建筑垃圾應(yīng)用于城市路堤的可行性及力學(xué)性能分析

施戈亮 （湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰 442000）

1 引言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展和城市化步伐的加快，城市中大量的老舊建筑被拆除，產(chǎn)生大量的建筑廢棄物。我國建筑垃圾的產(chǎn)生量已占到城市固體廢棄物總量的30%～40%。拆除1m2的建筑物將產(chǎn)生0.5～1.0m2的建筑垃圾廢物[1]，每1萬m2的施工過程將產(chǎn)生500～600t 的建筑垃圾廢物。2013-2021 年期間，我國建筑垃圾廢物的平均年產(chǎn)生量約為23.6 億t[2]。建筑垃圾廢物主要由金屬、混凝土、灰漿、磚塊、木材和塑料組成。理論上，與其他類型的城市垃圾相比，建筑垃圾廢物具有很高的回收和經(jīng)濟(jì)價值，其中80%可以再利用。然而，迄今為止，中國生產(chǎn)的大部分建筑垃圾廢物都是通過簡單的填埋或傾倒來處理[3]。其中唐博[4]在調(diào)整建筑垃圾的含水量和顆粒級配的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度試驗，并發(fā)現(xiàn)將這些材料應(yīng)用于混凝土路面基層/底基層是可行的。李小龍[5]發(fā)現(xiàn)，用作底基層材料的回收拆建廢料的最佳含水量高于天然骨料。牟春龍等[6]評估了水泥處理的建筑垃圾廢骨料的無側(cè)限抗壓強度、靜態(tài)彈性模量和間接抗拉強度，并得出該材料用作道路基層時具有良好的力學(xué)性能。侯夢飛等[7]重點評估了使用建筑垃圾廢骨料作為瀝青混凝土底基層和基層的可行性。

以前的大多數(shù)研究都通過實驗室測試來分析建筑垃圾廢物的物理和機械性能，并證明其作為道路基層或底基層的可行性。迄今為止，關(guān)于建筑垃圾廢物用作城市道路路基材料的研究很少。此外，不同地區(qū)建筑垃圾廢棄物的力學(xué)性質(zhì)和工程特性不同，能否利用室內(nèi)試驗指導(dǎo)現(xiàn)場施工，尚需通過現(xiàn)場擊實試驗進(jìn)行驗證。本文結(jié)合某市東部的三環(huán)路項目，現(xiàn)場進(jìn)行壓實測試，以徹底評估建筑垃圾廢物作為城市道路路基材料的工程性質(zhì)。

2 工程概況

本研究中調(diào)查的拆建廢料來自某市東三環(huán)路中點附近的一個住宅拆遷點。最初估計拆建廢料的數(shù)量約為30 萬m3，長度約為700m。拆除后，拆建廢料表面的平均厚度約為3.0m。根據(jù)施工圖的設(shè)計要求，廢料處理區(qū)的道路設(shè)計為路堤結(jié)構(gòu)，填土高度為2.5～4.0m。為了減少環(huán)境污染和降低成本，本項目充分利用建筑垃圾廢料作為路堤填料。

3 結(jié)果與討論

3.1 無側(cè)限抗壓強度

為了分析建筑垃圾填充料現(xiàn)場壓實后路堤的整體穩(wěn)定性，進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強度試驗。本次試驗共選取6 個試件，每個試件尺寸為150mm×150mm。試驗時，填料含水率控制為最佳含水率（15.5%）。隨后將模型置于振動臺上進(jìn)行振動壓實，使最大干密度與現(xiàn)場碾壓后的最大干密度（1.81 g/cm3）一致。試件的壓實度控制在97%左右。最后，在恒定濕度條件下對成型試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。為了分析飽和水條件下路基的強度，在飽和狀態(tài)下進(jìn)行了同樣的試驗，具體試驗結(jié)果如表1所示。

表1 無側(cè)限抗壓強度

3.2 CBR試驗

CBR 試驗是一種應(yīng)用廣泛且適用于工程材料的滲透試驗方法。本文對壓實后的路堤填料進(jìn)行了CBR 試驗。壓實試驗分為三層，每層壓實98 次。CBR試驗是在試樣在水中浸泡4d 后進(jìn)行的，試驗結(jié)果匯總在表2 中?？梢钥闯?，當(dāng)貫入度為2.5mm 時，試樣1、2 和3 的CBR 值分別為38.6%、24.1%和41.4%。平均值為34.7%，貫入度為5.0mm 時，樣品平均值為43.0%。因此，建筑垃圾廢料強度填料符合《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2004）[8]的要求。

表2 CBR試驗結(jié)果

3.3 現(xiàn)場壓實試驗

對地基的壓實度進(jìn)行嚴(yán)格控制，對提高路基的整體強度與穩(wěn)定性具有十分重要的意義。壓實度應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，這是確保充分壓實和避免過度使用壓實能量的必要條件，以確保粒徑不會變得太小而無法實現(xiàn)連續(xù)級配或阻止填料的最終壓實度滿足要求。在現(xiàn)場壓實過程中，經(jīng)過一段時間的固化，使復(fù)合材料達(dá)到中等含水量，然后使用尖頭壓路機進(jìn)行壓實。先沿兩測再向中間進(jìn)行碾壓，碾壓速度控制在大約3km/h。車輪重疊0.4～0.5m、當(dāng)建筑垃圾被碾壓10次時，根據(jù)目視檢查，顆粒尺寸更大，如圖1（a）所示。垃圾碾壓18遍后，建筑垃圾粒徑小于3cm，如圖1（b）所示。確定了少量未破碎的鋼筋混凝土砌塊，并對其進(jìn)行了兩次平輪碾壓，路堤填料總共碾壓了20次，如圖1（c）所示。

圖1 碾壓后路基試驗段的變化

3.4 現(xiàn)場壓實和篩分試驗

第2～5 層骨料用于篩分試驗，每層填料均來自碾壓10～18 次的材料，測試結(jié)果如圖2 所示。可以看出，在不同碾壓次數(shù)下，四層填料的組成基本相同，粒徑為0.07～4.00mm，級配曲線一致，說明各粒徑組分的百分比相近。此外，振動碾壓過程中的建筑垃圾廢渣中含有破碎顆粒。隨著碾壓次數(shù)的增加，級配曲線逐漸變陡，晶粒直徑分布更加均勻。此時粒徑尺寸增加到1.1～1.3mm，說明建筑垃圾廢棄物中細(xì)小材料含量增加，路用性能提高。

圖2 級配曲線

3.5 建筑垃圾廢物的顆粒組成與壓實的關(guān)系

圖3為壓實度與拆建廢料顆粒組成之間的關(guān)系。當(dāng)壓實度低于88%，即在現(xiàn)有機械設(shè)備的作用下，碾壓次數(shù)少于13 次時，拆建廢料的顆粒組成變化不顯著。當(dāng)壓實度達(dá)到88%時，隨著碾壓次數(shù)的增加，顆粒組成發(fā)生變化，粗骨料被壓碎，細(xì)料含量顯著增加。

圖3 顆粒組成隨壓實度變化

上述現(xiàn)象主要是因為在低密實度下，建筑垃圾自身具有較大的孔徑，而孔隙體積的減少會導(dǎo)致建筑垃圾的壓縮；微粒自身的破裂和損壞不顯著。此外，當(dāng)壓實度較大時，隨著機械碾壓次數(shù)的增加，顆粒之間的接觸越來越緊密，粗骨料中的填料逐漸被破壞。

3.6 壓實度與含水量的關(guān)系

壓實度與含水量變化之間的關(guān)系如圖4 所示。由圖可知，當(dāng)含水量較低時，由于顆粒之間的摩擦較大，壓實度也較低。當(dāng)含水量在14.8%～16.0% 之間時，填料的壓實度在97%～99%之間，表明現(xiàn)場填料的最佳含水量為14.8%～16.0%，這也證實了實驗室試驗的正確性。當(dāng)含水量較高時，孔隙水會消耗部分壓實功，壓實效果也不明顯。

圖4 含水量變化

3.7 壓實度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系

圖5為壓實度與試驗路段碾壓次數(shù)之間的關(guān)系。第二層填料的厚度為30 cm，當(dāng)碾壓15～17 次時，壓實度仍然較小，機械力相對較弱，壓實效果不明顯。直到機器碾壓24 次才達(dá)到壓實要求。由此可知，這種方法效率低下，無法有效提高施工質(zhì)量。相同碾壓次數(shù)下，第3～6 層填料層的壓實度基本相同。在碾壓初期，填料的干密度迅速增加。例如，當(dāng)碾壓約10 次時，填料的壓實度約為78.5%；碾壓13次后，填料的壓實度提高到88%。然而，隨著碾壓次數(shù)的不斷增加，壓實度的增加速率有所下降。當(dāng)碾壓次數(shù)達(dá)到20 次時，填料的壓實度達(dá)到97%或以上；當(dāng)碾壓次數(shù)大于20 次時，壓實度沒有明顯變化。在實際施工條件下，間隔和壓實度要求不同，當(dāng)壓實度為93%時，可以滿足規(guī)范要求，此時的碾壓次數(shù)可以設(shè)置為15 次。如果壓實度要求為95%，則隨后可將碾壓次數(shù)設(shè)置為17 次。因此，在壓實機的情況下，合理控制碾壓次數(shù)具有重要的工程意義。

圖5 壓實次數(shù)與壓實度變化曲線

3.8 撓度變形和彈性模量分析

撓度和回彈模量是路基質(zhì)量評估的重要指標(biāo)。因此，在每層路堤最終填充后需進(jìn)行現(xiàn)場撓度試驗，并使用現(xiàn)場撓度試驗獲得的撓度值獲得回彈模量。路基回彈模量和撓度值的經(jīng)驗公式為：

式中：E′0為非負(fù)季節(jié)性回彈模量（MPa）；E0為彈性模量（MPa）；k1是季節(jié)影響系數(shù)。土基沉降的回歸方程和回彈模量為：

式中：l0為土基頂部彈性模量的計算值，為0.01mm。因此，可以使用式（3）來估算路堤的彈性模量：

圖6為第2～20 層的場撓度和彈性模量試驗結(jié)果。除第一層和第二層填料外（由于試驗厚度的變化而改變了結(jié)果），撓度值較大，彈性模量值較低，其余各層厚度均為20cm，試驗撓度值主要在 0.6～0.7mm 之間，平均值為0.66mm，變異系數(shù)為0.036，標(biāo)準(zhǔn)差為8.19。彈性模量主要在155～174MPa之間，平均為162.69MPa，變異系數(shù)為0.038，標(biāo)準(zhǔn)差為6.12，各試驗段施工中撓度值和彈性模量較為穩(wěn)定。另外，考慮到目前對于建筑垃圾作為路堤填料的應(yīng)用研究較少，沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可參考。與碎石填料的彈性模量相比，該方法可以滿足路基施工的要求。

圖6 撓度和彈性模量變化曲線

4 結(jié)論

室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)果表明，當(dāng)建筑垃圾的含水量控制在15%～16%，碾壓前后建筑垃圾的細(xì)料和粗料質(zhì)量比分別為0.328 和1.1～1.2 時，壓實效果最好。結(jié)果表明，經(jīng)過簡單處理后，細(xì)集料含量大幅度提高，路用性能得到改善。

試樣在最佳含水量下的無側(cè)限抗壓強度值在0.85～0.62MPa 之間，平均值為0.74MPa。試樣的平均CBR 值為34.7%，滿足路基平整度的要求。

隨著碾壓遍數(shù)的增加，路堤填料的壓實度逐漸增大，壓實速率在初期增大，后期逐漸減小。在松散層厚度為20 cm時，建議壓實遍數(shù)控制在15～20 遍，可滿足壓實要求。