建筑垃圾改良膨脹土填筑路基可行性研究

周志清，王定鵬

(中冶南方城市建設工程技術有限公司，湖北 武漢 430200)

膨脹土是因歷史地質作用形成的一種特殊性黏土，呈灰白、灰黃、棕紅、褐黃等色狀，其礦物成分以強親水性蒙脫石、伊利石為主[1].遇水易膨脹軟化、強度衰減，失水易收縮開裂；具有顯著的脹縮性和多裂隙性，淺層破壞多發[2].針對膨脹土的工程特性，李妥德[3]對采用礦渣復合料改良膨脹土的工程特性進行了研究，結果表明：摻入礦渣無機料改良膨脹土的方法是經濟可行的.莊心善[4]等通過對風化砂改良后的膨脹土進行無荷膨脹率和三軸試驗，找出膨脹土膨脹率、粘聚力和內摩擦角隨風化砂摻量的變化規律，確定最佳摻砂比.陳善雄[5]、劉廣武[6]、李建寧[7]等探討了膨脹土的石灰類改性劑改性技術.賀行洋[8]等在對影響膨脹土脹縮性的因素研究后，對工程中現有膨脹土固化方法耐久性較差的原因進行了說明.唐咸遠[9]等采用不同化學改良材料對不同路段膨脹土進行改良試驗，通過分析不同改良土有關脹縮、強度試驗數據對比說明不同改良材料對膨脹土的效果及適應性.此外，膨脹土處理方法還有路基保濕法[10-11]、換土法[12]、樁基礎[13-14]等.

隨著我國城市化進程的加快，人們從事建設、拆遷、裝修等生產活動越來越多.而這些活動中往往伴隨著產生大量的渣土、磚塊、混凝土等建筑垃圾.目前，中國建筑垃圾的處理方式較為落后，對社會環境造成不利影響.將建筑垃圾按一定比例摻入到膨脹土中的物理改良法一方面可起到降低膨脹土路基脹縮特性、降低其毛細作用，另一方面也可起到提高路基強度特性及其透水性能，起到“變廢為寶”的效果.

作為路基填料其CBR強度必須滿足規范要求，此外，膨脹土若用作路基填料其脹縮特性亦需滿足要求，因此，本文主要針對建筑垃圾混合土的強度以及脹縮特性進行研究.

1 試驗材料

試驗用土取自荊州城北復興大道第一分部，土樣取回后，按照《公路土工試驗規程》[15]進行了土?；疚锢硇再|指標以及脹縮特性等試驗，結果見表1～2.

依據《膨脹土地區建筑技術規范》[16]自由膨脹率判別標準、《公路路基設計規范》[17]中的脹縮總率、標準吸濕含水率判別標準、李生林[18]塑性圖判別方法等最終判定土樣為弱膨脹土，故需經過處理后才可用于路基填筑.

建筑垃圾取自第一分部沿線房屋拆遷所產生的混合物，主要成分為：磚渣含量50%左右，混凝土塊及碎屑含量49%左右，陶瓷鋼筋等含量0.7%左右，輕物質含量0.3%左右，對雜物進行清撿，破碎處理后，分別過篩40 mm(圓孔篩)、31.5 mm、19 mm、9.5 mm、選擇方孔篩[19]分成四種粒組.下文中分別稱為①、②、③、④粒組.按《公路工程集料試驗規程》[20]對其進行了原材料試驗，主要包括各成分含量、材料密度、吸水率、液塑限測定等.試驗結果如表3.

表1 土?；疚锢硇再|指標Tab.1 Basic physical properties of soil particles

表2 土粒脹縮特性指標Tab.2 Expansion and shrinkage characteristics of soil particles

表3 建筑垃圾再生料原材料試驗Tab.3 Raw material test of construction waste recycled materials

2 試驗方案

配置3種粒級組合：粒級組合Ⅰ(由單粒組③組成)、粒級組合Ⅱ(由單粒組②組成)、粒級組合Ⅲ(由粒組①、④按照5∶5比例組成)，將3種建筑垃圾粒級組合再按照0%、20%、30%、40%、50%、的質量百分數摻到素土中，由重型擊實試驗得到試樣.稱量計算干密度后，進行浸水飽和并記錄試樣膨脹量，飽和后進行貫入試驗測得CBR5.0.按照13種組合最佳含水率、壓實度94%稱料取樣，每組3個試樣，然后利用萬能材料實驗儀靜壓成型，將所得試樣按照CBR試驗方式進行浸水3 d飽和，并記錄讀取試樣的浸水膨脹量，12組摻建筑垃圾混合土試樣按照各自膨脹量與0%摻比素土試樣膨脹量比例近似換算脹縮總率，浸水飽和后按照《公路土工試驗規程》[15]進行CBR試驗.

3 試驗結果及分析

3.1 建筑垃圾改良土擊實試驗結果

對13組試樣進行重型擊實試驗，得到各自最佳含水率、最大干密度如表4所示.

表4 建筑垃圾土擊實試驗結果Tab.4 Soil compaction test results of construction waste

由表4可知：對比素土、建筑垃圾土的干密度稍有增加，這是因為建筑垃圾的摻入會在試樣內部形成粗骨架作用，而膨脹土起到填充作用，混合土級配較素土更優，因此最大干密度略有上升.對比同一粒級組合看出3種建筑垃圾粒級組合改良土在建筑垃圾摻量為20%～40%時，隨著建筑垃圾摻量的增加，試樣最大干密度遞增，當摻量超過40%時，最大干密度出現明顯減小趨勢.并且當摻量為50%時，干密度驟降，說明當建筑垃圾含量過高，試樣內部骨架孔隙過大，土體比例過小，骨架孔隙沒有得到有效填充[21].此外建筑垃圾土最佳含水率較素土降低，并隨著摻比的增加而降低，對比不同粒級組合，相同摻比時粒級組合Ⅰ最佳含水率最低，這是因為土樣最佳含水率與土粒粒徑有關，相對粒徑越大，最佳含水率越小[22].

3.2 CBR試驗結果

由重型擊實100%壓實度試樣及靜壓成型94%壓實度試樣CBR5.0如下表5及圖1～2所示.

表5 CBR試驗結果Tab.5 CBR test results

圖1 重型擊實試樣CBR5.0與摻比關系Fig.1 The relationship between CBR5.0 and mixing ratio of heavy compacted sample

圖2 靜壓成型試樣CBR5.0與摻比關系Fig.2 The relationship between static pressure forming sample CBR5.0 and mixing ratio

由表5及圖1～2可知：靜壓成型建筑垃圾土CBR強度較素土明顯提高，且3種建筑垃圾粒級組合摻量為20%～50%時，CBR5.0呈現遞增，而當摻量大于40%時CBR5.0雖然仍然增加，但是增加的趨勢較之前有所減緩，這是因為建筑垃圾粒級組合改良膨脹土強度特性主要依賴于建筑垃圾的骨架效應，50%建筑垃圾摻量時，改良土中建筑垃圾骨架作用增加，但是土體比例過小，骨架孔隙沒有得到有效填充，這從擊實試驗結果50%建筑垃圾摻比時最大干密度減小可驗證.重型擊實建筑垃圾土CBR強度高于靜壓成型建筑垃圾土，但CBR強度隨建筑垃圾摻比的變化趨勢兩者有所不同，原因可能是成型方式不同，內部建筑垃圾骨架作用不同從而對膨脹土的膨脹約束效果不同，浸水后膨脹量也不同，因此CBR變化趨勢不同.

荊州城北快速路設計標準為一級公路，《公路路基設計規范》[17]中一級公路對于路基填料CBR值及壓實度要求如下表6所示.

表6 路基不同部位CBR、壓實度要求值Tab. 6 CBR and compaction requirements for different parts of subgrade

對比表5、6可知：建筑垃圾土在規范要求壓實度時CBR強度滿足路堤要求(除粒級組合Ⅱ20%摻比時不滿足上路堤要求)，壓實度滿足規范要求時粒級組合Ⅰ建筑垃圾摻比為30%～50%，粒級組合Ⅱ摻比40%～50%，粒級組合Ⅲ摻比30%～50%，CBR強度能達到路床要求.因此，建筑垃圾改良后膨脹土在一定壓實度且建筑垃圾配、摻比合理時材料CBR強度可以達到規范要求.

3.3 膨脹量試樣結果

試樣浸水飽和膨脹量測量結果如下表7，圖3～4所示.

表7 膨脹量記錄結果Tab.7 Recording results of expansion

圖3 重型擊實試樣膨脹量與摻比關系Fig.3 The Relationship between expansion and mixing ratio of heavy compacted specimen

圖4 靜壓成型試樣膨脹量與摻比關系Fig.4 The relationship between expansion and mixing ratio of hydrostatically formed samples

由表7及圖3～4可知：建筑垃圾的摻入顯著降低了膨脹土的膨脹特性，這是因為一方面建筑垃圾的摻入使土體中膨脹土比例降低，導致膨脹量降低，另一方面建筑垃圾骨架對膨脹土起到抑制膨脹作用.此外粒級組合Ⅱ、Ⅲ由擊實所得試樣建筑垃圾摻比20%～50%時膨脹量隨著建筑垃圾摻比的增加膨脹量降低，粒級組合Ⅰ超過40%后膨脹量稍有增加，原因可能是因為粒級組合Ⅰ建筑垃圾摻比達到50%時，干密度較小，內部空隙較大，粗骨架之間聯結作用減弱，對膨脹土的約束作用降低.而由靜壓成型試樣膨脹量隨著建筑垃圾摻比的增加膨脹量一直降低，出現這種情況的原因可能是因為擊實、靜壓成型試樣內部建筑垃圾粗骨架結構不同：擊實過程中試樣內部建筑垃圾破碎、粒級重組、移動、嵌固等現象更為顯著，粗骨料之間的摩擦-咬合力更顯著，抑制膨脹作用更明顯.

建筑垃圾土脹縮總率按式1換算：最終換算結果整理如圖5～6，表8所示.

圖5 重型擊實試樣脹縮總率與摻比關系Fig.5 The relationship between the total expansion and contraction ratio of the heavy compacted sample and the mixing ratio

圖6 靜壓成型試樣脹縮總率與摻比關系Fig.6 The relationship between the total expansion and contraction ratio of the static pressure forming sample and the mixing ratio

表8 建筑垃圾土脹縮總率換算結果Tab.8 Conversion results of total expansion and contraction rate of construction waste

(1)

由表8及圖5、6可知：由重型擊實試驗所得試樣脹縮總率除粒級組合Ⅱ與粒級組合Ⅲ中20%摻比大于《公路路基設計規范》[17]要求值0.7%，其余粒組脹縮總率均滿足要求，而由靜壓成型所得試樣脹縮總率較重型擊實所得試樣更大，但也基本滿足規范要求不大于0.7%(除粒級組合Ⅱ中20%、30%與粒級組合Ⅲ中20%摻比)，在實際工程中路基的碾壓是采取振動與靜壓結合的方式進行，因此路基脹縮總率取由重型擊實試驗所得試樣更符合工程實際.因此可說明建筑垃圾改良后膨脹土在合理粒料級配及摻比時脹縮特性上可以達到規范要求.

4 工程實例

項目工程實例為荊州城北快速路一分部，試驗段長度100 m，寬度15 m.路堤厚度50 cm，建筑垃圾摻比30%、壓實度按照94%控制.路床80 cm，建筑垃圾摻比40%、壓實度按照96%控制，路床頂面設計彎沉值194 mm、回彈模量40 MPa.建筑垃圾在現場加工破碎，技術指標如表9所示.

表9 現場建筑垃圾篩分結果Tab.9 Screening results of on-site construction waste

建筑垃圾現場破碎加工后與膨脹土拌和悶料24 h，悶料完成后采用自卸車運送到試驗路段，攤鋪均勻后(視干濕程度進行灑水或晾曬)，采用路拌機拌和，然后采用26 t鋼輪壓路機進行壓實，現場碾壓技術參數如表10所示.

路堤分兩層鋪設碾壓、路床分四層鋪設碾壓.每層碾壓完成后進行壓實度檢測，檢測結果如表11所示.

表10 現場路基碾壓技術參數Tab.10 Technical parameters of on-site roadbed rolling

表11 現場壓實度檢測結果Tab.11 On-site compaction test results

由表11可知：路堤、路床各分層壓實度指標均滿足規范要求.路床頂面施工完成后3 d進行了現場回彈彎沉試驗，總檢測了兩個車道，每車道檢測7個點.檢測結果及回彈模量換算結果如表12所示.

表12 路床頂面回彈彎沉檢測結果一覽表(0.01 mm)Tab.12 List of detection results of rebound deflection on the top surface of road bed (0.01 mm)

由表12可知，試驗路路床頂面彎沉值滿足設計要求，路床頂面換算回彈模量達到設計要求.

5 結論

本文通過3種粒級組合及不同摻比建筑垃圾改良膨脹土的一系列室內物理、力學指標、脹縮特性試驗進行建筑垃圾改良膨脹土可行性研究，得出以下結論：

(1)建筑垃圾摻入膨脹土中可提高膨脹土CBR強度，建筑垃圾土CBR隨著建筑垃圾摻量的增加而升高.當建筑垃圾摻量較低時，CBR強度可滿足路堤填料要求，而當摻量達到40%、50%時，建筑垃圾混合土CBR強度甚至可滿足路床要求；

(2)建筑垃圾摻入膨脹土中可顯著降低膨脹土脹縮特性，隨著摻比的增加效果越好.不同的粒級組合在摻比相同時，改良效果不同，對比發現粒級組合Ⅰ改良效果最好.3種粒級組合摻比分別達到20%、30%、30%及以上時，脹縮總率低于0.7%，滿足規范要求；

(3)當按照設計要求，嚴格施工時，建筑垃圾改良土路基彎沉值及回彈模量可達到路基設計要求值，因此建筑垃圾改良膨脹土方法在工程中切實可行.