建筑垃圾再生骨料工程特性分析*

楊軍強(qiáng)，孫 欣

(中鐵七局第三工程有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城鎮(zhèn)化覆蓋率已達(dá)60%[1]。城市基建中維護(hù)、拆除產(chǎn)生的廢磚、混凝土砌塊和礦渣等建筑廢棄物日益增加，據(jù)估算，我國建筑垃圾數(shù)量已占垃圾總量的40%[2]。一般情況下，未經(jīng)人工處理的建筑垃圾堆積在城市周邊的垃圾場或填埋場，在一定程度上占用了土地資源，嚴(yán)重污染了地面環(huán)境[3-5]。因此，結(jié)合國家可再生發(fā)展的理念，進(jìn)一步分析建筑垃圾作為路基填料在高速公路中的應(yīng)用具有重要意義。

建筑垃圾再生骨料目前以磚混類為主，雖存在整體強(qiáng)度偏低、粒徑變化大和級配差等缺陷[6]，但符合JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[7]對建筑材料的要求，當(dāng)前建筑垃圾再生利用的一種有效途徑是利用磚混類再生骨料制備無機(jī)混合料應(yīng)用于路基面層[8]。賈淑明等[9]以廢棄混凝土為原材料，用不同粗骨料取代率制作混凝土試塊，對其進(jìn)行坍落度測定和抗壓強(qiáng)度試驗，得出再生混凝土坍落度隨粗骨料替代率的增大而降低，替代率>70%時強(qiáng)度較降低明顯。蔣業(yè)浩等[10]通過改進(jìn)振動給料機(jī)底板的空腔形狀分布和空腔率等來提高再生骨料質(zhì)量。張博等[11]通過進(jìn)行再生骨料飽和面干狀態(tài)及氣干狀態(tài)下的壓碎值指標(biāo)試驗，得出再生骨料的壓碎值指標(biāo)高于天然骨料2.0～2.5倍，飽和面干狀態(tài)比氣干狀態(tài)的壓碎值指標(biāo)高7.22%～18.20%。周文娟等[12]研究了再生骨料組成對無機(jī)混合料力學(xué)及抗凍性能的影響，得出再生骨料無機(jī)混合料的回彈模量為2 775～3 375MPa，凍后殘留抗壓強(qiáng)度比最高可達(dá)88.4%。Bray等[13]通過現(xiàn)場動三軸直剪試驗研究了城市生活垃圾土的剪切性能，為城市建筑垃圾用作路基填筑提供參考。

建筑垃圾工程性質(zhì)差異極大，具有很強(qiáng)的材料變異性，須在充分了解建筑垃圾工程性質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過研究再生骨料液限、塑限、針片狀顆粒含量、壓碎值等基本物理性質(zhì)指標(biāo)，確定再生骨料作為路基填料的工程適用性。同時結(jié)合工程實(shí)例，在現(xiàn)場開展不同體積比下磚、混凝土和砂漿混合料壓碎指標(biāo)試驗，研究建筑垃圾填筑路基施工配合比控制參數(shù)，進(jìn)一步確定建筑垃圾的路用性能。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

建筑垃圾原材料再生骨料經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎而成。由于原材料取自拆遷場地，成分復(fù)雜，主要為碎磚、混凝土塊、廢棄砂漿、樁頭、廢金屬、木料及少量雜質(zhì)等。經(jīng)人工初篩、粗磨、剔除鋼筋和玻璃等雜質(zhì)，得到再生細(xì)骨料和再生粗骨料2種不同粒徑的試驗材料[14-15]。選取具有代表性的試樣，對再生骨料的物理性能指標(biāo)進(jìn)行測試，如表1所示。

表1 再生骨料基本物理性能指標(biāo)

本試驗采用的3種再生骨料外觀略扁平，形狀不規(guī)則，棱角較多，針片狀顆粒含量較高，表面多孔，密度較小，屬于質(zhì)輕多孔結(jié)構(gòu)。其中廢棄燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度等級經(jīng)測定為MU10～MU25，廢棄混凝土塊強(qiáng)度等級為C20～C30。

1.2 試驗方案

1.2.1標(biāo)準(zhǔn)液限、塑限試驗

測定顆粒粒徑≤4.75mm再生細(xì)骨料的液限、塑限。在4.75mm篩網(wǎng)下取≥600g有代表性的土壤樣品，分別放入3個盛土皿中，加入不同數(shù)量的純水。土壤樣品含水量控制在液限、略高于塑限或處于中間狀態(tài)。用土刀攪拌均勻，蓋上濕布，靜置18h以上；對于100g的錐體，測液限時入土體深度為20±0.2mm，測塑限時入土體深度應(yīng)<5mm。

1.2.2針片狀顆粒含量試驗

針片狀顆粒含量試驗?zāi)軠y定再生骨料中針片狀顆粒含量，分析不同形狀骨料的壓碎性能，評估再生骨料的路用性能。分別選取3種再生骨料和天然碎石骨料各約1kg的試樣，用4.75mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，稱取篩上部分試樣質(zhì)量m0。剔除接近立方體的骨料，用游標(biāo)卡尺測定粗骨料最大長度方向與最小厚度方向尺寸之比≥3的顆粒即為針片狀顆粒，稱取針片狀顆粒質(zhì)量m1，針片顆粒狀含量計算如下：

(1)

1.2.3壓碎值試驗

壓碎值可作為再生骨料抵抗壓碎能力的性能指標(biāo)。將一定質(zhì)量氣干狀態(tài)下粒徑10～20mm再生骨料裝入一定規(guī)格的圓筒中，在壓力機(jī)上施加200kN荷載。卸料后稱取試樣質(zhì)量m2，用2.50mm篩網(wǎng)篩去破碎后的細(xì)骨料，稱取篩余試樣質(zhì)量m3，壓碎值計算如下：

(2)

通過試驗得出各種單一骨料的壓碎值后，再收集粒徑5～25mm的磚塊、混凝土塊和砂漿作為混合料，測定干燥條件下壓碎值的變化。骨料強(qiáng)度用壓碎值表示，壓碎值越小，骨料強(qiáng)度越大。對天然骨料采用相同的試驗方法進(jìn)一步獲得對比效果。

1.2.4針片狀顆粒對再生骨料壓碎值的影響

考慮到實(shí)際工程中主要用于面層和其他層粗骨料的最大粒徑要求，選用10～15mm，15～20mm 2種粒徑級配的再生骨料混合料進(jìn)行試驗。通過選擇和添加針片狀顆粒，控制樣品中針片狀顆粒含量分別為0，25%，50%，75%，100%。測試壓碎值在200kN加載下的變化，每組進(jìn)行2次平行試驗。

2 試驗與結(jié)果分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)液限、塑限試驗

根據(jù)試驗得出顆粒粒徑≤4.75mm的再生細(xì)骨料液限ωL為25.4%，塑限ωP為20%，塑性指數(shù)IP為5.4，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 液限、塑限試驗結(jié)果

當(dāng)土中膠粒含量過少或砂粒含量過大時測定的液限、塑限指標(biāo)不能用來評價實(shí)際土樣，此時膠粒含量只占砂?？障兜囊恍〔糠?，而砂粒含量過多，進(jìn)行液限、塑限試驗會出現(xiàn)圖1所示表面泛水的“溢杯”液化現(xiàn)象，且圓錐落入土樣后長時間不穩(wěn)定，測得的液限偏大，造成實(shí)際結(jié)果偏離參考值。

圖1 “溢杯”液化現(xiàn)象

由表2可知，塑性指數(shù)IP<10，表明顆粒粒徑<4.75mm的建筑垃圾細(xì)骨料主要成分為砂粒和粉粒，屬于砂類土，具有內(nèi)摩擦角大、黏聚力較小、滲透性強(qiáng)等特點(diǎn)。在建筑垃圾再生骨料混合料中，粗、細(xì)骨料的功能相輔相成，粗骨料起骨架支撐作用，細(xì)骨料主要填充粗骨料間的縫隙，起到良好的穩(wěn)定和連接作用。當(dāng)粗、細(xì)骨料中粗骨料含量過多時，造成混合料中間形成大量空隙，細(xì)骨料則無法填滿，此時該結(jié)構(gòu)黏結(jié)力低、透氣性強(qiáng)、混合物干密度小。當(dāng)細(xì)骨料含量逐漸增加到一定程度時，混合料的干密度達(dá)到最大，此時混合料結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)為懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)，具有黏聚力高、內(nèi)摩擦角小、滲透性弱、強(qiáng)度和承載能力高等特點(diǎn)。

因此，顆粒粒徑<4.75mm的細(xì)骨料含量對混合料的結(jié)構(gòu)類型起關(guān)鍵作用，也是影響混合料干密度甚至強(qiáng)度的重要因素之一。確定建筑垃圾作為路基骨料的合理粒徑組成時，應(yīng)先確定細(xì)骨料含量。

2.2 針片狀顆粒含量

再生骨料與天然碎石骨料針片狀顆粒含量、表觀密度對比如圖2，3所示。

由圖2可知，天然骨料的針片狀顆粒含量遠(yuǎn)低于再生骨料，3種再生骨料的針片狀顆粒含量較接近且滿足規(guī)范值要求，其中混凝土再生骨料的針片狀顆粒含量最低。這是因為骨料的針片狀顆粒含量主要取決于破碎和骨料加工方式，再生骨料均來自同一加工廠，采用相同的破碎方法，因此3種骨料的針片狀顆粒含量相近。

由圖3可知，磚、砂漿、混凝土再生骨料的表觀密度遠(yuǎn)低于天然碎石骨料，這是由于再生骨料針片狀顆粒含量略高，表面水泥雜質(zhì)覆蓋率高所致。因此，再生骨料粒徑不均勻，其表觀密度與天然碎石有較大差異。與混凝土再生骨料相比，磚、砂漿再生骨料的壓碎值大，針片狀顆粒含量高，其表觀密度在再生骨料中也較小。

圖3 骨料表觀密度對比

2.3 壓碎值

各單一骨料及混合料壓碎值對比試驗結(jié)果如表3所示。

表3 各單一骨料及混合料壓碎值對比試驗結(jié)果

由表3可知，磚、砂漿的壓碎值遠(yuǎn)高于混凝土和天然骨料，主要因為建筑垃圾再生骨料的破碎與原材料強(qiáng)度密切相關(guān)，磚、砂漿再生骨料的原始強(qiáng)度低于混凝土和天然骨料，因此其壓碎值較高；同時，建筑垃圾再生骨料混合料的壓碎值與天然骨料相比沒有明顯降低，說明建筑垃圾混合料經(jīng)再加工后可作為路基骨料用于工程建設(shè)。

混凝土再生骨料壓碎值大于天然碎石的壓碎值，這主要是因為混凝土骨料表面的水泥雜質(zhì)附著力差且強(qiáng)度低?；炷猎偕橇吓c天然骨料相比表面裂縫較多，其次由于長期暴露在工作環(huán)境中，混凝土發(fā)生碳化，腐蝕性氣體的侵蝕導(dǎo)致其自身強(qiáng)度下降，黏結(jié)在表面的水泥砂漿材料在施力時易脫落。為保證混凝土再生骨料的工程適用性符合規(guī)范要求，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土再生骨料的生產(chǎn)水平，提高生產(chǎn)工藝。

2.4 針片狀顆粒含量對再生骨料壓碎值的影響

分別對粒徑10～15mm再生骨料(經(jīng)測定針片狀顆粒含量為16.8%，200kN荷載作用下的壓碎值為14.9%)，粒徑15～20mm再生骨料(經(jīng)測定針片狀顆粒含量為14.6%，200kN荷載作用下的壓碎值為13.7%)進(jìn)行試驗，結(jié)果如表4，5所示。再生粗骨料壓碎值與針片狀顆粒含量的關(guān)系如圖4所示。

表4 10～15mm再生骨料壓碎值試驗結(jié)果

表5 15～20mm再生骨料壓碎值試驗結(jié)果

圖4 再生粗骨料壓碎值與針片狀顆粒含量的關(guān)系

荷載施加較小時上部骨料比下部骨料破碎嚴(yán)重，上部骨料破碎導(dǎo)致應(yīng)力重分布，下部骨料因上部骨料尺寸變小，應(yīng)力增大而被壓碎，隨著荷載的增加上、下位置骨料破碎程度趨于一致。

由表4，5可知，對于粒徑10～15mm再生骨料，當(dāng)針片狀顆粒含量由16.8%變?yōu)?0(即將骨料中的針片狀顆粒剔除)時，對應(yīng)的壓碎值由14.9%變?yōu)?3.7%，減少了1.2%；對于粒徑15～20mm再生骨料，當(dāng)針片狀顆粒含量由 14.6%變?yōu)?時，對應(yīng)的壓碎值由 13.7%變?yōu)?2.8%，減少了0.9%；可見，壓碎值受骨料針片狀顆粒含量影響較大，消除針片狀顆粒的壓碎值小于不消除針片狀顆粒的壓碎值，主要原因是當(dāng)再生骨料中含針片狀顆粒時，易在混合料中形成簡支梁狀，而針片狀顆粒本身相對較弱，在壓力作用下易斷裂從而使壓碎值變大。

由圖4可知，10～15mm，15～20mm單一粒徑再生骨料的壓碎值均隨針片狀顆粒含量的增加而增大，針片狀顆粒含量相同時，粒徑15～20mm骨料壓碎值小于粒徑10～15mm骨料。因針片狀顆粒含量屬于試樣中的薄弱成分，當(dāng)針片狀顆粒含量增加時，再生骨料可導(dǎo)致建筑垃圾混合料孔隙率逐漸增大，針片狀顆粒隨荷載的施加被壓碎，且一部分針片狀顆粒類似尖劈使其他顆粒在較小作用下破壞，故壓碎值隨針片狀顆粒含量的增加而逐漸變大。

3 工程實(shí)例

3.1 工程背景

本試驗依托于西安外環(huán)高速南段LJ-7標(biāo)段，該標(biāo)段在路基處理與填筑中大量采用建筑垃圾再生骨料，主要來源為西安市城中村改造中產(chǎn)生的建筑垃圾。

3.2 現(xiàn)場碾壓

路面采用重型振動壓實(shí)機(jī)碾壓，若建筑垃圾骨料中強(qiáng)度較低的骨料比例過高，在碾壓過程中相當(dāng)部分的骨料會被壓碎、壓裂，造成路基中針片狀顆粒含量過大，最終導(dǎo)致路基整體強(qiáng)度降低發(fā)生破壞。

為進(jìn)一步了解不同骨料配合比對再生混合料壓碎值的影響，在現(xiàn)場通過人工分揀將磚、砂漿和混凝土塊3種再生骨料按一定比例混合后進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗，測試不同配合比下再生混合料的壓碎值，結(jié)果如表 6 所示。不同混凝土塊含量的再生骨料壓碎值如圖5所示。

表6 不同體積比建筑垃圾再生骨料壓碎值試驗結(jié)果

圖5 不同混凝土塊含量的再生骨料壓碎值

由圖5可知，建筑垃圾再生混合料的壓碎值隨著混凝土塊含量的增加呈下降趨勢，且當(dāng)混凝土塊摻量≥40% 時，再生混合料壓碎值下降速率陡增，強(qiáng)度改善明顯。說明混凝土塊的含量對于建筑垃圾再生混合料整體強(qiáng)度的提高具有明顯的貢獻(xiàn)。

3.3 工后質(zhì)量檢測

路基碾壓后通過貝克曼梁法彎沉試驗檢測路基壓實(shí)效果，評價路基的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。路基彎沉值檢測結(jié)果如表7所示。

表7 路基彎沉值檢測結(jié)果

由表7可知，該標(biāo)段路基彎沉值滿足路基底基層彎沉值≤2.3mm設(shè)計要求。故當(dāng)建筑垃圾混合料中各骨料成分配合比合理，尤其是混凝土摻量≥40%時，強(qiáng)度滿足路基結(jié)構(gòu)層對下層路基的整體要求，施工填筑效果也較好。

4 結(jié)語

1)建筑垃圾中細(xì)骨料特性屬于砂類土，小于4.75mm粒徑顆粒主要成分為沙粒和粉粒。同時粒徑小于4.75mm的細(xì)骨料是混合料中一種重要的骨料類型，它能夠加強(qiáng)材料成型后的強(qiáng)度和密度，是混合料的重要組成部分。

2)對3種骨料表觀密度差異對比，磚、砂漿骨料表觀密度與規(guī)范要求值相近，混凝土與天然碎石骨料表觀密度均大于2 500kg/m3的標(biāo)準(zhǔn)要求值。這是由于磚、砂漿骨料性能較差，同時與骨料含水率和表面雜質(zhì)含量高有關(guān)。

3)試驗中得到磚塊再生骨料的壓碎值為41.7%，砂漿再生骨料的壓碎值為39.1%，混凝土再生骨料的壓碎值為24.5%，天然碎石骨料的壓碎值為10.7%。根據(jù)道路規(guī)范要求骨料的壓碎值在40%以下才能使用，其中廢磚再生骨料的壓碎值超過了規(guī)范要求值，砂漿再生骨料的壓碎值與規(guī)范值接近，表明其強(qiáng)度較低、抗壓性能較弱，不能在工程中單獨(dú)使用。

4)針片狀顆粒對骨料壓碎值影響較大，剔除針片狀顆粒的混合料壓碎值下降約1.1%，且當(dāng)骨料針片狀顆粒含量與施加的荷載相同時，骨料壓碎值隨著粒徑的增大而減小。