建筑垃圾再生黏土磚骨料用于水泥穩(wěn)定碎石路面基層的可行性研究

作者簡(jiǎn)介：易 超（1989—），碩士，工程師，主要從事水務(wù)建設(shè)管理、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)工作。

摘要：為研究建筑垃圾再生黏土磚骨料在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用的可行性及其對(duì)力學(xué)性能的影響，文章通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，評(píng)估不同再生黏土磚骨料替代率對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)的影響，并與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：再生黏土磚細(xì)骨料替代率越高，水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低；隨著養(yǎng)生時(shí)間的變化，再生黏土磚細(xì)骨料對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響逐漸減小。

關(guān)鍵詞：道路工程；建筑垃圾再生；黏土磚骨料；水泥穩(wěn)定碎石；力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.214

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，建筑垃圾產(chǎn)生量也在逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的建筑垃圾總量已經(jīng)超過(guò)10×10⁹t，其中大部分被填埋或者直接傾倒于環(huán)境中。這不僅浪費(fèi)了寶貴的資源，而且對(duì)環(huán)境帶來(lái)了極大的危害與負(fù)擔(dān)^［1］。為了緩解這種局面，研究人員開(kāi)始不斷探索建筑垃圾的再生利用方法以減輕建筑垃圾對(duì)環(huán)境的影響^［2］。

目前，建筑垃圾再生材料已逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域的重要研究方向之一。再生黏土磚骨料作為一種新型再生材料，具有較好的環(huán)保性能、可塑性以及較低的生產(chǎn)成本等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用^［3］。然而，對(duì)于建筑垃圾再生黏土磚骨料在水泥穩(wěn)定碎石中的應(yīng)用研究還比較少。將建筑垃圾再生黏土磚骨料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石路面基層中，可以為建筑垃圾再生利用提供新的思路^［4］。水泥穩(wěn)定碎石是一種重要的路基材料，通過(guò)加入一定量的水泥和其他材料形成復(fù)合材料，具有較好的力學(xué)性能和耐久性，因此，在道路等工程中得到了廣泛的應(yīng)用^［5］。

本研究旨在探討建筑垃圾再生黏土磚骨料在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用的可行性及其對(duì)力學(xué)性能的影響。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，本研究將評(píng)估不同再生黏土磚骨料替代率對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)的影響，并與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

本研究所用水泥為快硬硅酸鹽水泥（P·O 42.5R），并測(cè)試其凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度，符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的規(guī)定。路面基層混合料中水泥用量定為5%。本研究中用于水泥穩(wěn)定碎石（CSM）的天然骨料類(lèi)型為破碎玄武巖骨料（BA）。建筑垃圾再生黏土磚（RCB）從某棚戶區(qū)拆遷現(xiàn)場(chǎng)的建筑垃圾中收集得到。首先對(duì)建筑垃圾進(jìn)行處理以清除廢電線、木框架、玻璃等雜物；其次，使用顎式破碎機(jī)將回收的廢黏土磚破碎成顆粒，最大尺寸控制在31.5 mm；最后對(duì)RCB骨料進(jìn)行清潔和篩分。不同骨料BA與RCB的表觀比重、吸水率、針片狀含量、壓碎值、液限和塑限指數(shù)等技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，符合《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《技術(shù)細(xì)則》）。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)和試件制備

水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配差異是影響其力學(xué)性能的一個(gè)主要原因。參考《技術(shù)細(xì)則》，基于工程經(jīng)驗(yàn)確定骨料級(jí)配范圍和CSM級(jí)配曲線，如下頁(yè)圖1所示?？紤]到RCB骨料具有吸水率高、密度低和顆粒軟等特點(diǎn)，分別用RCB細(xì)骨料按照0、20%、40%、50%、60%、80%6種比例替代BA細(xì)骨料，并將其命名為CSM-RCB、CSM-RCB20、CSM-RSB40、CSM-RCP50、CSM-RC60和CSM-RCB80。

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《試驗(yàn)規(guī)程》）中的C級(jí)重型壓實(shí)試驗(yàn)方法（T0804-1994），按照?qǐng)D1所示的骨料級(jí)配進(jìn)行6個(gè)含水量等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)試驗(yàn)。將骨料和水泥充分混合后，分三層倒入圓柱形壓實(shí)機(jī)中且每層擊實(shí)98次。根據(jù)得到的干密度和含水量結(jié)構(gòu)，使用二次多項(xiàng)式擬合方法便可確定不同RCB替代率下CSM的最佳含水量（OWC）和最大干密度（MDD），將結(jié)果匯總?cè)? 圖2所示。根據(jù)MDD和OWC結(jié)果，按照《試驗(yàn)規(guī)程》中的T0843-2009方法制備壓實(shí)度為98%的CSM圓柱形試件（?150 mm×150 mm），以測(cè)量無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)方法

1.3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《試驗(yàn)規(guī)程》中的T0805-1994方法，通過(guò)2 000 kN液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（如圖3所示），分別對(duì)養(yǎng)生7 d、28 d、90 d、180 d后的CSM圓柱形試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將CSM圓柱形試件和球形支座放置在垂直加載中心，并以1 mm/min的速度加載直到試件損壞，同時(shí)記錄其最大荷載（P_C）。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（R_C）可以通過(guò)公式（1）計(jì)算得到：

1.3.2 間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《試驗(yàn)規(guī)程》中的T0806-1994方法，使用如圖3所示的液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)養(yǎng)生90 d的CSM圓柱形試件進(jìn)行間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。將CSM圓柱形試件水平放置在夾具上，確保兩個(gè)板條放置在試件橫截面兩端，并垂直于液壓試驗(yàn)機(jī)的升降平臺(tái)，然后以1 mm/min的速度穩(wěn)定加載直到試件損壞。根據(jù)記錄的最大荷載（P_T），間接抗拉強(qiáng)度（R_T）可以通過(guò)式（2）計(jì)算得到：

2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 再生黏土磚骨料替代率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響分析

如圖4所示顯示了不同RCB替代率下CSM試件在不同養(yǎng)生時(shí)間的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)圖4結(jié)果來(lái)看，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（R_C）隨著RCB替代率的增加而降低，而R_C值隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加而增加。如圖4所示，在同一養(yǎng)生時(shí)間下，隨著RCB替代率的增加，各CSM試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。這是由于采用RCB骨料替代BA骨料，將在CSM-RCB 試件中的側(cè)面部位形成薄弱區(qū)域，從而使含有RCB骨料的CSM試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低。同時(shí)，CSM試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不僅與骨料的力學(xué)強(qiáng)度有關(guān)，還與界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)性能有關(guān)。在無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)過(guò)程中，CSM試件的破壞通常從混合料界面或結(jié)合面之間的過(guò)渡區(qū)開(kāi)始，骨料本身很少被壓碎。本研究中使用的RCB細(xì)骨料是通過(guò)建筑垃圾破碎產(chǎn)生，與天然BA骨料相比，RCB骨料的棱角性不明顯。因此，水泥砂漿形成的混合料界面過(guò)渡區(qū)咬合力會(huì)變?nèi)?，這將不利于含有RCB骨料的CSM試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著RCB替代率的增加，CSM試件內(nèi)部的這種弱界面過(guò)渡區(qū)也會(huì)相應(yīng)增加，因此，含有RCB骨料的CSM試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著RCB替代率的增加而降低。

2.2 養(yǎng)生時(shí)間對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響分析

如圖5所示為不同養(yǎng)生時(shí)間下CSM的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。值得注意的是，CSM-RCB試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律與不含RCB骨料的普通CSM-RCB試件相似，不同RCB替代率下CSM試件的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本相同。所有CSM試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)生7 d后急劇增加，然后從28 ～180 d，其增長(zhǎng)速度逐漸放緩。不同RCB替代率下的CSM試件的無(wú)側(cè)極限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度也不同。這可能是因?yàn)樗嗪退磻?yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物包裹了未水化的成分，導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)的趨勢(shì)放緩。總之，大多數(shù)CSM試件的早期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本上都是在養(yǎng)生7 d后形成，養(yǎng)生28 d的CSM試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到養(yǎng)生180 d的CSM試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的70%左右。這一結(jié)果表明，雖然RCB骨料對(duì)CSM試件的早期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定影響，然而RCB骨料對(duì)CSM試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響會(huì)隨著養(yǎng)生時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小。這是因?yàn)樵贑SM試件中RCB骨料具有的火山灰作用，通常發(fā)生在水泥水化反應(yīng)的后期，并且火山灰反應(yīng)速率慢于水化反應(yīng)速率。

2.3 基于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析

考慮養(yǎng)生時(shí)間和RCB骨料替代率，CSM試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以通過(guò)回歸方法進(jìn)行分析，從而確定其擬合方程為：無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度=2.886 1+1.240 9×ln（x）-0.015 9×y（R²=0.980 1），其中y為RCB替代率?；跓o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的擬合系數(shù)還表明，RCB骨料替代率對(duì)CSM試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有負(fù)面影響，但養(yǎng)生時(shí)間對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有積極影響。如圖6所示，比較了CSM試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值，基于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析可用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)。

3 間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖7所示給出了養(yǎng)生90 d時(shí)不同RCB替代率下CSM試件的間接拉伸強(qiáng)度性能試驗(yàn)結(jié)果及其變化情況。由圖7可知，隨著RCB替代率的增加，CSM試件的間接拉伸強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì)。顯然，當(dāng)RCB替代率從0變化到50%時(shí)，加入RCB骨料可以顯著提高CSM試件的間接拉伸強(qiáng)度；RCB替代率持續(xù)增加，但CSM試件的間接拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)變得緩慢，最后趨于穩(wěn)定。與不含RCB骨料的CSM試件相比，RCB替代率為20%至80%的CSM試件在養(yǎng)生90 d后，其間接拉伸強(qiáng)度分別提高了17.3%、35.3%、54.7%、60.4%和62.6%。此外，圖7的結(jié)果還清楚表明，CSM試件的間接拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)速度逐漸放緩。這一結(jié)果可歸因于火山灰反應(yīng)通常發(fā)生在水泥水化后，其反應(yīng)速度相對(duì)較慢，多發(fā)生在養(yǎng)生中后期。因此，在養(yǎng)生后期階段，即養(yǎng)生90 d，摻入RCB骨料的CSM的間接拉伸強(qiáng)度將進(jìn)一步提高。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑垃圾再生黏土磚骨料應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施水泥穩(wěn)定碎石路面基層中，為建筑垃圾的處理及再生利用提供了新的思路與解決方案。本研究通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，探討了建筑垃圾再生黏土磚骨料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層的可行性，并分析了不同再生黏土磚骨料替代率對(duì)其力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論如下：

（1）再生黏土磚細(xì)骨料替代率越高，水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低。隨著養(yǎng)生時(shí)間的變化，再生黏土磚細(xì)骨料對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響逐漸減小。

（2）再生黏土磚細(xì)骨料替代率越高，養(yǎng)生后期90 d時(shí)的水泥穩(wěn)定碎石的間接拉伸強(qiáng)度就越大。

（3）本研究結(jié)果表明，建筑垃圾再生黏土磚應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石中是可行的，并且由于火山灰反應(yīng)通常速度較慢，多發(fā)生在水泥水化后的養(yǎng)生中后期，可以進(jìn)一步提高水泥穩(wěn)定碎石的后期力學(xué)性能。

本研究對(duì)建筑垃圾再生黏土磚骨料在水泥穩(wěn)定碎石路面基層中的應(yīng)用具有重要的理論和工程意義，為再生黏土磚骨料在道路工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。因此，建議繼續(xù)推廣和應(yīng)用建筑垃圾再生黏土磚骨料，有助于解決建筑垃圾處理問(wèn)題，提高資源利用效率，并降低原材料成本，以實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

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收稿日期：2023-03-10