建筑拆除垃圾再生骨料的抗剪強(qiáng)度測(cè)試研究

摘 要：本文以某房建拆除工程產(chǎn)生的建筑垃圾再生混凝土骨料和再生磚骨料為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試了其基本物理特性和抗剪強(qiáng)度。結(jié)果表明，受生產(chǎn)工藝及原料性質(zhì)影響，該拆除現(xiàn)場(chǎng)建筑垃圾生產(chǎn)的再生骨料級(jí)配較差，表觀密度未達(dá)到規(guī)范要求，再生混凝土骨料強(qiáng)度高于再生磚骨料，剪切過(guò)程中的顆粒破碎、重組等因素是造成剪切位移—剪應(yīng)力曲線跳躍的主要原因，再生混凝土骨料和再生磚骨料的黏聚力分別為250.03kPa、238.74 kPa，內(nèi)摩擦角分別為39.99°、30.09°。相關(guān)研究成果可為工程現(xiàn)場(chǎng)建筑垃圾的資源化處置提供參考。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾；再生混凝土骨料；再生磚骨料；抗剪強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 50" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑垃圾年產(chǎn)量超20億t[1]，其中，拆除垃圾占比超過(guò)50%[2]。目前我國(guó)建筑垃圾資源化利用率不足10%[3]，仍以填埋消納處置為主，不僅對(duì)環(huán)境影響巨大且易造成資源浪費(fèi)。

建筑垃圾中的混凝土塊、磚塊等經(jīng)處理后可循環(huán)利用，李芳軍[4]研究了水灰比和骨料粒徑對(duì)再生磚混透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響，結(jié)果表明，骨料粒徑為4.75～9.5mm和9.5～16mm下的透水系數(shù)隨著水灰比增加而呈先增后減的趨勢(shì)。王婧[5]分析了建筑垃圾再生骨料的種類(lèi)、含量等各項(xiàng)因素對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明，建筑垃圾再生混凝土28d抗壓強(qiáng)度能夠滿足混凝土C25強(qiáng)度等級(jí)。張茜等[6]研究了水泥、建筑垃圾再生骨料摻量等對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，水泥劑量418kg/m3、建筑垃圾摻量20%時(shí)，混凝土強(qiáng)度滿足道路附屬工程質(zhì)量要求。

本文以某房建拆除工程產(chǎn)生的建筑垃圾再生骨料為研究對(duì)象，對(duì)再生混凝土以及再生磚骨料的基本物理力學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)試，以期為工程現(xiàn)場(chǎng)建筑垃圾的資源化處置提供參考。

1 力學(xué)特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料以試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)原材料取自某房建拆除工程現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的建筑垃圾，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)破碎、篩分、清洗等處理后得到粒徑為0～37.5 mm的再生混凝土骨料以及再生磚骨料。

基本物理力學(xué)試驗(yàn)內(nèi)容主要包括測(cè)試再生混凝土骨料以及再生磚骨料的顆粒級(jí)配、表觀密度、吸水率、壓碎值以及抗剪強(qiáng)度，主要測(cè)試儀器有振篩機(jī)、干燥箱、比重瓶、壓碎指標(biāo)測(cè)定儀以及四聯(lián)直剪儀等。

1.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)方案

再生混凝土骨料以及再生磚骨料的顆粒級(jí)配、表觀密度、吸水率及壓碎值試驗(yàn)參照《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685—2022）[7]中有關(guān)規(guī)定，采用平行試驗(yàn)法，每個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，最終取平均值最為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

再生混凝土骨料以及再生磚骨料的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）[8]中有關(guān)規(guī)定，具體方案見(jiàn)表1，上覆應(yīng)力設(shè)置為200kPa、400kPa、600kPa、800kPa，采用液壓加載方式，剪切速率控制為4 mm/min，通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)記錄剪切過(guò)程中試樣的剪應(yīng)力及剪切位移變化情況，繪制成剪切位移—剪應(yīng)力曲線，對(duì)不同上覆應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度峰值進(jìn)行線性擬合得到抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，最終基于摩爾庫(kù)倫理論計(jì)算得到表征抗剪強(qiáng)度的黏聚力及內(nèi)摩擦角值。

2 結(jié)果分析

2.1 再生骨料基本特性分析

圖1為再生混凝土骨料以及再生磚骨料的顆分曲線，通過(guò)計(jì)算得到兩種骨料不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc。再生混凝土骨料的不均勻系數(shù)Cu為11.32，曲率系數(shù)Cc為2.86，骨料的顆粒粒徑大小差距較大且分布均勻性差，級(jí)配良好但連續(xù)性較差，小粒徑骨料顆粒占比較少，級(jí)配不連續(xù)。而再生磚骨料的不均勻系數(shù)Cu為2.38，曲率系數(shù)Cc為1.47，骨料顆粒粒徑大小差距較小且分布均勻，級(jí)配連續(xù)性一般。表2為再生混凝土骨料以及再生磚骨料的表觀密度、吸水率以及壓碎值測(cè)試結(jié)果。再生混凝土骨料和再生磚骨料表觀密度分別為2283kg/m3、1986 kg/m3，不符合《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685—2011）[7]中表觀密度應(yīng)不小于2600 kg/m3的要求；吸水率分別為5.82%和8.65%；壓碎值分別為9.71%和17.24%。由此可見(jiàn)，與再生混凝土骨料相比，再生磚骨料具有表觀密度低、吸水率高、壓碎值高的特點(diǎn)。

拆除現(xiàn)場(chǎng)的建筑垃圾來(lái)自房屋的不同部位，因此組分差異較大，導(dǎo)致回收的建筑垃圾成分復(fù)雜、粒徑分布不一，不同來(lái)源的建筑垃圾中含有的混凝土、磚瓦、石材等材料比例不同，難以保證再生骨料的統(tǒng)一性和均勻粒徑分布。除此之外，在建筑垃圾在破碎過(guò)程中，由于設(shè)備性能、操作參數(shù)等因素的影響，因此骨料可能出現(xiàn)過(guò)度破碎或破碎不充分的情況，這種不均勻破碎會(huì)導(dǎo)致粒徑分布寬廣，難以達(dá)到理想的級(jí)配要求。同時(shí)建筑垃圾中不同類(lèi)型骨料的混合比例難以精確控制，例如，含有較多磚瓦或石材的建筑垃圾，其再生骨料的粒徑分布與混凝土或磚骨料不同，這種混合比例的不確定性進(jìn)一步影響了成品再生骨料的級(jí)配質(zhì)量。

2.2 剪切位移—剪應(yīng)力曲線分析

圖2和圖3分別為再生混凝土骨料以及再生磚骨料在不同上覆應(yīng)力下的剪應(yīng)力—剪切位移曲線，從圖中可以看到，在剪切過(guò)程中，兩種再生骨料的剪應(yīng)力—剪切位移曲線變化規(guī)律類(lèi)似，即隨著剪切位移增加，剪應(yīng)力呈現(xiàn)先逐漸遞增后趨于平緩，在達(dá)到峰值后逐漸下降的應(yīng)變軟化趨勢(shì)。當(dāng)上覆荷載為200 kPa時(shí)，再生混凝土骨料的剪應(yīng)力峰值為463.3 kPa，當(dāng)上覆荷載增至400kPa、600kPa、800 kPa時(shí)，再生混凝土骨料的剪應(yīng)力峰值分別為538.6kPa、710.8kPa、965.2 kPa，比200 kPa時(shí)分別提高了約16.2%、53.4%、108.3%；當(dāng)上覆荷載為200 kPa時(shí)，再生磚骨料的剪應(yīng)力峰值為382.9 kPa，當(dāng)上覆荷載增至400kPa、600kPa、800 kPa時(shí)，再生磚骨料的剪應(yīng)力峰值分別為456.1kPa、530.3kPa、744.5 kPa，比200 kPa時(shí)分別提高了約19.1%、38.5%、94.4%?？梢?jiàn)再生混凝土骨料的抗剪強(qiáng)度顯著高于再生磚骨料，因?yàn)樵偕炷凉橇贤ǔ?lái)源于混凝土結(jié)構(gòu)，所以這些結(jié)構(gòu)在原始狀態(tài)下具有較高的抗壓強(qiáng)度和相對(duì)較好的抗拉、抗剪性能，而再生磚骨料來(lái)源于黏土磚或其他類(lèi)型的建筑磚塊，這些材料的抗壓和抗剪強(qiáng)度通常低于混凝土，且磚塊在生產(chǎn)過(guò)程中的燒制強(qiáng)度不一，材料相對(duì)較脆，因此在剪切應(yīng)力下更容易破碎。

從圖中還可以看到，在剪切過(guò)程中，不同上覆應(yīng)力下的剪應(yīng)力—剪切位移曲線均表現(xiàn)出不同程度的跳躍現(xiàn)象，因?yàn)榻ㄖ偕橇贤ǔＳ刹灰?guī)則形狀的顆粒組成，這些顆粒的表面粗糙、角度多變，所以在剪切過(guò)程中，這種不規(guī)則性會(huì)導(dǎo)致顆粒間摩擦和咬合突然改變，使剪應(yīng)力突然增加或減少[9]，除此之外，再生骨料的顆粒強(qiáng)度不均，部分骨料顆?？赡茉谳^高剪應(yīng)力下破碎并填充骨料顆粒之間的空隙，從而改變了骨料顆粒間的力學(xué)接觸狀態(tài)，同時(shí)在剪切過(guò)程中，再生骨料顆粒會(huì)發(fā)生重新排列以適應(yīng)加載條件，這種顆粒重排現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力分布和傳遞路徑瞬間改變，在剪切位移曲線上引起跳躍。

2.3 抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線分析

對(duì)不同上覆應(yīng)力下再生混凝土骨料以及再生磚骨料的抗剪強(qiáng)度峰值進(jìn)行線性擬合，得到兩種再生骨料的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖4所示，擬合度分別高達(dá)0.9460和0.9188，表明試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度較高。利用摩爾庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度理論對(duì)擬合公式進(jìn)行分析，得到再生混凝土骨料和再生磚骨料的抗剪強(qiáng)度表征指標(biāo)值，見(jiàn)表3，再生混凝土骨料和再生磚骨料的黏聚力分別為250.03kPa、238.74kPa kPa，內(nèi)摩擦角分別為39.99°、30.09°。再生混凝土骨料的黏聚力和內(nèi)摩擦角比再生磚骨料大，再生混凝土骨料通常由破碎的混凝土構(gòu)成，含有水泥漿、砂、石等成分，結(jié)構(gòu)較為致密，因此強(qiáng)度較高，而再生磚骨料主要由廢舊磚塊制成，磚塊多為多孔結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度相對(duì)較低；再生混凝土骨料表面粗糙且有一定的水泥漿殘留，這些特性增加了顆粒間的黏聚力和摩擦力，并且破碎后的再生混凝土顆粒形狀不規(guī)則，有利于顆粒間相互嵌擠，使摩擦角變大，提高黏聚力，而再生磚骨料表面較為光滑，孔隙率較高，導(dǎo)致顆粒間的接觸面積較小，從而降低了黏聚力，減少了摩擦，并且再生磚骨料形狀較為均勻，嵌擠效果不如混凝土骨料明顯。此外，再生混凝土骨料一般比磚骨料更堅(jiān)固，能夠承受更大的應(yīng)力，提供更大的內(nèi)摩擦角，而再生磚骨料材料具有多孔性和較低的強(qiáng)度，承載能力較弱。

由于再生骨料為無(wú)黏性散體材料，因此理論上抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線在Y軸上的截距應(yīng)該為0，在再生骨料的直剪試驗(yàn)過(guò)程中，骨料顆粒不規(guī)則的形狀和表面粗糙程度會(huì)影響顆粒之間的摩擦咬合，顆粒之間的摩擦力增強(qiáng)了整體抗剪能力，這個(gè)過(guò)程最終在抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線中體現(xiàn)為似黏聚力，即Y軸上的截距。與一般黏性材料不同，似黏聚力是骨料顆粒間摩擦強(qiáng)度的體現(xiàn)，而并非黏聚強(qiáng)度，反映了再生骨料在不被拉開(kāi)的情況下的抗剪能力，因此建筑垃圾再生骨料的抗剪強(qiáng)度就只由摩擦強(qiáng)度決定。

3 結(jié)論

本文以房建拆除工程產(chǎn)生的建筑垃圾再生骨料為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)再生混凝土骨料以及再生磚骨料的基本物理特性及抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，得出以下主要結(jié)論。1）再生混凝土骨料及再生磚骨料不均勻系數(shù)Cu分別為11.32和2.38，曲率系數(shù)Cc分別為2.86和1.47，級(jí)配較差，表觀密度分別為2283kg/m3、1986 kg/m3，吸水率分別為5.82%和8.65%，壓碎值分別為9.71%和17.24%。2）再生混凝土骨料及再生磚骨料的剪應(yīng)力—剪切位移曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征，當(dāng)上覆荷載為200kPa、400kPa、600kPa、800 kPa時(shí)，再生混凝土骨料的剪應(yīng)力峰值分別為463.3kPa、538.6kPa、710.8kPa、965.2 kPa，再生磚骨料的剪應(yīng)力峰值為分別為382.9kPa、456.1kPa、530.3kPa、744.5 kPa。3）上覆應(yīng)力下再生混凝土骨料以及再生磚骨料的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線擬合度分別為0.9460和0.9188，利用摩爾庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度理論計(jì)算得到再生混凝土骨料和再生磚骨料的黏聚力分別為250.03kPa、238.74 kPa，內(nèi)摩擦角分別為39.99°、30.09°。

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