建筑固廢物再生粒料基層混合料的永久變形特性研究

黎小華， 肖杰， 吳超凡， 楊敏， 張繼森

(1.資興市農村公路建設管理站， 湖南 資興 423400； 2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114；3.湖南省建筑固廢物資源化利用工程技術研究中心，湖南 長沙 410021；4.湖南云中再生科技股份有限公司，湖南 長沙 410021；5.江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330052)

隨著中國基礎建設及城市化的快速發(fā)展，每年產生的建筑固廢物數(shù)量巨大。以往，采用常規(guī)簡單粗放的集中堆放或填埋方式進行處理，導致社會與環(huán)保問題日益嚴峻[1-2]。建筑固廢物的主要成分是廢棄混凝土、磚、砂漿及少量鐵、玻璃、木屑與塑料等雜質。通過一系列分揀、破碎等方式將建筑固廢物變?yōu)榭衫玫脑偕?，作為粒料材料用作路面基層是其再生利用的一種有效途徑。

關于再生集料用作路面粒料基層已有大量學者[3-9]進行過物理力學性能研究，但根據(jù)路面粒料基層的實際受力狀態(tài)，考慮圍壓、應力比與含水率等因素對建筑固廢物再生集料變形性能的影響研究還很少。該文基于路面粒料基層的受力特性，通過逐級加載三軸試驗研究圍壓、應力比、含水率對再生混凝土(RCA)、再生磚與混凝土(RBCA)和天然集料(NA)混合料變形的影響，開展不同應力比的3種混合料動三軸試驗，研究各混合料的永久變形特性。

1 試驗用原材料

原材料共3種，分別為NA、RCA以及RBCA。NA為天然石灰?guī)r。RCA為廢舊混凝土塊。RBCA含RCA、磚渣及少量陶渣和玻璃渣等，其中磚渣約占30%(質量百分比，下同)，陶渣、玻璃渣等含量不足0.5%。3種粗集料物理力學性質見表1。NA、RCA和RBCA細集料的表觀密度分別為2.501、2.250和1.874 kg/m3，吸水率分別為3.50%、8.99%和10.21%，塑性指數(shù)分別為7.6、7.9和7.3。

表1 粗集料性質

NA、RCA和RBCA 3種粒料混合料級配均采用JTG/T F20—2015中表4.5.8推薦的G-A-3級配范圍的中值。為使混合料集料的級配一致，將3種集料分別過26.5、19.0、9.5、4.75、2.36、0.6和0.075 mm篩，分成7檔料備用。

采用重型擊實法確定粒料混合料的最大干密度與最佳含水率(OMC)，NA混合料為2.28 g/cm3和5.7%、RCA混合料為2.01 g/cm3和11.16%、RBCA混合料為1.84 g/cm3和12.7%。

2 永久變形試驗方案設計

2.1 永久變形影響因素試驗

已有研究表明[9]：粒料基層內的典型應力水平σ1和σ3分別為100～250 kPa和0～100 kPa，主應力比σ1/σ3為1.2～7.9，主要分布在1.4～5.1。根據(jù)粒料基層所處的應力狀態(tài)，該文選用30、50和70 kPa 3個較典型的圍壓作為試驗圍壓。試樣尺寸為直徑100 mm、高200 mm，采用動三軸試驗儀進行循環(huán)加載，加載波形為間斷半正弦偏應力波，頻率1 Hz，持續(xù)加載0.1 s，間隔0.9 s。在最佳含水率和98%壓實度條件下制備3種粒料混合料的三軸試樣。

試樣采用靜壓法成型，尺寸為φ100 mm×200 mm。先按預定含水率加水，將集料攪拌均勻后燜料2 h；在對開圓形鋼模的內壁套一層厚乳膠薄膜，將混合料均分5次分別裝入壓實，再靜壓3 h；拆開模具，取試件立即試驗。

圍壓、含水率與主應力比對變形影響因素試驗采用逐級加載序列，即動應力由小到大依次加載，加載等級設置為12級，如表2所示。每種σ3作用下循環(huán)加載200次。

表2 混合料逐級加載序列

2.2 永久變形試驗

試驗設備、加載形式與制樣條件同2.1節(jié)。7種圍壓(kPa)/應力比分別為30/2.0、30/3.0、50/4.0、50/5.0、50/5.5、70/6.0和70/6.5。NA、RCA和RBCA混合料試件在確定的圍壓/應力比下加載10 000次。

3 試驗結果與分析

3.1 變形影響因素

3.1.1 圍壓對變形的影響

圖1為98%壓實度與OMC條件，不同圍壓3種粒料混合料豎向變形與加載次數(shù)的關系圖。

圖1 豎向變形與逐級加載作用次數(shù)的關系圖

由圖1可知：σ3越大，3種粒料混合料的豎向變形均顯著減小，說明σ3在抵抗變形中起著十分重要的作用，其值越大限制作用越強；σ3相同，主應力比最大時，RBCA的豎向變形最大、RCA的次之、NA的最小，這可能是試樣的初始密度越大，其抵抗變形的能力越強，豎向變形越??；隨應力比的增大，連續(xù)加載后期RBCA的變形速率增速最快、RCA次之、NA最慢，這可能是因高應力比條件下，磚渣表面棱角最易破壞、舊混凝土次之、新集料最強，導致集料間嵌擠作用依次增強。

3.1.2 含水率對變形的影響

圖2為98%壓實度、含水率(OMC±2%)及σ3=50 kPa下，3種粒料混合料豎向變形與逐級加載次數(shù)的關系圖。最佳含水率混合料的豎向變形與加載次數(shù)的變化關系見圖1(b)。

圖2 不同含水率下豎向變形與逐級加載次數(shù)的關系圖

由圖2與圖1(b)可知：含水率為OMC與OMC-2%時，試驗結束時3種粒料混合料豎向變形均為RBCA最大、RCA次之、NA的最小；含水率為OMC+2%時，前期3種粒料混合料豎向變形相差不大，后期(6級加載后)NA的豎向變形顯著增大，遠比RBCA與RCA的大，說明3種粒料混合料豎向變形隨含水率的增加而增大，降低了混合料的抗變形能力；OMC+2%含水率時， NA豎向變形比RBCA與RCA的變化更明顯，究其原因是：含水率增大，混合料顆粒間更易滑動，永久變形量增大，但與NA相比，RCA中有舊混凝土及砂漿塊，另RBCA中還含磚塊，這些集料表面更粗糙且孔隙多，吸水能力更強，當含水率大于OMC后，再增加2%，NA中自由水遠大于RCA與RBCA粒料混合料，導致動水壓力增大，顆粒間較易滑動，導致抗剪強度衰減明顯，豎向變形增大顯著。這點由RCA與RBCA粒料混合料的OMC分別為11.16%和12.7%遠大于 NA混合料的5.7%也可間接地獲得。

3.1.3 主應力比對變形的影響

圖3為98%壓實度與最佳含水率條件下，圍壓為50 kPa時不同應力比的豎向變形與加載次數(shù)的關系圖。

圖3 圍壓50 kPa下不同應力比豎向變形與加載次數(shù)的關系圖

由圖3可知：同一圍壓下，不同混合料豎向變形均隨主應力比的增大而增大，且應力比越大，豎向變形速率越顯著；主應力比小時，豎向變形由大到小依次為RBCA、NA和RCA，隨主應力的增加，該次序變?yōu)镽BCA、RCA和NA，其原因是主應力比小時，集料間嵌擠作用為RCA最強、NA次之，RBCA最小，隨主應力比的增大，RCA集料表面棱角破壞，抵抗力減弱或消失，而RBCA集料因含低強度的磚渣，易于壓碎，該作用衰減更顯著，此時NA的豎向變形量最小。

3.2 永久變形特性

3.2.1 10 000次重復加載試驗

圖4為重復加載10 000次不同混合料各圍壓/應力比下的豎向變形與加載次數(shù)的關系圖。

從圖4可知：加載10 000次，3種粒料混合料的豎向變形均小于1.70 mm；加載初期，變形量變化大，隨加載次數(shù)的增加，變形速率逐漸減小；小圍壓、低主應力比時，豎向變形為NA最大、RBCA次之、RCA最小，這可能是因小圍壓、低應力比條件下，RCA集料表面粗糙，集料間嵌擠能力強，RBCA中磚渣棱角性稍差，而NA集料表面光滑易發(fā)生相對滑動；但大圍壓、高主應力比時，NA的豎向位移最小，RBCA與RCA相差不大，這可能是因高應力比作用下，RCA與RBCA中舊混凝土或磚渣集料表面棱角已破壞且自身強度比NA集料差導致的。因此，實際應用中，應根據(jù)使用層位及交通荷載大小合理確定建筑固廢物再生集料混合料中舊混凝土或磚的摻量。

圖4 豎向變形與加載次數(shù)的關系圖

3.2.2 永久變形擬合模型

由于試驗的最大加載次數(shù)只有10 000次，遠比路面結構層承受的荷載作用次數(shù)小。為此，采用數(shù)學統(tǒng)計回歸法將試驗曲線外延，探討不同應力條件下的永久變形發(fā)展趨勢。該文采用Paute等[10]提出的粒料材料的永久應變隨荷載作用次數(shù)的變化模型，公式如下：

εp=ANB+C

(1)

式中：N為荷載作用次數(shù)；εp為應變；A、B、C為與應力比和材料性質有關的參數(shù)。

將圖4變形量除以試樣高度換算成應變，再根據(jù)式(1)，利用Origin軟件分別對結果進行擬合(表3)。由表3可知：曲線的擬合相關性較高，最小為0.90，表明RCA、RBCA與NA粒料混合料的永久應變均符合指數(shù)模型，可用該模型對變形結果進行擬合。

表3 圍壓/主應力比下混合料的曲線擬合結果

續(xù)表3

4 結論

(1) 圍壓越大，限制抵抗變形的作用越強；圍壓一致時，各粒料混合料的變形量及變形速率隨主應力比的增大而增大，且豎向變形隨含水率的增大而變大。

(2) 加載初期，變形量變化大，隨加載次數(shù)的增加，變形速率逐漸減?。恍鷫?、低主應力比時，永久變形為NA最大、RBCA次之、RCA最小；但大圍壓、高主應力比時，NA的永久變形最小，RBCA與RCA相差不大。

(3) RCA、RBCA與NA粒料混合料的永久變形均符合指數(shù)模型。

(4) 實際應用中，應根據(jù)使用層位及交通荷載大小合理確定建筑固廢物再生集料混合料中舊混凝土或磚的摻量。