再生建筑集料公路路基建設(shè)適用性分析

閆立來

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，廢棄建筑材料急劇增加，大量的建筑垃圾廢棄一方面導(dǎo)致資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，另一方面建筑垃圾處置不當(dāng)也將帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染隱患.因此，是否存在合理的建筑垃圾再生處置方案成為當(dāng)前循環(huán)經(jīng)濟(jì)的熱點(diǎn)議題之一[1,2].廢棄建筑材料包括城鎮(zhèn)化改造與建設(shè)中產(chǎn)生的廢棄房建材料、廢棄道路建筑材料等，主要包括廢棄磚、廢棄墻柱混凝土以及廢棄鋼筋、防水材料等.目前對(duì)于道路材料的再生利用已有了廣泛的探討，如陳峰等對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層再生應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析表明，只要經(jīng)過適當(dāng)改良，再生水穩(wěn)集料可以滿足道路水泥穩(wěn)定碎石填筑要求[3]；侯勁汝等對(duì)道路水泥混凝土再生應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明其具有較好的經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展?jié)摿4]；王軍龍、顧萬等對(duì)城市道路上、下面層瀝青混合料再生應(yīng)用進(jìn)行了研究，室內(nèi)試驗(yàn)及工程應(yīng)用表明舊瀝青路面銑刨料再生利用科學(xué)可行[5-7].但相對(duì)上述研究而言，如何對(duì)廢棄建筑材料進(jìn)行再生的研究相對(duì)較少.公路路基作為道路工程的基礎(chǔ)，一方面所需筑路材料使用量較大，另一方面比較其他結(jié)構(gòu)層，材料性能指標(biāo)要求相對(duì)較低，若可將上述廢棄建筑材料再生應(yīng)用于路基工程，將具有很好的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保價(jià)值.由于廢棄建筑材料組成成分的復(fù)雜性，使得對(duì)廢棄材料的篩選、加工以及使用方式的研究具有重要意義[8,9].

研究擬先對(duì)再生建筑集料進(jìn)行基本性能指標(biāo)測試，然后設(shè)計(jì)不同摻配比例路基填筑混合集料，并采用重型擊實(shí)試驗(yàn)以及CBR試驗(yàn)進(jìn)行性能表征，進(jìn)而得出相關(guān)結(jié)論，為再生建筑集料在公路路基建設(shè)中的應(yīng)用提供參考.

再生建筑集料一般來源于房建工程、道路工程拆除過程，常與廢棄水泥混凝土塊(含砂漿)、廢棄磚以及鋼筋、防水材料等其他各種建筑廢棄物混合.上述建筑廢棄物中只有廢棄水泥混凝土塊(含砂漿)、廢棄磚可用于公路工程路基建設(shè)中，為保證使用效果，需先將建筑廢棄物進(jìn)行分揀，取出不可用雜物.分揀完成后，對(duì)集料進(jìn)行破碎加工制備再生建筑集料，為保證路基填筑效果，破碎粒徑最大值應(yīng)小于等于37.5mm.

參照填石路基集料劃分標(biāo)準(zhǔn)，將再生建筑集料按公稱最大粒徑劃分為粗集料(>4.75mm)、細(xì)集料(<4.75mm).隨機(jī)各選取3組再生建筑粗集料、細(xì)集料及常規(guī)石灰?guī)r路基集料，參照《公路路基施工技術(shù)規(guī)范(JTG F10-2015)》進(jìn)行密度、吸水率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取3組平均值，測試結(jié)果如表1所示.

表1 再生建筑集料與常規(guī)路基填料技術(shù)指標(biāo)

上述測試結(jié)果顯示，再生建筑集料與常規(guī)路基填料性能指標(biāo)差異較大，其細(xì)、粗集料表觀密度分別為常規(guī)路基填料的71%、81%，而吸水率則分別為常規(guī)路基填料的7.4、13.5倍.這一方面是由于再生混凝土集料加工破碎后，破碎面存在大量疏松、多孔水泥砂漿物，且再生建筑集料粒徑越小，破碎面附著物比例相對(duì)越大，導(dǎo)致密度顯著減小、吸水率急劇增大.另一方面，再生磚自身即為疏松多孔材料，密度更小、吸水率更大，其與再生混凝土集料混合后將進(jìn)一步減小再生建筑集料密度、增大含水率，以上二者混合導(dǎo)致再生建筑集料尤其是再生建筑細(xì)集料性能發(fā)生較大改變.

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 摻配比例設(shè)計(jì)

由表1分析可知，再生建筑集料較常規(guī)路基填料性能出現(xiàn)較大衰減，其中細(xì)集料性能指標(biāo)衰減更加顯著.根據(jù)摩爾-庫倫理論，路基混合料抗剪強(qiáng)度由粘聚力和摩擦力組成，其中摩擦力主要由粗集料提供，粘聚力主要由細(xì)集料提供.由于再生建筑細(xì)集料性能衰減過大，過大的吸水率及過小的密度將導(dǎo)致路基填筑質(zhì)量難以保障，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮使用再生建筑細(xì)集料，而采用0～4.75mm素填土替代.其中素填土統(tǒng)一采用粉質(zhì)黏土，密度為2.326g/cm3，含水率為2.1%，級(jí)配良好.

為研究再生建筑集料比例、再生建筑集料中再生磚與再生混凝土比例(以下簡稱磚混比)對(duì)路基集料性能的影響，采用4種再生建筑集料比例(15%、30%、45%、60%)、3種再生磚與再生混凝土比例(1∶2、1∶1、2∶1)進(jìn)行摻配設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)方案如表2所示.

表2 摻配比例設(shè)計(jì)方案

1.3 性能試驗(yàn)表征

為分析再生建筑集料比例以及磚混比對(duì)路基填料性能的影響，采用相關(guān)試驗(yàn)對(duì)上述各摻配方案進(jìn)行表征，具體試驗(yàn)方案為：

(1)擊實(shí)試驗(yàn)：為分析各摻配方案對(duì)路基填料最佳含水率與最大干密度影響，對(duì)不同含水率路基填料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn).擊實(shí)試驗(yàn)選取重型擊實(shí)法(Ⅱ型)，分3層擊實(shí)，每層錘擊98次.

(2)CBR試驗(yàn)：作為室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度表征重要指標(biāo)，試驗(yàn)將上述各方案按98%壓實(shí)度進(jìn)行摻配計(jì)算，試樣制作完成后將其浸水4d，最終進(jìn)行強(qiáng)度檢測.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)上述12組不同摻配比例路基混合料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果按再生建筑集料比例劃分如圖1至圖4所示.

由圖1到圖4的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可知：整體而言，在再生建筑集料摻量相同條件下，隨著磚混比減小，混合料最大干密度增大、最佳含水率減小，且當(dāng)磚混比為2∶1時(shí)，混合料密度曲線較其他兩個(gè)摻量相差較大.這是由于磚混比越大，再生建筑集料中再生磚摻量越大，而再生磚較再生混凝土具有更小的密度、更高的吸水率，其摻量增大降低了混合料整體密度.因此，在再生建筑集料應(yīng)用時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制再生磚摻量比例，就本混合料設(shè)計(jì)方案而言，應(yīng)控制磚混比<1∶2.

為比較再生建筑集料摻量對(duì)混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將上述各配比混合料最大干密度、最佳含水率匯總?cè)绫?所示.

表3 各摻配比例混合料最佳含水率、最大干密度匯總

由表3分析可知：

(1)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量的增大，最佳含水率先持續(xù)減小然后增大.

(2)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量的增大，最大干密度呈現(xiàn)先增大后減小的“凸”形變化規(guī)律，且均在30%、45%時(shí)具有較大最大干密度.這是由于，隨著再生建筑集料摻量增大，混合料中粗集料含量逐漸增加，混合料相互填充，級(jí)配比例逐漸達(dá)到最優(yōu).因此就最大干密度指標(biāo)而言，表明混合料再生建筑集料摻量存在最佳摻量，最佳摻量為30% ～ 45%.

2.2 CBR試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)上述12組不同摻配比例路基混合料進(jìn)行加州承載比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

表4 各摻配比例混合料CBR值

由表4分析可知：

(1)相同再生建筑集料比例下，隨著磚混比增大，混合料CBR值逐漸增大.這是由于再生磚力學(xué)性能相對(duì)再生混凝土較差，減小其摻量有利于增強(qiáng)再生建筑集料承載能力.因此，應(yīng)對(duì)再生建筑集料磚混比進(jìn)行有效控制.

(2)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量增大，混合料CBR值與最大干密度類似，呈現(xiàn)先增大后減小的“凸”形變化規(guī)律，在30%、45%時(shí)具有較大CBR值.表明混合料再生建筑集料摻量存在最佳摻量，最佳摻量為30% ～ 45%.

3 結(jié)論

首先對(duì)再生建筑集料進(jìn)行基本性能指標(biāo)測試，然后為研究再生建筑集料比例、磚混比對(duì)路基集料性能的影響，采用4種再生建筑集料比例(15%、30%、45%、60%)、3種磚混比(1∶2、1∶1、2∶1)進(jìn)行混合料摻配設(shè)計(jì)，進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)以及CBR試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)再生建筑集料與常規(guī)路基填料性能指標(biāo)差異較大，其細(xì)、粗集料表觀密度分別為常規(guī)路基填料的71%、81%，而吸水率則分別為常規(guī)路基填料的7.4、13.5倍.由于再生建筑細(xì)集料性能衰減過大，過大的吸水率及過小的密度將導(dǎo)致路基填筑質(zhì)量難以保障，路基填筑時(shí)應(yīng)不予采用.

(2)在再生建筑集料摻量相同條件下，隨著磚混比減小，混合料最大干密度、混合料CBR值均增大、最佳含水率減小.

(3)相同磚混比下，隨著混合料中再生建筑集料摻量的增大，最大干密度、混合料CBR值均呈現(xiàn)先增大后減小的“凸”形變化規(guī)律，且均在30%、45%時(shí)具有較大最大干密度或混合料CBR值.

(4)綜合分析表明，再生建筑集料在公路路基建設(shè)中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)控制磚混比<1∶2，保證混合料再生建筑集料摻量在30% ～ 45%.