建筑廢棄物改良紅黏土填料的力學(xué)特性研究

陳向陽，王巖

（長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

回彈模量、破壞強度、永久變形作為表征路基穩(wěn)定性的重要力學(xué)指標，是研究人員關(guān)注的熱點。已有研究表明，路基土的回彈模量及破壞強度特性直接影響著路面結(jié)構(gòu)層疲勞開裂的預(yù)測與設(shè)計層厚的確定，而路基過大的永久變形更是路面車轍病害的重要誘因［1-4］。同時，國內(nèi)外諸多學(xué)者對路基土的力學(xué)指標展開了研究，發(fā)現(xiàn)土體類型、含水率、成形方法等因素對其自身力學(xué)指標有著不同程度的影響［5-6］。因此，從設(shè)計、施工和運營維護出發(fā)，研究路基土的力學(xué)指標對公路建設(shè)有十分重要的意義。

紅黏土在中國南方地區(qū)分布廣泛，隨著該地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，在筑路材料貧乏地區(qū)采用紅黏土作為路基填料是難以避免的［7］。然而，紅黏土是一種典型高塑性、高分散性的非飽和黏土，具有多裂隙、吸水膨脹、失水收縮等工程特性，這使得紅黏土路基在車輛荷載作用下出現(xiàn)不同程度的穩(wěn)定性衰退，從而給公路建設(shè)帶來極大危害［8-9］。為保障紅黏土路基在運營過程中的穩(wěn)定性，常用處置方法是添加外摻劑（如水泥、生石灰等）對紅黏土進行改良。但該種改良方法屬于化學(xué)改良，具有一定的時效性，對環(huán)境也存在不利影響。

綜上所述，本研究擬選用貴州省貴陽市某一級公路改擴建工程路段紅黏土作為試驗土樣，在保護環(huán)境和提高經(jīng)濟效率的前提下，選用沿線拆遷建筑廢棄物對紅黏土進行改良，從而達到抑制紅黏土的不良特性、提高其穩(wěn)定性的目的；再研究建筑廢棄物不同摻入率下混合土樣的基本物理性能指標；然后，通過回彈模量試驗、破壞強度試驗、永久變形試驗，定性、定量地分析建筑廢棄物摻入率及初始含水率對混合土樣回彈模量、破壞強度及永久變形終值的耦合影響；最后，基于該試驗結(jié)果，建立永久變形預(yù)估模型，以期為建筑廢棄物改良紅黏土在路基建設(shè)中的實際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用紅黏土取自貴州省貴陽市某一級公路改擴建工程路段，所用建筑廢棄物取自工程沿線房屋拆遷，其主要成分為混凝土、磚石和砂漿。依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）對紅黏土及處理（破碎、篩分、除雜）后的建筑廢棄物進行基本物理性能試驗，結(jié)果分別見表1～2。同時，為有效分析建筑廢棄物摻入率對紅黏土基本物理性能指標的影響，本研究設(shè)置6種摻入率（0%、10%、20%、30%、40%、50%）的混合土樣，進行基本物理性能試驗，結(jié)果如圖1所示。從圖1（a）～（b）可以看出，混合土樣的最佳含水率隨摻入率的提高而逐漸下降，而最大干密度隨摻入率的提高呈先增大后減小趨勢，當(dāng)摻入率為10%時達到峰值。從圖1（c）～（e）可以看出，混合土樣的塑限與建筑廢棄物摻入率成正相關(guān)，液限和塑性指數(shù)與其摻入率成負相關(guān)，且當(dāng)摻入率超過10%時，塑限增長速率陡然增大。這表明建筑廢棄物對紅黏土的改良是可行的。

圖1 基本物理性能試驗結(jié)果Fig.1 Test results of basic physical performance properties

表1 紅黏土基本物理性能指標Table 1 Basic physical properties of red clay

表2 建筑廢棄物基本物理性能指標Table 1 Basic physical properties of construction garbage

1.2 試驗方法

選用室內(nèi)承載板法，測定建筑廢棄物改良紅黏土的回彈模量。先烘干篩余紅黏土及建筑廢棄物，烘干溫度為105～110 ℃，烘干時間為24 h；再基于圖1的試驗結(jié)果，擊實制備摻入率分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%，初始含水率分別為最優(yōu)含水率wop、1.1wop、1.2wop的建筑廢棄物改良紅黏土；然后，對土件采用逐級加載卸載法，測定其在每級荷載下的回彈變形量；最后，基于3個平行試驗的平均值，確定土件回彈模量。

選用意大利Controls公司生產(chǎn)的Dynatriax100/14全自動三軸試驗系統(tǒng)，如圖2所示。測定建筑廢棄物改良紅黏土的破壞強度與永久變形終值。其中，土件摻入率分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%，初始含水率分別為1.0wop、1.1wop、1.2wop。在破壞強度試驗中，圍壓選取為28 kPa，加載應(yīng)變速率為0.02 mm/s。若土件在軸向應(yīng)變達到15%前發(fā)生破壞，則取其軸向應(yīng)力峰值點作為破壞強度。若土件在軸向應(yīng)變達到15%時仍未破壞，則以15%軸向應(yīng)變所對應(yīng)的軸向應(yīng)力作為破壞強度。在永久變形試驗中，圍壓取為28 kPa，偏應(yīng)力取為28 kPa，加載波形為半正弦波，頻率為1 Hz，加載時間為0.2 s，間歇時間為0.8 s，加載次數(shù)為10 000 次。

圖2 全自動三軸試驗系統(tǒng)Fig.2 Automatic triaxial test system

2 結(jié)果及分析

2.1 建筑廢棄物改良紅黏土的回彈模量

紅黏土具有吸水后軟化、剛度降低等特性，故在同一建筑廢棄物摻入率下，改良土件回彈模量受初始含水率的影響不可忽視?；貜椖Ａ颗c初始含水率的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可以看出，回彈模量隨初始含水率的增加而減小。以摻入率為20%工況為例，初始含水率分別為1.0wop、1.1wop、1.2wop的回彈模量依次為106、87、64 MPa，后兩者較與前者分別減小了17.9%和39.6%。這是由于土體干密度隨著初始含水率的增大而下降，當(dāng)顆粒間距增大，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。此外，在顆粒間結(jié)合水膜中，水分子數(shù)量的增長也促進了顆?；疲瑢?dǎo)致改良土件回彈模量的減小。

圖3 回彈模量隨建筑廢棄物摻入率變化Fig.3 The resilient modulus vary with incorporation ratios of construction waste

建筑廢棄物的摻入率由改良土件的干密度及顆粒組成，因此，摻入率是同一初始含水率下改良土件回彈模量的重要影響因素。回彈模量與摻入率的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可以看出，回彈模量隨摻入率的增大呈先增加后減小趨勢，且在摻入率為10%時達到峰值。以1.1wop工況為例，當(dāng)摻入率從0%增大至10%時，回彈模量增長21.2%；當(dāng)摻入率從10%增大至50%時，回彈模量相較于前者，分別減小15.1%、32.1%、54.8%、60.9%。這是由于適量建筑廢棄物的摻入可以提高土件顆粒間的嵌擠力，從而增強整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但隨著建筑廢棄物摻入率的進一步提高，土件內(nèi)部顆粒間距逐步增大，相應(yīng)土件孔隙率逐步提高，導(dǎo)致改良土件回彈模量的減小。

2.2 建筑廢棄物改良紅黏土的破壞強度

不同建筑廢棄物摻入率的改良土件在濕化作用下的破壞強度演變?nèi)鐖D4所示。從圖4可以看出，隨著含水率的逐步增大，土件破壞強度隨之減小。以摻入率為30%的工況為例，分析可知土件分別為1.0wop、1.1wop、1.2wop初始含水率下的破壞強度依次為359、315、261 kPa，后兩者較前者分別減小了12.3%、27.3%。從圖4可以看出，土件破壞強度隨摻入率的增加呈先增加后減小趨勢，且在摻入率為10%時達到峰值。以1.2wop工況為例，當(dāng)摻入率從0%增大至10%時，破壞強度增長12.3%；當(dāng)摻入率從10%增大至50%時，破壞強度相較于10%的分別減小25.4%、35.6%、49.9%、54.5%?？梢?，初始含水率、建筑廢棄物摻入率對改良土件的破壞強度有較大影響，現(xiàn)場施工中可通過調(diào)整初始含水率和建筑廢棄物的摻入率，有效提高改良土件的破壞強度。

圖4 破壞強度隨建筑廢棄物摻入率變化Fig.4 The failure strength vary with incorporation ratios of construction waste

2.3 建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形

不同建筑廢棄物摻入率改良土件在濕化作用下的永久變形終值演變?nèi)鐖D5～6所示。從圖5可以看出，在相同摻入率下，建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形終值隨初始含水率的增加而減小。以摻入率為10%的工況為例，當(dāng)初始含水率從1.0wop增長至1.1wop時，永久變形終值增大幅度為8.10%；當(dāng)初始含水率從1.1wop增長至1.2wop時，永久變形終值增大幅度迅速增長，增幅可達12.96%。這是由于初始含水率的增加，土件中產(chǎn)生了過多自由水，減弱了顆粒間的接觸力，并在剪切過程中，水起著潤滑作用，而初始含水率持續(xù)增加使得土體本身干密度下降，顆粒間摩阻力下降，導(dǎo)致永久變形終值增大。

圖5 永久變形隨建筑廢棄物摻入率變化Fig.5 Permanent deformation values vary with the confining pressure

從圖5還可以看出，建筑廢棄物改良紅黏土在相同含水率下，永久變形終值隨摻入率的增加先減小后增大。當(dāng)摻入率達到10%時，永久變形終值達到最小值。以最優(yōu)含水率wop工況為例，分析可知，0%、10%摻入率下的永久變形終值分別為1.34%和1.17%，后者較前者相比減小了12.69%。當(dāng)摻入率從10%分別增長至20%、30%、40%、50%時，其永久變形值分別為1.26%、1.37%、1.48%、1.51%，相較于摻入率為10%下的永久變形終值分別增大7.69%、17.09%、26.50%、29.06%。其中，當(dāng)摻入率大于30%后，建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形終值大于純紅黏土的。這是由于摻入紅黏土中的不規(guī)則建筑廢棄物構(gòu)成了受力骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)摻入率為10%時，混合土件內(nèi)部結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。這是因為永久變形終值在摻入率為10%時達到谷值，隨著建筑廢棄物摻入率的持續(xù)增高，其紅黏土顆粒含量逐漸降低，導(dǎo)致其內(nèi)部黏聚力下降，摩阻力上升。當(dāng)建筑廢棄物含量增長所帶來的摩阻力小于紅黏土含量減小所失去的黏聚力時，其宏觀表現(xiàn)為永久變形終值逐漸增長。

建筑廢棄物改良紅黏土在摻入率為10%、初始含水率為最優(yōu)含水率條件下的永久變形與循環(huán)加載次數(shù)關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可以看出，永久變形在加載前期迅速增加，在前2 000次加載過程中，永久變形值從0.00%增大至0.85%，增長幅度達最終變形值的73.00%。隨著加載永久變形累積增大速率逐漸降低，其在9 000次至10 000次的加載過程中永久變形值僅從1.14%增大至1.17%，變形逐漸趨于定值。這是由于試件內(nèi)部孔隙隨著加載次數(shù)的增加而不斷緊密，從而增強了試件內(nèi)部對加載應(yīng)力的承載能力。WANG等［10］在研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的永久變形與循環(huán)荷載次數(shù)之間的規(guī)律。

圖6 永久變形與循環(huán)加載次數(shù)之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between permanent deformation and the number of loading cycles

3 永久變形預(yù)估模型的建立及驗證

在道路運營期間，相較于回彈模量、破壞強度等力學(xué)特性而言，路基的永久變形難以定值。因此，有必要建立一種簡單、有效的路基永久變形的有效定值方法。室內(nèi)三軸試驗是一種普遍認可的測定永久變形的方法。考慮到三軸試驗的成本較高，耗時較長，需專業(yè)人員操作，本研究通過建立一個精確、快速的預(yù)估方法，獲得建筑廢棄物改良紅黏土在循環(huán)荷載作用下的永久變形值。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對路基土永久變形預(yù)估通常采用兩種方法：① 建立本構(gòu)模型。模擬每一個循環(huán)過程，從而精確獲得每一次加載后的永久變形值，但該方法在計算過程中需要記憶每一循環(huán)過程所產(chǎn)生的屈服面，其計算量較大，不利于在工程中普遍推廣。② 經(jīng)驗擬合法。通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，建立永久變形與不同因素的擬合關(guān)系方程式，從而得到不同條件下的永久變形值。與方法一相比，該方法的精確度略低，但計算簡便、方便應(yīng)用。因此，本研究應(yīng)用方法二預(yù)估建筑廢棄物改良紅黏土在循環(huán)荷載作用下的永久變形值。

建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形與建筑廢棄物的摻入率、初始含水率、循環(huán)荷載次數(shù)均顯著相關(guān)。因此，本研究基于永久變形試驗結(jié)果，建立了一個考慮建筑廢棄物摻入率、初始含水率、循環(huán)荷載次數(shù)對永久變形耦合影響的永久變形預(yù)估模型，見式（1），模型參數(shù)及擬合優(yōu)度R2見表3。為驗證本研究所建模型的合理性與適用性，選用建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形試驗數(shù)據(jù)（表4）代入新模型進行擬合。其中，以永久變形實測值為橫坐標，預(yù)估值為縱坐標，繪制魯棒性驗證散點圖，如圖7所示。

圖7 新模型驗證結(jié)果Fig.7 New model validation results

表3 新建模型擬合結(jié)果Table 3 New model fitting results

式中：εp為永久變形；λs為建筑廢棄物摻入率；ωini為初始含水率；N為循環(huán)加載次數(shù)；α1、α2、α3、α4、α5、α6為模型參數(shù)。

從圖7可以看出，大部分散點集中分布在直線y=x周圍。因此，新建模型所得永久變形預(yù)估值具有較強的代表性，可滿足一般工程需要。

4 結(jié)論

1） 回彈模量隨初始含水率的增加而減小，隨摻入率的增大呈先增加后減小趨勢，且在摻入率為10%時達到峰值。此外，回彈模量在低摻入率時對初始含水率的變化較為敏感。

2） 破壞強度隨初始含水率的增加而減小，隨摻入率的增大呈先增加后減小趨勢，且初始含水率對建筑廢棄物改良紅黏土破壞強度的影響程度隨摻入率的增大而逐漸遞減。因此，在施工過程中，通過調(diào)整初始含水率和建筑廢棄物的摻入率，可有效提高其破壞強度。

3） 永久變形終值隨初始含水率的增加而增大，隨摻入率的增大呈先減小后增大趨勢。其中，在10%的摻入率時永久變形終值達到谷值點，且當(dāng)摻入率大于30%后，建筑廢棄物改良紅黏土的永久變形終值大于純紅黏土的。此外，永久變形在加載前期迅速增加，隨著加載過程的持續(xù)推進，試件永久變形累積速率逐漸降低，其變形逐漸趨于定值。其中，建筑廢棄物改良紅黏土在加載前期的變形量可達總變形量的70%以上。

4） 基于永久變形試驗結(jié)果，建立考慮建筑廢棄物的摻入率、初始含水率、循環(huán)荷載次數(shù)對永久變形耦合影響的永久變形預(yù)估模型，并對其進行驗證。該模型形式簡單，為建筑廢棄物改良紅黏土的實際工程應(yīng)用提供了參考。