建筑垃圾再生料在路基施工中的應用

黃春暉 張喆 錢若霖

摘 要：針對建筑物在施工和拆除過程中產生大量建筑垃圾帶來的資源短缺和環境污染問題，嘗試將混凝土和廢磚制備成再生骨料，進而完成對混凝土和磚石的回收。為改善再生骨料的力學性能，利用質量濃度為2%的納米硅溶膠溶液對骨料進行改性。在此基礎上，摻入一定量的PVA纖維，并研究了纖維納米再生混凝土的基本力學性能。結果表明，加入纖維后，納米再生混凝土壓縮性能有所降低，但使劈裂拉伸性能和彎曲性能分別比基準混凝土增加了10.8%和8.35%，證實了PVA纖維對再生混凝土有優化作用。

關鍵詞：再生骨料;力學性能;聚乙烯醇纖維;再生混凝土

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0080-04

Application of Construction Waste Recycling Material in Subgrade Construction

Huang Chunhui， Zhang Zhe， Qian Ruolin

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）

Abstract：In view of the shortage of resources and environmental pollution caused by a large amount of construction waste in the process of construction and demolition of buildings， this paper attempts to prepare recycled aggregate from concrete and waste brick， and then complete the recycling of concrete and masonry. In order to improve the mechanical properties of recycled aggregate， nano silica sol solution with mass concentration of 2% was used to modify the aggregate. On this basis， the basic mechanical properties of fiber nano recycled concrete are studied by adding a certain amount of PVA fiber. The results show that after adding fibers， the compressive properties of nano recycled concrete are decreased， but the splitting tensile properties and flexural properties are increased by 10.8% and 8.35% respectively compared with the reference concrete， which proves that PVA fiber has the optimization effect on recycled concrete.

Key words：recycled aggregate; mechanical properties; polyvinyl alcohol fiber; recycled concrete

隨著建筑行業的發展，每年產生的建筑垃圾成倍增加。據不完全統計，部分城市一年產生的建筑垃圾占該城市垃圾總量的35%～40%。因此，如何回收利用這些建筑垃圾，是目前較為重要的問題。為更好利用再生混凝土，宮寶汝（2019）提出將廢棄混凝土再生骨料用于鐵路基床[2];張全貴（2020）則研究了利用再生骨料配制透水混凝土的一些關鍵點[4]。但再生骨料來源于建筑垃圾，具有很多先天損傷，造成制備的混凝土力學性能差的現象，不適用于地基工程。由此，本研究嘗試用納米硅對再生骨料進行改性，修復先天損傷，并在此基礎上，摻入一定量的聚乙烯醇纖維，以求制備出一種適用于路基施工的再生骨料混凝土。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本試驗所用材料與設備如表1、表2所示。

1.2 試驗準備

1.2.1 再生骨料的制備

本試驗用的再生骨料選自某廢棄工程，其強度在C30～C50。制備的再生骨料粒徑在4.75～19mm，整體性好，表面有多處損傷，形狀不規則。

1.2.2 納米再生混凝土制備

為縮小再生骨料與普通碎石骨料的性能差距，利用納米硅溶膠溶液對骨料進行一定時間的浸泡處理。陳自豪認為，再生骨料浸泡在質量濃度為2%的納米硅溶液2d對再生骨料改性效果最好[1]，故本研究沿用該配比。將納米硅溶膠與一定質量份的自來水混合均勻，制備出質量濃度為2%的納米硅溶膠溶液，把再生混凝土骨料侵泡在該納米硅溶膠溶液中2d后烘干，得到納米混凝土骨料。

1.2.3 聚乙烯醇納米再生混凝土制備

為探究聚乙烯醇對再生混凝土性能影響，按照一定比例在混凝土內添加一定聚乙烯醇。按照《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS13-2009）中的規范，對聚乙烯醇納米再生混凝土進行攪拌、成型及養護。為防止纖維在混合過程中攪拌結團，采取干拌法分批次提前加入纖維材料，使得纖維在混凝土內部分散更為均勻。具體配合比如表3所示。

1.3 試驗步驟

1.3.1 壓縮強度試驗

制備的試件在養護到一定齡期后從養護室取出，挑選表面完整的試件，放置于壓力試驗機上。前期按照0.4MPa/s的加載速度;當強度大于30MPa時，按照0.5MPa/s的加載速度對試件進行施壓;待試件遭到破壞，記錄試件破壞后的荷載。為數據的準確性，每組實驗進行3次，若最大值或最小值與中間值超過15%，則舍棄該組數據，取另外兩個數據的平均值;若最值與中間值沒有超過15%，則取3個數據的平均值作為最大荷載。壓縮強度用公式（1）計算，折減系數取0.95;

式中，fcc表示混凝土試件壓縮強度，單位MPa;F表示試件破壞時的荷載，單位N;A表示試件承壓面積，單位：mm2。

1.3.2 劈裂拉伸強度試驗

將試塊放置于壓力機中心，對試塊施壓，得到試件破壞時的平均荷載，在利用公式（2）計算劈裂拉伸強度。

式中，fts表示混凝土劈裂拉伸強度，單位：MPa;F表示試件破壞荷載，單位：N;A表示試件劈裂面積，單位：mm2。

1.3.3 彎曲強度試驗

利用電子萬能試驗機對試件進行彎曲強度試驗。在放置試件在電子萬能機上，按一定的速率對試件加壓，在試件遭到破壞時的荷載。取3個數據的平均值作為最大荷載。彎曲強度用公式（3）計算：

式中，ff表示混凝土的彎曲強度，單位為MPa;F表示試件破壞時的荷載，單位為N;l表示支座跨度，單位為mm;h表示試件的截面高度，單位為mm;b表示試件的截面寬度。

2 結果與討論

2.1 壓縮強度變化規律

圖1為試件遭到破壞時的情況。通過圖1看出，隨著壓力試驗機施加的荷載增加，試件表面出現了很多裂縫。這些裂縫分布較為細密，主要原因是聚乙烯醇的存在限制了混凝土產生的裂縫。但隨著荷載的增加，細密裂縫成為主裂縫，這是由于聚乙烯醇的作用，試件達到最大載荷后，表面并未出現剝離、脫落的現象。

從表4可看出，隨著養護齡期的增加，纖維納米再生混凝土的壓縮強度在前期發展較快，后期變化緩慢，且隨PVA纖維摻量增加，混凝土壓縮強度表現為先下降后上升的趨勢，但都低于基準混凝土強度值。該現象說明在混凝土中摻入PVA纖維會降低再生混凝土的壓縮強度。以28d養護齡期為例，當PVA摻量分別為0.3kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3時，壓縮強度分別為基準混凝土的90.18%、94.29%、90.62%、96.53%。這是由于纖維的引入導致納米再生混凝土試件壓縮強度降低，且隨PVA纖維摻量增加，纖維在混凝土中的分布逐漸趨于均勻，所以隨混凝土強度削弱作用也在慢慢的降低。

2.2 劈裂拉伸強度試驗結果

劈裂拉伸強度測試結果如圖2所示。試件遭到劈裂破壞后，內部仍有一定程度的纖維連接，此現象說明纖維混凝土遭到劈裂破壞后，纖維仍能承擔一定的拉應力，使得試件的劈拉性能有所提高。

表5為纖維混凝土劈裂拉伸試驗結果，從表5可看出，隨養護齡期的增加，試件的劈裂拉伸強度也逐漸增加，在前7d增長較快，后逐漸趨于平穩。隨纖維摻量增加，纖維混凝土的拉伸性能表現為先增加后降低的趨勢。其中PVA纖維摻量在0.9kg/m3時劈裂拉伸強度達到最高，達到3.38MPa，比基準混凝土提高了10.8%。這是由于PVA纖維本身具有較高的拉伸強度，摻入混凝土后，對裂縫的產生和發展具有一定抑制作用，從而減少了裂縫的寬度。同時PVA纖維能橫跨混凝土基體的裂縫，起到一定的橋接作用，減輕了裂縫處的應力集中，延緩細微裂縫的發展和貫通，進而提高了混凝土的抗劈裂能力。當纖維含量超過0.9kg/m3，達到1.2kg/m3時，混凝土中的纖維含量過于密集，導致纖維出現相互糾纏結團的現象，進而導致纖維在混凝土內部分布不均勻，對混凝土抗劈拉能力的提升也有所影響。

2.3 彎曲強度試驗結果

彎曲試驗結果如圖3所示。通過圖3可知，試件折斷后，裂縫兩端有纖維存在，且有被拔出的過程.此現象說明，纖維的存在可延緩混凝土試件破壞，增加了再生混凝土的韌性和彎曲破壞的能力。

表6為纖維混凝土彎曲強度試驗結果.通過表6可知，隨齡期的增加，纖維納米再生混凝土的彎曲強度呈上升趨勢;隨纖維摻量的增加，彎曲強度先增加后下降.以28d養護齡期為例，除纖維摻量為0.3kg/m3時，彎曲強度低于基準混凝土，其余摻量的纖維混凝土皆高于基準混凝土。其中纖維摻量為0.9kg/m3時，彎曲強度達到最高值5.3MPa，比基準混凝土提高了8.35%。此結果與再生混凝土劈裂拉伸結果相同，證實了PVA纖維能有效抵抗混凝土中的拉應力，延緩受拉裂縫的發展，進而提高了纖維納米再生混凝土的彎曲強度。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

為探究以上制備混凝土在路基施工中的應用效果，將該混凝土應用于某施工線路路基，該路基的寬度為16.40m、13.2m，底基層和基層厚度為18cm。

3.2 施工工藝

（1）混合料拌合：提前對再生料進行處理，用裝載機攪拌均勻，均勻飽水，再根據上述方案制備聚乙烯醇纖維納米再生混凝土備用。

（2）混合料碾壓：聚乙烯醇纖維納米再生混凝土作為路基鋪設后，對該路段進行碾壓，具體碾壓方案如表7所示。

3.3 強度檢測

對試驗路段抽取混合料成型試件，養護6d后浸水一天，然后進行7d無側限壓縮強度試驗，試驗結果如表8所示。從表8可看出，基層和底基層強度平均值皆符合設計要求，說明該混凝土可用于地基施工工程應用。

4 結語

本研究采用納米對再生混凝土骨料進行改性，并在此基礎上摻加聚乙烯醇纖維，制備聚乙烯醇再生納米骨料，最后對制備的再生骨料混凝土進行性能測試。通過以上研究，得到以下3點結論：

（1）再生混凝土中加入PVA纖維，對混凝土的壓縮強度有所影響，但影響較小。在28d養護齡期內，纖維混凝土的壓縮強度最高只達基準混凝土的96.53%。

（2）PVA纖維在再生混凝土中均勻分布，能有效連接再生混凝土內部的細密裂縫兩端，進而緩解應力集中現象，阻礙初始裂縫的開展和新裂縫的產生，對彎曲強度和劈裂拉伸強度起到一定改善作用。且纖維摻量在0.9kg/m3時，彎曲強度和劈裂拉伸強度分別達到3.38MPa和5.3MPa，效果最佳。

（3）將纖維混凝土應用在實際工程中，并對其進行7d無側限壓縮強度試驗，試驗結果表明纖維混凝土的強度平均值符合設計要求，可用于路基工程中。

參考文獻

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