再生建筑垃圾路基填料長(zhǎng)期變形分析

為研究再生建筑垃圾填料的長(zhǎng)期變形特性，文章進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，旨在了解再生建筑垃圾填料的長(zhǎng)期變形規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理，為建筑垃圾路基的設(shè)計(jì)和施工提供參考。研究結(jié)果可為建筑廢物回收填料的應(yīng)用提供參考，有利于建筑廢物路基的推廣。

再生建筑垃圾；路基；填料；變形分析

U416.26A130414

作者簡(jiǎn)介：

盧安鞏（1987—），工程師，主要從事公路工程建設(shè)工作。

0 "引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，在施工和拆除過(guò)程中產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。大多數(shù)建筑廢物在沒(méi)有任何處理的情況下被運(yùn)到農(nóng)村或郊區(qū)，并儲(chǔ)存在露天或簡(jiǎn)單的垃圾填埋場(chǎng)。這種常規(guī)的處理方法不僅占用了大量耕地資源，而且造成了環(huán)境污染。

將建筑垃圾材料應(yīng)用于路基，既能減少環(huán)境污染，又能緩解道路材料短缺，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。然而，以往的研究主要集中在再生骨料的基本物理力學(xué)性能，并提出了再生骨料的生產(chǎn)和應(yīng)用指南［1］，針對(duì)路面性能的研究較少。由于再生骨料的性質(zhì)不同，且再生填料成分復(fù)雜，對(duì)路基施工后沉降難以進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制；除了隨時(shí)間變化的蠕變變形外，外界環(huán)境的變化很可能對(duì)建筑垃圾路基的長(zhǎng)期變形產(chǎn)生較大影響［2］，特別是水的浸泡會(huì)使顆粒發(fā)生潤(rùn)滑軟化作用。這些因素阻礙了回收建筑垃圾集料的應(yīng)用，研究回收建筑垃圾填料的長(zhǎng)期變形特性及機(jī)理是當(dāng)務(wù)之急。因此，本文通過(guò)長(zhǎng)期變形試驗(yàn)，旨在了解再生建筑垃圾填料的長(zhǎng)期變形規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理，為建筑垃圾路基的設(shè)計(jì)和施工提供參考，有利于建筑廢物路基的推廣。

1" 試驗(yàn)材料與方法

1.1" 材料

試驗(yàn)中使用的再生建筑垃圾填料是從材料現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)挖取的，再生的建筑垃圾混合料的成分如表1所示。再生磚約占總質(zhì)量的35%左右，再生混凝土約占40%，再生砂漿約占15%，其他組分約占10%。其他成分主要是泥土和不能分離的碎磚。

1.2" 試驗(yàn)方法

根據(jù)《交通運(yùn)輸工業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)》（JTG E40-2007）（以下簡(jiǎn)稱《工程標(biāo)準(zhǔn)》）［3］，回收建筑垃圾混合料按3層壓實(shí)。壓實(shí)后樣品內(nèi)徑15.2 cm、高12 cm、體積2 177 cm3。通過(guò)壓實(shí)試驗(yàn)得到含水率與干密度的關(guān)系，進(jìn)而得到最佳含水率和最大干密度。其中最佳含水率為11.1%，最大干密度為1.65 g/cm3。

1.3" 蠕變?cè)囼?yàn)方法

蠕變?cè)囼?yàn)操作如下：（1）將試樣放入鋼套中，向鋼套內(nèi)加水浸泡試樣；（2）48 h后，認(rèn)為試樣已飽和，然后安裝千分表記錄變形數(shù)據(jù)；（3）稱取所需的載荷并將載荷施加到裝載平臺(tái)上一次。

施加載荷后記錄瞬時(shí)變形，5 d內(nèi)記錄變形3次/d，5 d～3個(gè)月記錄1次/d，3～6個(gè)月記錄1次/周。為了保持試樣的飽和狀態(tài)，需要定期向鋼套內(nèi)加水。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 篩分試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范要求對(duì)干燥后的建筑垃圾樣品進(jìn)行篩分，精準(zhǔn)地稱量干燥的樣品，精確到0.5 g。將其放置在套篩的頂端，把套篩放進(jìn)振篩器中，振蕩大約10 min；接著將套篩拿出來(lái)，按照網(wǎng)眼尺寸的次序，逐一進(jìn)行手工篩選；直到每分鐘篩出的數(shù)量不會(huì)超過(guò)篩上殘留物的1%時(shí)，將已被篩出的粒子加入下一個(gè)篩子，與下一個(gè)篩子中的樣品一同過(guò)篩，如此反復(fù)，直到所有的篩子都被篩選完畢。結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，粒徑為2 mm的占比百分?jǐn)?shù)為4.2%，由此計(jì)算均勻系數(shù)Cu為4.2，曲率系數(shù)Cc為0.83。土工規(guī)范要求Cu＞5、Cc在1～3為級(jí)配良好；Cu反映了顆粒尺寸的分布，Cult;5即土壤均勻、級(jí)配差；Cc為累積曲線整體指標(biāo)，Cc＜1為級(jí)配不良好。壓實(shí)前建筑垃圾填料的Cult; 5、Cc＜1，這是由于粗顆粒含量較大，細(xì)顆粒含量太小，無(wú)法填滿粗顆粒之間的孔隙，導(dǎo)致孔隙率較大，因此混合料級(jí)配較差，不能滿足路基的要求，應(yīng)增加細(xì)顆粒含量。

因此將回收的建筑垃圾混合料進(jìn)行三層壓實(shí)，按上、中、下層進(jìn)行篩分。如圖1所示為壓實(shí)前后篩分試驗(yàn)的對(duì)比?；厥战ㄖ旌狭现蠧u、Cc含量增加，且下層指標(biāo)高于中層和上層；壓實(shí)后3層Cu均gt;5，Cc在1～3，級(jí)配良好，滿足路基填料的要求。

2.2" CBR

加州承載比（CBR）可以反映路基的抗變形能力。根據(jù)《工程標(biāo)準(zhǔn)》要求，進(jìn)行室內(nèi)CBR試驗(yàn)。根據(jù)壓實(shí)試驗(yàn)得到最佳含水率制備回收建筑垃圾混合料，并對(duì)樣品進(jìn)行3層壓實(shí)。將壓實(shí)后的試樣浸入水中四天四夜，測(cè)定溶脹量，并進(jìn)行了滲透試驗(yàn)。CBR試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。可以看出，回收建筑垃圾混合料的CBR值為97.66%，滿足路基要求，溶脹量可以忽略不計(jì)。

2.3" 蠕變?cè)囼?yàn)

為了研究飽和條件下路基的長(zhǎng)期變形特性，設(shè)計(jì)了可允許試樣長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中的固結(jié)蠕變儀（圖2）。該儀器由加載平臺(tái)、防傾裝置、承載板、鋼套、表盤、支架組成。為方便試驗(yàn)，試驗(yàn)直接使用重物進(jìn)行加載，設(shè)備均采用結(jié)構(gòu)鋼制作，以滿足試驗(yàn)加載的要求［4］。

根據(jù)路基的壓實(shí)情況，制備了試樣。建筑垃圾路基厚度為3.54 m，考慮5個(gè)荷載水平來(lái)模擬路基不同深度處的荷載，因此制備了5個(gè)樣品。根據(jù)鋪裝層重量計(jì)算一級(jí)荷載為38.59 kPa，其他各級(jí)荷載按回收混合料重量計(jì)算，如表4所示。

2.4" 蠕變?cè)囼?yàn)分析

本文進(jìn)行了約500 d的室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)，有助于揭示回收建筑垃圾填料的長(zhǎng)期變形機(jī)理。然后對(duì)試樣進(jìn)行卸載，得到加卸載曲線，如圖3所示。飽和條件下，試樣的蠕變類型為穩(wěn)定蠕變，蠕變變形隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸趨于穩(wěn)定。

加載后，試樣產(chǎn)生較大的瞬時(shí)變形。隨著荷載的增加，顆粒的破碎和填充程度增加，瞬時(shí)變形水平也更高。由圖3可知，不同荷載作用下瞬時(shí)應(yīng)變分別占總應(yīng)變的92.69%、88.65%、86.20%、83.25%、82.56%。瞬時(shí)應(yīng)變占比gt;80%。為了減少路基的沉降，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格檢查壓實(shí)情況，且需要準(zhǔn)備好施工材料。在進(jìn)行建筑垃圾填料填筑之前，需要對(duì)建筑垃圾填料的密度值和含水率進(jìn)行測(cè)試，只有建筑垃圾填料的含水率達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，才能夠確保建筑垃圾填料壓實(shí)度達(dá)到一定的密度值，從而降低路基蠕變變形。

建筑垃圾填料的蠕變變形包括減速蠕變階段和穩(wěn)定蠕變階段，這兩個(gè)階段的蠕變變形時(shí)間較長(zhǎng)。變形開始時(shí)，由于顆粒的破碎和孔隙的填充［5］，蠕變速率加快，混合物逐漸變得致密，蠕變速率變慢?；厥战ㄖ盍蠈儆诖止橇?，參照堆石料蠕變穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)回收建筑垃圾1 h的變形量≤0.000 1 mm時(shí)，蠕變達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。試件的蠕變穩(wěn)定時(shí)間分別約為40 h、40 h、42 h、180 h和200 h，隨著荷載的增加，不僅蠕變變形增加，達(dá)到蠕變穩(wěn)定的時(shí)間也更長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)建筑垃圾試樣卸載后變形的觀察，有助于深入分析其蠕變特性。如表5所示列出了蠕變?cè)囼?yàn)后不同類型變形占總變形的比例?？梢园l(fā)現(xiàn)，建筑垃圾填料的塑性變形約占總變形的95%，彈性變形所占比例較小，包括瞬時(shí)彈性變形和延遲彈性變形。建筑垃圾填料主要由再生混凝土、再生砂漿和再生磚組成?；厥盏墓橇舷嗷D壓產(chǎn)生應(yīng)力集中，顆粒的破碎引起不可逆變形。對(duì)卸載的樣品進(jìn)行篩分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)樣品粒徑在2～0.25 mm時(shí)，不同載荷下的篩分曲線變化很大。隨著荷載的增加，粒徑lt;2 mm的顆粒細(xì)度百分比顯著增加，即對(duì)于建筑垃圾填料來(lái)說(shuō)，顆粒的破碎和壓實(shí)是長(zhǎng)期變形的主要原因。細(xì)粉含量增加，蠕變?cè)囼?yàn)后填料仍滿足級(jí)配要求。

2.5" 現(xiàn)場(chǎng)沉降分析

現(xiàn)場(chǎng)沉降測(cè)量不僅便于深入分析和預(yù)測(cè)路基沉降，而且為建筑垃圾路基的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。沉降測(cè)量采用靜力水準(zhǔn)儀，分別放置在路基的上、下表面。對(duì)路基頂面和地基沉降分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)這兩個(gè)部分可以得到路基層的沉降量。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在路肩、車道和道路中心線，如圖4所示。這5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)完成了路基內(nèi)部長(zhǎng)期變形的測(cè)量。

現(xiàn)場(chǎng)沉降測(cè)量從路基完成時(shí)開始，測(cè)量結(jié)果如下頁(yè)圖5所示。在觀測(cè)期內(nèi)，路基不同部位的沉降量有所不同，但趨勢(shì)是相似的。左側(cè)車道的沉降量最大，最大累積沉降量為38.2 mm；右側(cè)路肩處的累計(jì)沉降量最小，為32.21 mm，最大差值為5.99 mm。因此，在寬度為34.5 m的路面上，沉降相對(duì)均勻。

建筑垃圾路基的沉降規(guī)律不同于其他填充物。由圖5可知，從觀測(cè)開始到2019年12月，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量分別為2.55 mm、3.05 mm、3.07 mm、3.01 mm、2.64 mm。2019年12月以后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量分別為34.07 mm、34.15 mm、33.37 mm、33.35 mm、29.57 mm，占整個(gè)監(jiān)測(cè)周期累計(jì)沉降量的93.04%、92.02%、91.58%、91.72%、91.80%，即道路的運(yùn)行對(duì)路基沉降有重要影響。剛開始時(shí)，沉降速度略有增加。2019年12月公路通車后，路基沉降急劇增加。因?yàn)楦咚傩旭傑囕v對(duì)填料產(chǎn)生動(dòng)態(tài)沖擊，在這種反復(fù)的荷載作用下，再生骨料相互摩擦，導(dǎo)致骨料破碎和不可逆的塑性變形；且路基的溫度和濕度的變化，如凍融循環(huán)和干濕循環(huán)，對(duì)填料有一定的影響。冬季沉降速率最高，因?yàn)橐归g溫度較低，白天路基暴露在陽(yáng)光下，填料會(huì)產(chǎn)生凍融循環(huán)破壞。

2.6" 微觀測(cè)試

對(duì)建筑垃圾填料在不同觀測(cè)時(shí)間段的微觀性能進(jìn)行研究。采用CT掃描對(duì)不同時(shí)間段下的建筑垃圾試樣進(jìn)行觀察，黑色部分代表填料的孔隙，灰白色為填料基質(zhì)。如圖6所示為不同時(shí)間段下孔隙的發(fā)育情況。隨著時(shí)間的增加，顆粒呈角狀破碎，破碎部分被填充在大孔隙中，以增加密實(shí)度。同時(shí)可以觀察到，隨觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，填料內(nèi)部孔隙率越少，顆粒間的接觸面積提高，連接性增強(qiáng)，這也進(jìn)一步解釋了，隨監(jiān)測(cè)時(shí)間增加，在受上部荷載及自重的影響下，填料內(nèi)部骨架較為密實(shí)，充分說(shuō)明了建筑垃圾用于路基的可行性。因此，建議在路基分層填筑壓實(shí)后，利用建筑垃圾填料，可以使路基初期沉降率較小。而在后期階段，填料受到溫度和濕度等外部環(huán)境的影響，沉降速度呈現(xiàn)周期性變化。破碎的顆粒填滿孔隙，填料變得更加致密。沉降速率的峰值減小，路基沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

3" 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，研究了再生建筑垃圾填料的長(zhǎng)期變形特性。主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)對(duì)再生建筑垃圾填料的擊實(shí)試驗(yàn)、篩分試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)，獲得了再生建筑廢棄物填料的基本物理力學(xué)指標(biāo)。壓實(shí)后的建筑垃圾填料級(jí)配良好，CBR值遠(yuǎn)高于路基要求。再生建筑垃圾混合料是一種很好的路基填料。

（2）在試驗(yàn)荷載作用下，蠕變類型為穩(wěn)定蠕變。瞬時(shí)變形占總變形量的80%以上，施工中應(yīng)嚴(yán)格檢查路基的壓實(shí)情況。隨著載荷的增大，蠕變穩(wěn)定時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，蠕變變形比例也隨之增大。建筑垃圾路基工后沉降不容忽視。蠕變?cè)囼?yàn)后，塑性變形約占總變形量的95%，粒徑lt;2 mm的顆粒細(xì)度明顯增加，顆粒的破碎和壓實(shí)是造成建筑垃圾填料長(zhǎng)期變形的主要原因。在做好路基填筑工作之后，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)的主要目的是對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核，做好對(duì)施工機(jī)械設(shè)備的準(zhǔn)備，對(duì)鋪料厚度和碾壓遍數(shù)以及含水率進(jìn)行試驗(yàn)，確保土方壓實(shí)工作能夠達(dá)到一定的效果。

（3）不同部位的路基沉降量均lt;40 mm，最大差值為5.99 mm。路基的沉降速度從路基的完成到路面的應(yīng)用都是緩慢的。道路運(yùn)行后，受車輛荷載、濕度、溫度等外界因素的影響，沉降率呈現(xiàn)周期性變化，沉降速率峰值逐漸減小，沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定。

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20231220