水泥穩定建筑垃圾基層合理厚度研究

方 濤，李曉靜

(西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

1 引言

隨著城市建設的快速發展，同時大批舊建筑物被拆除，產生大量建筑垃圾。在我國，建筑垃圾產量約為城市垃圾總量的30%，每年產量達5000萬t[1]。目前對建筑垃圾的處理主要是集中堆放和填埋，或作為地基處理時的填筑材料，每年新增建筑垃圾的處理都將占用大面積用地，約1.5～2億m2，未經處理的建筑垃圾會嚴重污染環境[2]。

國內對建筑垃圾在道路工程中資源化研究較少，且集中于建筑垃圾的材料性質與路用性能的研究，沒有涉及建筑垃圾集料在路面結構設計中的研究，而本文研究的是水泥穩定建筑垃圾基層在路面結構中的厚度。鑒于此，通過對水泥穩定建筑垃圾一系列的配合比試驗、路用性能試驗，確定了在公路基層中應用的4種配合比方案及力學性能，并調研資料對相關設計參數的合理選取，依據規范計算了4種工況下的水泥穩定建筑垃圾基層在西南地區輕交通量公路的路面結構的厚度。建筑垃圾作為公路基層材料，可節約資源，減少對環境的污染，同時能滿足輕交通公路的質量要求。水泥穩定建筑垃圾基層在路面結構中的合理厚度的研究，可推動建筑垃圾在道路工程中資源化的進一步應用與發展。

2 設計參數的選取

2.1 設計交通量

《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG/D40-2011)[3]中規定，設計基準期內輕交通公路的設計車道標準軸載累計作用次數 Ne<3×104次。選取軸載作用次數3×104次為設計交通量，開展輕交通公路基層的合理厚度的研究。

2.2 路面結構寬度

輕交通公路多為三級或四級的縣鄉公路， 參考《縣鄉公路水泥混凝土路面設計與施工》[4]的路面寬度要求，三級公路為7.0 m或6.5 m，四級公路為6.0 m或3.5 m。選取水泥混凝土板的寬度為路寬的一半3.25 m，其長寬比不宜超過1.30，則板長取為4.0 m。

2.3 路面材料參數

2.3.1 土基

西南地區的土質大部分是高液限粉質黏土[5]，參考《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG/D40-2011)中土基回彈模量設計參數取值，高液限黏土取值范圍為20～50 MPa, 高液限粉土取值范圍為30～70 MPa。選取土基回彈模量為50 MPa。

2.3.2 底基層

底基層是次要承重層，相對基層而言要求較低，基層材料是建筑垃圾，底基層材料選取強度稍低的石灰粉煤灰，經查閱參考文獻[6]，石灰粉煤灰的抗壓回彈模量取400 MPa，厚度設計為200 mm[7]。

2.3.3 基層

為了研究水泥穩定建筑垃圾在基層中應用的路用性能，通過一系列對廢棄混凝土、廢棄磚、碎石的壓碎值試驗進行配比，進而集料的級配試驗見圖1，同時進行混合料配合比設計，并開展了擊實試驗、無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗壓回彈模量，分析其在輕交通量公路基層中的路用性能，最終確定了滿足輕交通量公路基層4種配合比方案和力學性能見表1。

圖1 建筑垃圾集料級配曲線

2.3.4 面層

根據《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG/D40-2011)[3]中規定，輕交通等級的水泥混凝土彎拉強度標準值為4 MPa，彎拉彈性模量為27 GPa，面層厚度為定值200 mm。

表1 水泥穩定建筑垃圾集料配合比與力學性能

2.4 其他設計系數

根據《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG/D40-2011)[3]選取其他設計系數取值。

(1)應力折減系數kr。雙車道輕交通等級公路的縱縫不設拉桿，查表應力折減系數為0.87。

(3)綜合系數kc。對于三、四級公路，偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數kc=1.10。

(4)最大溫度梯度Tg。西南地區的水泥混凝土的最大溫度梯度標準值取值范圍為83～88，選取最大溫度梯度Tg為88。

(5)可靠度系數γr。輕交通公路為四級安全等級，目標可靠度為80，變異水平等級為高級，查表γr取1.11%。

3 基層厚度計算方法

水泥穩定建筑垃圾是無機結合料類半剛性基層，根據《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG/D40-2011)[3]中的設計方法，路面結構按照彈性地基單層板的模型進行設計。

3.1 荷載應力

3.1.1 混凝土板荷載疲勞應力計算

(1)四邊自由板的臨界荷位處設計軸載產生的荷載應力σps。

(1)

(2)

r=1.21(Dc/Ei)1/3

(3)

式(1)、(2)、(3)中：Ps為設計軸載的單軸重(kN)；Ec、hc、vc分別為彎拉彈性模量(MPa)、混凝土板的厚度(m)和泊松比；r為混凝土板的相對剛度半徑(m)；Dc為混凝土板的截面彎曲剛度(MN·m)；Et為板底地基當量回彈模量(MPa)。

(2)計算疲勞荷載應力。

σpr=krkckfσps

(4)

3.1.2 板在最重軸載作用下的荷載應力計算

(1)四邊自由板的臨界荷位處最重軸載產生的荷載應力σpm的計算與σps相同。

(2)臨界荷位處最重軸載產生的最大荷載應力σpmax

σpmax=krkcσpm

(5)

3.2 溫度應力

3.2.1 板最大溫度應力σtmax

(1)計算綜合溫度翹曲應力和內應力的溫度應力系數BL。

BL=1.77e-4.48hcCL-0.131(1-CL)

(6)

(7)

(8)

式(6)、(7)、(8)中：CL為混凝土板的溫度翹曲應力系數；L為板的橫縫間距，即板長(m)；rg為板的相對剛度半徑(m)。

(2)計算最大溫度應力。

(9)

式(9)中：αc為混凝土的線膨脹系數；Tg為公路所在地50年一遇的最大溫度梯度。

最大溫度應力與最大荷載應力的和代入最重軸載作用下極限狀態表達式中。

3.2.2 板溫度疲勞應力

(10)

式(10)中：at、bt、ct為回歸系數。

σtr=ktσtmax

(11)

溫度疲勞應力與荷載疲勞應力的和代入重復荷載作用下極限狀態表達式中。

3.3 結構極限狀態校核

通過計算單層板的極限狀態來校核基層的厚度是否滿足要求。

(12)

式(12)中：γr(σpr+σtr)為考慮可靠度系數后的混凝土板綜合疲勞應力；γr(σpmax+σtmax) 為考慮可靠度系數后的混凝土板最大綜合應力。

4 計算結果及分析

參考《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG/D40-2011)[3]中的規定，無機結合料穩定粒料類基層推薦適宜壓實的厚度范圍是150～200 mm，路面設計HPDS軟件的水泥穩定類基層限制范圍80～350 mm。目前尚無規范對建筑垃圾作為基層材料的相關規定，薄基層無法達到路用要求，厚基層會增加造價，結合安全性、經濟性考慮厚度范圍初始定為80～350 mm，通過計算確定最終適合建筑垃圾集料基層合理厚度。

工況一：A類配合比的輕交通公路基層，水泥含量為4%，建筑集料配比廢棄混凝土∶廢棄磚∶碎石=100∶0∶0，最佳含水量為9.8%，最大干密度為2.013 g/cm3， 7 d無側限抗壓強度為2.70 MPa。通過計算部分重要結果見表2，由表2可知水泥穩定建筑垃圾基層的推薦合理厚度范圍為220～350 mm。

表2 工況一的基層厚度計算結果

工況二：B類配合比的輕交通公路基層，水泥含量為6%，建筑垃圾集料配比廢棄混凝土∶廢棄磚∶碎石=90∶10∶0，最佳含水量為13.9%，最大干密度為1.860 g/cm3，7 d無側限抗壓強度為2.61 MPa。通過計算部分重要結果見表3，由表3可知水泥穩定建筑垃圾基層的推薦合理厚度范圍為220～350 mm。

表3 工況二的基層厚度計算結果

工況三：C類配合比的輕交通公路基層，水泥含量為7%，建筑垃圾集料配比廢棄混凝土∶廢棄磚∶碎石=10∶80∶10，最佳含水量為16.5%，最大干密度為1.665 g/cm3，7 d無側限抗壓強度為2.65 MPa。通過計算部分重要結果見表4，由表4可知水泥穩定建筑垃圾基層的推薦合理厚度范圍為220～350 mm。

表4 工況三的基層厚度計算結果

工況四：D類配合比的輕交通公路基層, 水泥含量為7%，建筑垃圾集料配比廢棄混凝土∶廢棄磚∶碎石=0∶90∶10，最佳含水量為18.4%，最大干密度為1.581 g/cm3，7 d無側限抗壓強度為2.53 MPa。通過計算部分重要結果見表5，由表5可知水泥穩定建筑垃圾基層的推薦合理厚度范圍為220～350 mm。

表5 工況四的基層厚度計算結果

5 結論

在滿足輕交通量公路基層要求的4種配合比方案下，水泥含量4%時，建筑垃圾集料配比(廢棄混凝土∶廢棄磚∶碎石)為100∶0∶0；水泥含量為6%時，集料配比為90∶10∶0；水泥含量7%時，集料配比為10∶80∶10；水泥含量7%時，集料配比為0∶90∶10；四種工況下的計算研究，推薦水泥穩定建筑垃圾基層在西南地區輕交通量公路的路面結構中應用合理厚度范圍為220～350 mm。