磚混固廢再生集料在城鎮(zhèn)道路路基及基層中的應用

姚宏波，袁靜，孫宏量，朱國逾，方啟祥，宣波灣

（1.浙江省建筑設計研究院，浙江 杭州 310012；2.杭州臨平城市建設集團有限公司，浙江 杭州 311100；3.浙江工業(yè)大學，浙江 杭州 310014；4.西城工程設計集團有限公司，浙江 杭州 310023）

0 引言

城鎮(zhèn)道路的修筑需要消耗大量性能適用的集料、水泥等建筑材料，但隨著環(huán)境保護力度的不斷加大，各地政府采取措施嚴格限制了采石場的范圍和數(shù)量，這使得工程的建筑材料的緊缺及成本上升。另一方面，隨著我國城市的有機更新，磚混老舊建筑拆除產(chǎn)生巨量的建筑固廢[1-2]，這些建筑固廢的成分主要包括碎石塊、混凝土塊、碎磚塊、廢砂漿以及少量的玻璃、木頭、塑料等雜質(zhì)[3]。國內(nèi)外相關研究表明[4-5]，再生磚混原料不同于混凝土材料，集料粒徑和強度均較低，造成磚混固廢大量廢棄，因此亟需找到大體量磚混固廢快速消納和資源化利用的途徑。

城鎮(zhèn)道路工程中路基、基層的結構強度要求較低，磚混固廢經(jīng)一定處理后即可應用。此外城鎮(zhèn)道路中集料應用量巨大，因此建筑固廢應用于城鎮(zhèn)道路中潛力巨大。目前，國內(nèi)外專家學者對再生磚混集料基本性能及磚混固廢再生集料用于路基中的使用性能研究比較深入。有研究表明[6-8]，磚含量對再生集料的性能有較大影響，隨著磚含量的增加，再生集料的表觀密度、壓碎指標降低，吸水率上升，最佳含水率增大，最大干密度減小，CBR值下降。張軍輝等[9]調(diào)研了國內(nèi)外磚混固廢應用于路基工程中的工程實例，實測數(shù)據(jù)表明，利用磚混固廢的路基回彈模量、彎沉、車轍和表面平整度等路用性能基本能滿足技術要求。但目前關于磚混固廢再生集料應用于基層中的研究仍較少。同時由于原料成分不穩(wěn)定、再生磚集料性能較低、缺乏配套應用標準等問題制約了磚混固廢再生集料在城鎮(zhèn)道路中的大量應用。

本文綜合分析了制約磚混固廢應用于城鎮(zhèn)道路的相關問題，并提出解決的思路。通過室內(nèi)試驗研究不同磚混比例再生集料的物理力學性能及不同級配組合磚混固廢再生水穩(wěn)基層材料的力學性能，并通過工程應用實測數(shù)據(jù)驗證其路用性能滿足設計及規(guī)范要求，為類似磚混固廢再生集料在城鎮(zhèn)道路中的應用推廣提供參考。

1 磚混固廢應用于城鎮(zhèn)道路中的問題及解決思路

1.1 原料成分不穩(wěn)定問題

磚混固廢存在原材料成分不穩(wěn)定問題，不同來源的建筑廢棄物原材料組成差異巨大，難以形成統(tǒng)一的產(chǎn)品標準，學者們對磚混固廢的研究也常僅限于某類特定磚混比例集料的性能研究，如吳超凡等[10]、余紅明等[11]對某類特定比例再生磚混集料應用于基層時水泥摻量、級配類型及壓實方法等對水穩(wěn)層力學性能的影響進行了研究，但不能充分反映不同集料成分對其性能影響，制約建筑廢棄物的大規(guī)模應用。

因此工程應用時應進行預分揀，將建筑固廢進行預處理，去除一些不宜利用的雜物，剩下以廢混凝土塊、廢磚塊為主的預處理料，將廢混凝土塊及廢磚塊進行分揀后再分別對其進行破碎、篩分得到成分較為均一的再生混凝土集料及再生磚集料，可有效解決磚混固廢原料成分不穩(wěn)定的問題，為大規(guī)模工程應用提供基礎。

1.2 再生磚集料性能較低導致大量滯銷問題

隨著建筑廢棄物資源化利用的不斷推廣，再生混凝土集料由于其較好的物理力學性能，可替代碎石，在工程中得到廣泛應用。但再生磚集料不同于混凝土材料，其集料粒徑和強度均較低。再生磚混原料大多用于路基填料等低層次產(chǎn)品，可消耗的再生原料數(shù)量有限，且降低了其利用價值。目前再生磚混集料在較高等級的水穩(wěn)基層中應用仍處于研究探索階段，磚含量對其性能影響仍需進一步研究分析，相關單位對其產(chǎn)品質(zhì)量仍存疑慮，間接導致大量磚集料的滯銷。

因此，本文通過室內(nèi)試驗研究了不同比例及級配組合磚混固廢的物理力學性能。同時提出工程應用時應采用差別化利用的解決思路，根據(jù)道路不同結構層的性能要求，選用不同磚混比例的再生集料。如路基層對填料的性能要求較低，可適當提高再生磚集料比例；水穩(wěn)基層對材料的性能要求較高，可摻入少量再生磚集料；路面層對材料力學性能及穩(wěn)定性要求較為嚴苛，再生磚集料應慎用。根據(jù)不同結構層的要求，通過限定不同磚含量的比例，可在保證質(zhì)量、安全等基本要求的前提下，最大限度利用建筑固廢，消除相關部門的擔憂。

1.3 工程案例較少及應用標準缺乏問題

目前，針對磚混固廢在城鎮(zhèn)道路中應用的技術規(guī)程相對滯后，僅出臺了道路用再生集料產(chǎn)品標準JC/T 2281—2014《道路用建筑垃圾再生集料無機混合料》，尚未形成磚混固廢再生集料城鎮(zhèn)道路應用的技術標準，且該產(chǎn)品標準對再生原料各個組分的含量規(guī)定較為嚴格，對應的再生產(chǎn)品面窄，缺乏對中低端再生產(chǎn)品指標、性能的規(guī)定，限制了磚混固廢再生集料的應用。目前磚混固廢再生集料現(xiàn)場應用案例較少，制約了應用技術標準的形成。

因此，本文通過工程應用實測分析，驗證磚混固廢再生集料路用性能滿足設計及規(guī)范要求，為磚混固廢再生集料在城鎮(zhèn)道路應用的標準編制提供支撐。

2 磚混固廢再生集料在城鎮(zhèn)道路中的試驗研究

針對上述提出問題及解決思路，本文采用預分揀和差別化利用的技術，將分揀得到的廢混凝土塊及廢磚塊分別進行破碎、篩分得到以混凝土為主的再生混凝土集料及以磚為主的再生磚集料。針對道路各層特性，提出在路基選用100%再生磚集料及50%再生混凝土+50%再生磚集料2組磚混比例的集料；在水泥穩(wěn)定碎石基層中分別摻入15%再生磚粗集料和15%再生磚細集料的應用方案。針對該應用方案首先開展一系列室內(nèi)試驗研究。

2.1 磚混固廢再生集料在路基中的試驗研究

對100%再生磚集料及50%再生混凝土集料+50%再生磚集料混合而成的集料進行顆粒級配、CBR試驗及擊實試驗。

2.1.1 顆粒級配

將再生集料進行初篩使其最大粒徑均能滿足路基填筑要求后，按不同比例進行配比，再對集料進行顆粒級配分析。路基填料的顆粒級配如圖1所示。

由圖1可見，50%再生混凝土集料+50%再生磚集料中31.5 mm以 上 顆 粒 占 比29.0%，4.75～31.5 mm顆 粒 占 比53.2%，4.75 mm以下顆粒占比17.8%。100%再生磚集料中31.5 mm以上顆粒占比5.4%，4.75～31.5 mm顆粒占比84.2%，4.75 mm以下顆粒占比10.4%。由于磚塊較混凝土塊更易破碎，破碎后50%再生混凝土集料+50%再生磚集料中31.5 mm以上顆粒占比較少，顆粒粒徑集中于4.75～31.5 mm。

路基填料的篩分試驗結果如表1所示。

表1 路基填料的篩分試驗結果

由表1可見，50%再生混凝土集料+50%再生磚集料與100%再生磚集料的不均勻系數(shù)Cu≥5、曲率系數(shù)Cc為1～3，表明2組集料均具有良好的級配，完全滿足路基填筑要求。

2.1.2CBR試驗

根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》進行CBR試驗，結果表明，50%再生混凝土集料+50%再生磚集料及100%再生磚集料的CBR值分別為130.2%、113.1%，遠大于CJJ 1—2008《城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》中路基填料CBR最小值8%的要求。

2.1.3 擊實試驗

根據(jù)JTG 3430—2020進行擊實試驗，2組集料分別配制5組不同含水率試樣進行最佳含水率試驗，結果如表2所示。

表2 路基填料的最佳含水率

由表2可見，50%再生混凝土集料+50%再生磚集料的最佳含水率為9.1%，最大干密度為1.91 g/cm3；100%再生磚集料的最佳含水率為12.3%，最大干密度為1.73 g/cm3。這是由于再生磚集料密度較小、吸水率高，當磚含量較多時再生磚混集料的最佳含水率較大而最大干密度較小。

2.2 磚混固廢再生集料在基層中的試驗研究

為使磚混固廢能更高效可靠地應用于道路基層中，將廢棄物初篩為混凝土塊和磚塊，再進一步將混凝土塊破碎后，篩分得到再生混凝土粗集料及再生混凝土細集料，再生混凝土粗集料以混凝土石及附著少量砂漿的混凝土石為主，再生混凝土細集料以廢棄砂漿為主；將磚塊破碎后進一步篩分得到再生磚粗集料及再生磚細集料。

首先分別對再生集料進行顆粒級配分析以及壓碎值試驗，再對分別在粗集料中和細集料中摻入15%再生磚集料（按占集料總質(zhì)量計）的再生水泥穩(wěn)定混合料進行7 d無側限抗壓強度及抗壓回彈模量測試。

2.2.1 再生集料的基本物理力學性能

顆粒級配：分別對篩分得到的再生混凝土粗集料、再生混凝土細集料、再生磚粗集料及再生磚細集料進行顆粒級配分析，結果如表3、表4所示。

表3 再生粗集料的顆粒級配

表4 再生細集料的顆粒級配

由表3、表4可知，本試驗中的再生混凝土集料和再生磚集料均為連續(xù)級配集料，有助于節(jié)約水泥，提高和易性。

壓碎值試驗：根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》進行粗集料壓碎值試驗，分別配制3組不同磚混比例的試樣進行測試，結果如圖2所示。

由圖2可見，隨著再生磚粗集料含量的增加，粗集料的壓碎值逐漸增大，100%再生混凝土粗集料及85%再生混凝土粗集料+15%再生磚粗集料的壓碎值分別為18.4%和23.3%，符合JTG F20—2015《公路路面基層施工技術細則》中高速公路和一級公路在重、中、輕交通荷載下基層壓碎值≤26%的要求；75%再生混凝土粗集料+25%再生磚粗集料的壓碎值為28.1%，符合JTG F20—2015中二級公路基層壓碎值≤30%的要求。

2.2.2 再生水泥穩(wěn)定混合料的力學性能

JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》要求，高速公路、一級公路的基層或上基層建議選用骨架密實型結構類型。因此，試驗用級配以JTG D50—2017中規(guī)定的骨架密實型混合料級配為目標級配。根據(jù)級配要求，設置2組集料類型，基層混合集料質(zhì)量占比如表5所示。

表5 基層混合集料的質(zhì)量占比

組合1中再生磚集料應用于粗集料中，再生磚粗集料占集料總質(zhì)量15%，即占粗集料質(zhì)量21.4%，再生混凝土粗集料占集料總質(zhì)量55%，再生混凝土細集料占集料總質(zhì)量30%；組合2中再生磚集料應用于細集料中，再生磚細集料占集料總質(zhì)量15%，即占細集料質(zhì)量50%，再生混凝土粗集料占集料總質(zhì)量70%，再生混凝土細集料占集料總質(zhì)量15%。2組混合集料合成級配如表6所示，其級配類型均符合JTG D50—2017中對骨架密實型的要求。

表6 混合集料的合成級配

按照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中T0843—2009方法采用靜壓方式成型φ100 mm×100 mm圓柱形試件用于7 d無側限抗壓強度，按T0808—1994方法測試90 d抗壓回彈模量，水泥摻量均為5%，混合集料的力學性能如表7所示。

表7 混合集料的力學性能

由表7可見：

（1）組合1、組合2混合集料的7 d無側限抗壓強度分別為5.12、5.61 MPa，均符合CJJ 169—2012《城鎮(zhèn)道路路面設計規(guī)范》中在特重交通荷載下基層強度為3.5~4.5 MPa的要求。組合2的7 d無側限抗壓強度較組合1提高了9.6%，表明當再生磚集料質(zhì)量占比均為15%時，再生磚集料應用于細集料中比再生磚集料應用于粗集料中水穩(wěn)混合料的強度更高，主要因為再生磚集料的強度低于再生混凝土集料，當磚集料應用于細集料中時，骨架密實型混合料強度主要由粗集料提供，細集料主要起到填充密實作用。因此當高等級道路對基層要求較高時，應盡可能使磚集料應用于細集料中。

（2）組合1、組合2混合集料的90 d抗壓回彈模量分別為1237、1363 MPa。組合2的抗壓回彈模量較組合1提高了10.2%，這主要由于再生磚集料的回彈模量小于再生混凝土集料，當再生磚集料應用于細集料時，骨架密實型混合料回彈模量主要取決于再生混凝土粗集料特性，故當再生磚集料占比相同時，再生磚集料應用于細集料中時再生水穩(wěn)混合料的抗壓回彈模量較大。

3 建筑廢棄物在城鎮(zhèn)道路的工程應用

本文以藕花洲大街東延工程為背景，對提出的磚混固廢再生集料在路基與基層的應用方案分別設置路基和基層試驗段，并對其路用性能進行檢測，驗證其路用性能滿足設計及規(guī)范要求，為類似工程磚混固廢再生集料利用提供借鑒。

3.1 工程概況

藕花洲大街東延工程位于浙江省杭州市臨平副城城東區(qū)塊，西起新顏路，東至臨東路，道路全長520 m，寬度為25 m，設計車速40 km/h。道路等級為城市次干路，道路結構自上而下為4 cm上面層+8 cm下面層+40 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+80 cm路基層，具體道路結構如圖3所示。本項目道路各結構層頂面設計彎沉值LR如表8所示。

表8 道路各層結構頂面設計彎沉要求

3.2 路基中應用實測結果

本項目在藕花州大街基層選取2段各30 m長路段進行試驗，路段1采用100%再生磚集料，路段2采用50%再生混凝土集料+50%再生磚集料。根據(jù)CJJ 194—2013《城市道路路基設計規(guī)范》要求進行路基分層填筑及壓實施工。施工完成后進行路基壓實度及路床頂面回彈模量測試。采用灌砂法對路基壓實度進行測試，根據(jù)JTG E60—2008《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》對2個試驗段路床頂面進行彎沉測試，結果如表9所示。

表9 路基壓實度及試驗段路床頂彎沉值與回彈模量

由表9可見，100%再生磚集料及50%再生混凝土集料+50%再生磚集料的混合集料填筑路基段的壓實度均滿足CJJ 194—2013中次干路路基壓實度大于94%的設計要求，回彈模量滿足路床頂面不小于50 MPa的設計要求。

3.3 基層中應用數(shù)值模擬分析

磚混固廢再生集料在工程中應用前，為分析其路用性能，在室內(nèi)試驗的基礎上，利用Midas GTX有限元軟件建立三維道路結構模型，模擬再生磚混集料水穩(wěn)基層在車輛荷載作用下，上述2組集料水穩(wěn)基層路面的豎向位移、面層底部拉應力、基層底部拉應力。三維有限元模型長度為8 m、寬度為5 m、厚度為3.32 m，有限元模型見圖4。結構層分布與本文提出的應用方案設計一致，各結構層材料均假設為彈性，組合1和組合2磚混集料再生基層的抗壓回彈模量參照表7，其余參數(shù)采用文獻[11]中的經(jīng)驗值，具體參數(shù)見表10。荷載采用BZZ-100 kN標準雙輪組，接地壓力為0.7 MPa，車輪荷載作用面等效為雙矩形加載面，假定為均勻分布。

表10 道路結構層參數(shù)

圖5為2組材料作為基層在標準荷載作用下的路面豎向位移云圖見圖5，拉應力云圖見圖6。

由圖5可見，相同車輛荷載作用下，組合1的路面豎向位移大于組合2；兩者路面豎向位移最大位移分別為0.113、0.110 mm。由圖6可見，組合1作為基層的道路面層底部最大拉應力為193.7 kPa，基層底部最大拉應力為11.6 kPa；組合2作為基層的道路面層底部最大拉應力為179.3 kPa，基層底部最大拉應力為12.8 kPa。

通過有限元數(shù)值分析表明，組合1及組合2再生集料應用于水穩(wěn)基層中時，道路路面豎向位移均能滿足藕花洲大街東延工程上層面頂彎沉值<3 mm的要求，可在工程中應用。

3.4 基層中應用實測結果

本項目在藕花州大街選取2段各30 m長路段進行基層填筑，路段1基層再生磚粗集料占集料總質(zhì)量的15%，再生混凝土粗集料占集料總質(zhì)量的55%，再生混凝土細集料占集料總質(zhì)量的30%；路段2再生磚細集料占集料總質(zhì)量的15%，再生混凝土細集料占集料總質(zhì)量的15%，再生混凝土粗集料占集料總質(zhì)量的70%。再生水泥穩(wěn)定基層材料采用攪拌站拌合，經(jīng)攤鋪機攤鋪均勻后，壓實機3次振動壓實，基層鋪設完成后灑水養(yǎng)護15 d。施工完成后進行基層壓實度及基層頂面回彈模量測試。采用灌砂法進行基層壓實度測試，采用貝克曼梁法進行基層頂面回彈彎沉值測試，結果如表11所示。

表11 現(xiàn)場基層壓實度及試驗段基層頂彎沉值與回彈模量

由表11可見，2組試驗段基層壓實度均符合CJJ 1—2008要求，路段1基層壓實度較路段2大。已有研究表明[10]，再生磚粗集料強度較低，在振動壓實過程中易被壓碎，從而使路段1的基層壓實度較路段2的大。2組試驗段平均彎沉值均滿足表8的要求。路段2實測抗壓回彈模量較路段1提高了21.4%。表明當再生磚集料比例相同情況下，再生磚集料應用于細集料中時其路用性能更優(yōu)。

4 結論

（1）當磚混固廢再生集料應用于路基時，選用100%再生磚集料及50%再生混凝土集料+50%再生磚集料2組磚混比例的再生集料性能均能符合CJJ 1—2008要求。因此，利用再生集料填筑路基時，可適當在再生集料中提高再生磚集料的比例。

（2）隨著再生磚含量的增加，再生集料最大干密度下降，最佳含水率增大，磚混固廢再生集料應用于路基填筑時可根據(jù)再生磚含量適當提高摻水量。

（3）隨著再生磚含量的增加，再生集料的壓碎值逐漸增大，但通過限制再生磚含量，仍可符合JTG F20—2015對壓碎值指標的要求。

（4）在再生水泥穩(wěn)定基層材料中摻入15%再生磚集料時，其物理力學性能可符合CJJ 169—2012、CJJ 1—2008等的要求。

（5）當采用骨架密實型水穩(wěn)基層時，將再生磚集料應用于細集料中較應用于粗集料中，其再生水泥穩(wěn)定混合料的7 d無側限抗壓強度及抗壓回彈模量更大，路用性能更優(yōu)，高等級道路對基層要求較高時，宜將再生磚集料應用于細集料中。