源化利用提供了新思路。

2 原材料加工及工程概況

2.1 原材料加工準(zhǔn)備

本文用建筑垃圾再生骨料生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，分為進(jìn)料、破碎、篩分分離三道工序。進(jìn)料工序是將回收的建筑垃圾通過(guò)進(jìn)料裝置送至料斗篩分，先進(jìn)行初步的篩除泥土并噴淋除塵，然后將初步處理的建筑垃圾輸送至破碎裝置。破碎和篩分同步進(jìn)行，首先，采用顎式破碎機(jī)進(jìn)行一級(jí)破碎，將石材、磚及混凝土初步破碎，破碎時(shí)須裝有除塵系統(tǒng)噴淋降低揚(yáng)塵，并在篩分設(shè)備中將泥土、混凝土和石磚分離，以磁選法分離回收建筑垃圾中的金屬，隨后，將大骨料回送到二次破碎裝置加工，破碎后其顆粒尺寸介于0 mm～63 mm之間，為便于后續(xù)材料組成設(shè)計(jì)，粒徑按照0 mm～10 mm,10 mm～20 mm,20 mm～40 mm,40 mm～63 mm分開(kāi)存放。

2.2 工程概況

以涵洞為界，洞背分為上段和下段，詳細(xì)尺寸見(jiàn)圖2，路基上寬為12 m，下寬為20 m，臺(tái)背填筑材料與土路基相銜接。

3 再生骨料泡沫混凝土組成設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

3.1 原材料選擇

1)發(fā)泡材料。發(fā)泡劑采用煙臺(tái)賽地重工有限公司的HF系列水泥發(fā)泡劑，發(fā)泡倍率為46～60，取50，即水∶發(fā)泡劑=49∶1，具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水泥發(fā)泡劑技術(shù)參數(shù)

2)水泥。本文采用華潤(rùn)P.O42.5水泥作為再生骨料泡沫混凝土用水泥，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)

3)再生骨料。本文使用的建筑垃圾再生骨料配比為：10 mm～20 mm占35%，20 mm～40 mm占45%，40 mm～63 mm占20%，表觀密度為2 150 kg/m3。

4)水。采用生活飲用水。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

3.2.1 泡沫膠凝材料技術(shù)要求

28 d抗壓強(qiáng)度要求值不小于0.9 MPa，濕容重約為540 kg/m3～580 kg/m3，流動(dòng)度160 mm～200 mm。

3.2.2 泡沫膠凝材料配合比設(shè)計(jì)

采用上述發(fā)泡劑，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室制備氣泡群。以5.5,5.8,6.1三個(gè)水膠比(質(zhì)量比，下同)分別制作水泥漿，單位體積材料用量見(jiàn)表3。將制備好的氣泡群與水泥漿充分拌和，制成泡沫膠凝材料，按照100 mm×100 mm×100 mm成型試件，脫模后裝入塑料袋密封，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d和28 d，隨后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

從表3可以看出，水膠比為0.55時(shí)，濕容重不符合要求；水膠比為0.61時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)不到強(qiáng)度要求；而水泥∶水∶氣泡群=340∶197∶693時(shí)，濕容重、28 d強(qiáng)度、流動(dòng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。故初步確定水膠比為0.58，水泥∶水∶氣泡群=340∶197∶693的配合比作為設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單節(jié)單層試驗(yàn)段施工，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 泡沫膠凝材料組成及技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表4 試驗(yàn)段泡沫膠凝材料技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

泡沫膠凝材料試驗(yàn)段結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度仍有一定的富余，故進(jìn)行配合比優(yōu)化，降低水泥用量和增加水膠比來(lái)達(dá)到強(qiáng)度和濕容重滿足要求。保持水泥用量不變，增大水膠比，配合比設(shè)計(jì)及技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 泡沫膠凝材料配合比優(yōu)化及技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表5中檢測(cè)結(jié)果，水膠比0.6時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)均合格，且28 d抗壓強(qiáng)度還有一定的富余，得出水膠比為0.6時(shí)可以滿足設(shè)計(jì)要求，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，以水泥用量340 kg為基準(zhǔn)，下調(diào)水泥用量，配合比及技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6中數(shù)據(jù)可知，配合比水泥∶水∶氣泡群=310∶186∶713時(shí)，濕容重、28 d強(qiáng)度均不滿足設(shè)計(jì)要求，而當(dāng)水泥∶水∶氣泡群=320∶192∶705時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，故確定的最終配合比為水泥∶水∶氣泡群=320∶192∶705，水膠比為0.6，再次進(jìn)行試驗(yàn)段施工，施工過(guò)程流暢，各項(xiàng)體積力學(xué)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 泡沫膠凝材料配合比優(yōu)化及技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3.2.3 建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)

1)建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土設(shè)計(jì)要求。加州承載比(CBR)試驗(yàn)方法是評(píng)價(jià)土基及路面基層材料強(qiáng)度的一種方法，廣泛應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域。為了有效地評(píng)價(jià)建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土的強(qiáng)度，采用未篩分碎石進(jìn)行對(duì)比研究(見(jiàn)表7)。

表7 未篩分碎石的檢測(cè)結(jié)果

對(duì)于未篩分碎石，壓實(shí)度為95%時(shí)，CBR值為38%，強(qiáng)度為2.66 MPa；壓實(shí)度98%時(shí)，強(qiáng)度為3.20 MPa。故建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)的依據(jù)為：強(qiáng)度不小于3.2 MPa，濕容重不大于1 750 kg/m3。

2)配合比設(shè)計(jì)過(guò)程。建筑垃圾再生骨料的表觀密度為2 150 kg/m3，各檔骨料配比為：10 mm～20 mm占35%，20 mm～40 mm占45%，40 mm～63 mm占20%，室內(nèi)試驗(yàn)以800 kg/m3，1 000 kg/m3，1 200 kg/m3,1 400 kg/m3的摻量進(jìn)行試配，以上述確定的泡沫膠凝材料，四種配比膠凝材料用量一致，采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試模分2層～3層成型試件，先將泡沫膠凝材料澆入試模約30 mm～50 mm，然后將拌和均勻的建筑垃圾骨料置于試模內(nèi)，高度至70 mm～80 mm，再澆入泡沫膠凝材料填充空隙，待初凝后再進(jìn)行上一層填筑，直至裝滿試模，并稍有溢出，待最上一層初凝后將試件頂面收平。成型試件1 d后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，28 d測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 再生垃圾再生骨料泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表8中數(shù)據(jù)可知，根據(jù)抗壓強(qiáng)度和濕容重要求，建筑垃圾用量越多，濕容重和抗壓強(qiáng)度均隨之增長(zhǎng)，考慮到盡可能多采用建筑垃圾骨料，減少膠凝材料用量以降低成本，最終確定再生骨料泡沫混凝土1 m3實(shí)驗(yàn)室配合比為建筑垃圾∶泡沫膠凝材料=1 400 kg∶349 L。

4 工程應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 工藝流程

4.1.1 泡沫膠凝材料制備

利用發(fā)泡裝置產(chǎn)生氣泡，并將氣泡加入水泥漿中，制備泡沫膠凝材料，此過(guò)程需保證漿泡混合均勻，如圖3所示，盡量做到迅速混合，避免使用超過(guò)發(fā)泡時(shí)間的氣泡群。

施工工藝要點(diǎn)如下：

1)發(fā)泡劑的選擇。a.發(fā)泡劑對(duì)生態(tài)環(huán)境應(yīng)無(wú)不良影響，宜采用界面活性類發(fā)泡劑。b.在0 ℃以上的溫度環(huán)境，發(fā)泡劑不應(yīng)出現(xiàn)離析現(xiàn)象。c.發(fā)泡劑的稀釋倍率不宜小于100。d.發(fā)泡劑所制作的泡沫應(yīng)細(xì)密，經(jīng)消泡試驗(yàn)確定的濕密度增加率不應(yīng)超過(guò)10%。e.所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)泡沫密度宜為40 kg/m3～60 kg/m3。

2)水泥漿的制備。a.水泥漿的拌和用水不能含有影響泡沫穩(wěn)定性、泡沫膠凝材料的強(qiáng)度和耐久性的有機(jī)物、油污等雜質(zhì)。b.所用水泥必須先進(jìn)行消泡試驗(yàn)，以確定其濕密度增加率是否滿足要求。c.水泥漿應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)拌和，避免泡沫膠凝材料澆筑過(guò)程中出現(xiàn)局部消泡、初凝現(xiàn)象，影響整體施工質(zhì)量。同時(shí)應(yīng)在出料口設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，防止較大顆粒材料堵塞泵管。

4.1.2 澆筑施工工藝

以制備的建筑垃圾再生骨料和泡沫膠凝材料，進(jìn)行涵洞洞背填筑，施工工藝過(guò)程簡(jiǎn)述如下:

1)施工前準(zhǔn)備。

a.進(jìn)行澆筑區(qū)域、澆筑層的劃分，標(biāo)識(shí)工作區(qū)。

b.清除澆筑區(qū)的基底雜物，確?；谉o(wú)積水、無(wú)松散軟土，同時(shí)對(duì)基底土層進(jìn)行必要的碾壓處理，確?；椎能浲吝_(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

c.根據(jù)澆筑區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行臨時(shí)模板的安裝，將模板安裝緊密，防止因泡沫混凝土的高流動(dòng)性導(dǎo)致漏漿現(xiàn)象的產(chǎn)生，并在模板側(cè)方位涂抹界面劑。

2)泡沫膠凝材料泵送及澆筑準(zhǔn)備。

將制備滿足質(zhì)量要求的泡沫膠凝材料，采用泵管輸送。泵送前，應(yīng)檢查管接頭是否緊固，確保接頭密封牢固不泄露。泵送過(guò)程中，澆筑管的壓力應(yīng)滿足揚(yáng)程及輸送距離要求。在澆筑前，將澆筑管的澆筑口放置在澆筑區(qū)以外，當(dāng)觀察到出口均勻出現(xiàn)泡沫膠凝材料時(shí)，再將澆筑管移入澆筑區(qū)。澆筑正式開(kāi)始前，先沿著模板的邊沿澆筑一圈泡沫膠凝材料。

3)建筑垃圾泡沫混凝土澆筑。

采用分層施工方式澆筑，單層厚度應(yīng)控制在30 cm～40 cm，每次澆筑完成暫停施工3 h，待初凝后再施工下一層。若澆筑過(guò)程停滯時(shí)間超過(guò)30 min，應(yīng)及時(shí)清洗管道，避免泡沫膠凝材料部分凝結(jié)在澆筑管內(nèi)造成管道堵塞。

泡沫膠凝材料澆筑時(shí)，澆筑管宜與澆筑面保持緩傾角度，見(jiàn)圖4，不宜采用從上而下噴射方式進(jìn)行澆筑，管口應(yīng)埋入泡沫混凝土內(nèi)不小于10 cm，并應(yīng)減少對(duì)泡沫膠凝材料的擾動(dòng)，以降低泡沫混凝土的消泡量。同時(shí)，應(yīng)采用澆筑點(diǎn)由中心向四邊擴(kuò)展或采用多點(diǎn)澆筑的方式進(jìn)行澆筑，澆筑點(diǎn)不應(yīng)直接沖擊面板及伸縮縫模板部位，避免造成面板底部及接縫處的滲漏。當(dāng)澆筑至頂層時(shí)，采用后退方式拖移澆筑管進(jìn)行人工掃平，澆筑層終凝后方可進(jìn)行上層的澆筑施工。

頂層泡沫混凝土澆筑完畢后，采用土工布保濕養(yǎng)生，同時(shí)禁止直接在泡沫混凝土表面進(jìn)行機(jī)械、車輛作業(yè)或堆壓雜物，路面施工必須在頂層泡沫輕質(zhì)土養(yǎng)護(hù)不少于28 d以后進(jìn)行(見(jiàn)圖5)。

4.2 工后沉降觀測(cè)

泡沫混凝土施工完成后，在左幅、右幅各布設(shè)1個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行為期一個(gè)月監(jiān)測(cè)，沉降數(shù)據(jù)見(jiàn)表9,表10。

表9 左幅沉降觀測(cè)記錄(高5 m～8 m) mm

從表9,表10可以看出，隨之時(shí)間延長(zhǎng)，無(wú)論左幅還是右幅，沉降量逐漸降低，填方高度越大，累計(jì)沉降量也越大，但工后一個(gè)月，建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，沉降量很小。建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土兼?zhèn)渫临|(zhì)路基及支擋防護(hù)作用，自重輕，大幅降低填土荷載，減少了洞背回填材料自身的滑動(dòng)力矩，提高其抗滑穩(wěn)定性，對(duì)外側(cè)無(wú)側(cè)向壓力，有效抑制了臺(tái)背和地基之間的不均勻沉降和側(cè)移，沉降量遠(yuǎn)低于一般填土臺(tái)背。同時(shí)建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低于一般回填材料，保溫性能良好，不易產(chǎn)生由溫度變化所引起的裂縫，提高路基路面構(gòu)造物的耐久性。

表10 右幅沉降觀測(cè)記錄(高2 m～3 m) mm

4.3 經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)分析表11,表12可以看出，建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土填筑成本為175.58元/m3，未篩分碎石填筑成本為192.97元/m3，每立方米成本約降低9.0%。建筑垃圾泡沫混凝土可使建筑垃圾資源化和無(wú)害化利用，且來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜，可以減少天然砂石料的使用，節(jié)約資源，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。此外，建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，荷載敏感性較低，有效緩解填筑材料自重及交通荷載對(duì)其產(chǎn)生沉降，從而提高路面結(jié)構(gòu)的耐久性及行車舒適性。

表11 每立方米建筑垃圾泡沫混凝土材料成本及機(jī)械費(fèi)用

表12 每立方米未篩分碎石材料成本及機(jī)械費(fèi)用(3 d施工完成)

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用建筑垃圾破碎成再生骨料用于涵洞洞背回填，按其顆粒尺寸分為0 mm～10 mm,10 mm～20 mm,20 mm～40 mm,40 mm～63 mm四檔，提出建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土骨料配比為：10 mm～20 mm占35%，20 mm～40 mm占45%，40 mm～63 mm占20%。

2)分別進(jìn)行泡沫膠凝材料組成和再生骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)、優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)，提出泡沫膠凝材料和建筑垃圾再生骨料混凝土的技術(shù)要求，確定泡沫膠凝材料組成為水泥∶水∶氣泡群=320∶192∶705，水膠比為0.6，再生骨料泡沫混凝土1 m3實(shí)驗(yàn)室配合比為建筑垃圾∶泡沫膠凝材料=1 400 kg∶349 L。

3)提出了建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土涵洞洞背回填的施工工藝流程，進(jìn)行工后沉降觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效抑制了臺(tái)背和地基之間的不均勻沉降和側(cè)移，其多孔結(jié)構(gòu)保溫性能良好，不易產(chǎn)生由溫度變化所引起的裂縫，提高路基路面構(gòu)造物的耐久性。