建筑垃圾材料回填路基關(guān)鍵技術(shù)研究

周英毅

摘要：為響應(yīng)資源循環(huán)可再生理念，文章對建筑垃圾材料回填路基技術(shù)進(jìn)行研究，介紹了建筑垃圾材料破碎處理得到再生骨料的生產(chǎn)工藝，并通過對比5種不同再生骨料摻量下水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和干縮系數(shù)，探究再生骨料對水泥穩(wěn)定碎石性能變化的影響規(guī)律，推薦再生骨料的適宜摻量為30%～40%。同時(shí)，以實(shí)際路用工程為例，通過檢測分析進(jìn)一步驗(yàn)證了建筑垃圾回填路基的有效性。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾;再生骨料;路基回填;力學(xué)性能;摻量

0 引言

近年來，國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)迅猛發(fā)展，各類混凝土建筑及道路耗費(fèi)大量的礦石資源。與此同時(shí)，也伴隨了大量廢棄建筑材料的拆除和產(chǎn)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年全國各類建筑垃圾總量達(dá)到20億t以上。根據(jù)建筑垃圾管理處置要求，傳統(tǒng)做法是將各類建筑垃圾進(jìn)行集中堆放或填埋，不僅占用大量公用土地資源，還會造成環(huán)境污染惡化[1-3]。因此，將建筑垃圾材料進(jìn)行綜合再生利用勢在必行。現(xiàn)有研究表明[4-6]，廢舊建筑垃圾根據(jù)不同類型可以進(jìn)行多樣化處理模式，道路產(chǎn)生的廢舊瀝青混凝土可利用瀝青再生技術(shù)進(jìn)行二次鋪筑，建筑及道路產(chǎn)生的廢舊水泥混凝土可通過專業(yè)化的破碎生產(chǎn)線加工成再生骨料，可再次應(yīng)用于部分中低質(zhì)量要求的工程項(xiàng)目中。其中，建筑垃圾材料回填路基將成為新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域[7]。傳統(tǒng)路基鋪筑分為土路基、石路基和石土路基。根據(jù)道路鋪筑地質(zhì)環(huán)境需求，針對軟土及部分河川附道建議采用石路基進(jìn)行鋪筑。水泥穩(wěn)定碎石基層材料作為半剛性材料，是高等級公路通常采用的路基形式[8]。本文將建筑垃圾材料綜合應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層，旨在進(jìn)一步驗(yàn)證建筑垃圾材料回填路基的有效性并進(jìn)行推廣，推動這一關(guān)鍵技術(shù)水平提升。

1 建筑垃圾再生處理

建筑垃圾不能直接應(yīng)用于工程建設(shè)項(xiàng)目中，需要通過破碎生產(chǎn)線進(jìn)行加工處理，生產(chǎn)出不同粒徑范圍的再生骨料。破碎設(shè)備一般可以分為顎式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)和沖擊式破碎機(jī)等。一般一套生產(chǎn)線會根據(jù)建筑垃圾情況配置兩種以上不同類型的破碎機(jī)，顎式破碎機(jī)適用于建筑垃圾材料的第一道破碎工序，主要是將大型的磚塊或混凝土進(jìn)行破碎，破碎后的混凝土?xí)涣魉€履帶傳送至第二道破碎設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化處理。與此同時(shí)，經(jīng)破碎產(chǎn)生的再生骨料將通過循環(huán)的履帶傳送并進(jìn)行多次重復(fù)性的破碎工作。傳送履帶設(shè)有不同孔徑的漏網(wǎng)，傳輸?shù)脑偕橇细鶕?jù)不同粒徑范圍將會被分別傳送至不同的倉儲車間。漏網(wǎng)孔徑將直接影響再生骨料的粒徑大小，一般一套生產(chǎn)線將會生產(chǎn)3～4種不同粒徑范圍的骨料，分別為<0.15mm、0.15～15mm、5～25mm。此外，在此過程中將會伴隨大量分揀、沖洗、篩分等細(xì)部工作。其生產(chǎn)流程如

2 建筑垃圾材料回填路基材料方案設(shè)計(jì)

本研究主要針對建筑垃圾材料回填基層材料的性能進(jìn)行綜合評判，同時(shí)研究建筑垃圾材料（再生骨料）在基層結(jié)構(gòu)中的適用量，探尋科學(xué)合理的舊料使用率。因此，共設(shè)計(jì)了五組不同再生骨料摻量下的水泥穩(wěn)定碎石材料，摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%。水泥穩(wěn)定碎石各組成材料分別為：

（1）再生骨料（RA）

研究選用的再生骨料為道路改擴(kuò)建工程中水泥混凝土路面破碎加工產(chǎn)生的，該骨料經(jīng)過破碎加工工藝處理，表面沙塵含泥量較低，棱角性較好，符合再生骨料利用的技術(shù)要求，其相關(guān)性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

（2）天然骨料（NA）

研究選用的天然骨料為湖北產(chǎn)的石灰?guī)r，表面潔凈無雜質(zhì)，對其壓碎值、卵石含量等指標(biāo)進(jìn)行檢測的結(jié)果如表2所示，符合公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則中對天然骨料的技術(shù)要求。

（3）水泥

水泥作為基層碎石材料中重要的穩(wěn)定劑，直接影響碎石的嵌擠粘合性能，水泥的水化過程會提升材料整體的強(qiáng)度。研究選用的水泥為P·O42.5緩凝水泥，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中對水泥穩(wěn)定碎石基層材料的級配設(shè)計(jì)要求，既要考慮施工路段的地質(zhì)及環(huán)境因素，又要考慮施工技術(shù)條件限制，通常可采用適用性較高的級配選擇應(yīng)用于基層鋪筑工程中。室內(nèi)確定的連續(xù)級配結(jié)果如表4所示。

在設(shè)計(jì)級配確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同再生骨料摻量下對水泥劑量的選擇進(jìn)行了確定。通過調(diào)整不同水泥劑量來觀測水泥穩(wěn)定碎石的含水率和干密度變化規(guī)律，最終分別確定了不同再生骨料摻量下水泥穩(wěn)定碎石最佳的水泥使用劑量（如下頁表5所示）。

3 建筑垃圾材料回填路基材料性能測試

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

基層材料屬于道路結(jié)構(gòu)層次的底部，既承受豎向傳遞作用的行車荷載，又面臨著基層軟土結(jié)構(gòu)的變形破壞誘發(fā)的開裂問題。因此，對于基層材料的選擇需著重關(guān)注其力學(xué)性能影響。抗壓強(qiáng)度作為表征水泥穩(wěn)定碎石基層材料力學(xué)性能之一，分別對其不同齡期下的強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，有利于進(jìn)一步探究再生骨料作為替代材料的性能優(yōu)劣。研究對五組不同再生骨料摻量的水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表6和圖2～3所示。

由以上圖表可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，摻加再生骨料的水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在逐漸提升。其中，再生骨料摻量的逐漸增加會導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低。當(dāng)再生骨料摻量為40%時(shí)，其7d、14d、28d對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度值較普通水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度分別下降了6.42%、10.65%和9.75%。再生骨料是將廢舊的建筑垃圾材料進(jìn)行特殊破碎工藝獲取的，在破碎過程中，再生骨料會受到含有砂漿附著等不利因素影響。此外，再生骨料壓碎值、磨耗值的下降也在一定程度上影響其水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度。但作為基層材料而言，雖然其性能較普通水泥穩(wěn)定碎石有所下降，但仍滿足實(shí)際道路鋪筑的質(zhì)量要求。

3.2 劈裂強(qiáng)度

用水泥穩(wěn)定碎石材料作為基層結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生底部開裂問題，尤其是在寒冷環(huán)境下更易產(chǎn)生此類問題。研究摻再生骨料的水泥穩(wěn)定碎石材料的抗開裂性能，有利于揭示再生骨料摻量對劈裂強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究對不同摻量在不同齡期下的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表7和圖4～5所示。

由以上圖表可知，再生骨料摻量的逐漸增大會對水泥穩(wěn)定碎石材料的性能產(chǎn)生不利影響，其劈裂強(qiáng)度有不同程度的下降。當(dāng)再生骨料摻量分別為20%和40%時(shí)，其28d劈裂強(qiáng)度分別下降了6.55%和13.83%，說明摻量的增長對劈裂強(qiáng)度下降的影響是較大的。因此，不能單純考慮增加再生骨料的利用率而忽略其對材料性能下降帶來的不利影響。試驗(yàn)所選用40%的再生骨料摻量，雖然使得水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度有所下降，但仍舊在公路施工設(shè)計(jì)所要求達(dá)標(biāo)的強(qiáng)度等級下，可進(jìn)一步觀察其相關(guān)性能的影響變化。

3.3 干燥收縮性能

對于水泥穩(wěn)定碎石而言，在復(fù)雜多變的服役環(huán)境下，水泥的水化反應(yīng)會使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的收縮變形。同時(shí)，基層材料中水分子的遷移也會使得材料的含水率和密度產(chǎn)生變化，在一定程度上會積聚內(nèi)部能量，從而誘發(fā)混凝土出現(xiàn)裂縫。研究采用電子位移傳感器觀測了不同再生骨料摻量下水穩(wěn)碎石材料的位移變形數(shù)據(jù)（如圖6所示）。

如圖6所示，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥穩(wěn)定碎石的干燥系數(shù)是逐漸增大的，系數(shù)的增加表明其干縮收縮變形誘發(fā)的位移增大，會加劇材料的內(nèi)部損傷。這主要是因?yàn)槭芸諝庵兴肿舆w移影響，材料內(nèi)部逐漸產(chǎn)生新的化學(xué)反應(yīng)。相較于普通水泥穩(wěn)定碎石基層材料，摻加再生骨料的水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)明顯較小。當(dāng)摻量為30%和40%時(shí)，兩者的干縮系數(shù)變化較為接近，且是該五種組合方案中干縮系數(shù)最小的。這主要是因?yàn)樵偕橇鲜怯蓮U舊建筑垃圾材料回收得到的，其性能經(jīng)過長時(shí)間的服役已趨于穩(wěn)定，將其應(yīng)用于基層材料中，水分子的增長對其的影響是較小的，內(nèi)部材料整體的平衡和均和使得材料不會產(chǎn)生較大的干燥收縮變化，在一定程度上可以延長路基材料的使用壽命。

4 工程應(yīng)用及檢測分析

從實(shí)驗(yàn)室摻再生骨料的水泥穩(wěn)定碎石性能對比分析結(jié)果來看，摻量的增加會促使材料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度有所降低，但對于材料的干燥收縮變形是有利的。因此，建議在工程中對再生骨料回填應(yīng)用于基層的摻量控制在30%～40%之間。2018年，某高速改擴(kuò)建工程中對部分路段基層材料進(jìn)行建筑垃圾回填利用，采用再生骨料摻量為40%，其路面結(jié)構(gòu)如圖7所示。

研究對兩種不同路基材料進(jìn)行檢測分析，主要測量了路基的壓實(shí)度、彎沉值及含水率等指標(biāo)，其檢測對比分析結(jié)果如下頁表8和表9所示。

通過對部分基層路段代表點(diǎn)的檢測分析，綜合認(rèn)為40%再生骨料摻量用于基層鋪筑質(zhì)量達(dá)標(biāo)，取得預(yù)期效果，能夠有效利用建筑垃圾材料，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保節(jié)約型施工模式。

5 結(jié)語

建筑垃圾回填路基需考慮再生骨料的處理技術(shù)工藝，也要考慮其在水泥穩(wěn)定碎石材料中的適用性和材料穩(wěn)定性。研究通過對比分析不同再生骨料摻量下水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和干縮系數(shù)，認(rèn)為再生骨料的摻加會降低抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，但對材料抵抗收縮變形的能力是有利的，最終推薦了30%～40%的適宜摻量。通過實(shí)際工程的應(yīng)用和檢測分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了建筑垃圾材料回填路基的有效性，該技術(shù)方案值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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