水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石基層性能研究

時(shí)成林 姚俊杰 宋文祝 王 勇

（1.吉林建筑大學(xué)， 吉林 長(zhǎng)春 130119； 2.吉林省公路管理局， 吉林 長(zhǎng)春 130012 ）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，老舊房屋拆遷改造工作日益增多，使得我國(guó)每年的建筑固廢數(shù)量呈遞增的趨勢(shì)。截至2020年，我國(guó)因新建、拆除、裝修等建筑業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的建筑固廢已突破26億噸，占城市固廢總量的30%～40%。對(duì)于建筑固廢的處理，我國(guó)目前主要以填埋堆放為主，占用大量的土地，污染水土環(huán)境，對(duì)環(huán)境造成不良的影響。因此，如何有效利用建筑固廢，成為我國(guó)亟待解決的問題。近年來，隨著環(huán)境保護(hù)問題的持續(xù)升溫，廢棄資源的再利用成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。建筑固廢的利用尚存在一些問題急需解決，因?yàn)榻ㄖ虖U的來源不同，使得建筑固廢的組成成分較為復(fù)雜，經(jīng)過分揀、破碎和篩分后的建筑固廢性能差別較大，導(dǎo)致建筑固廢難以被充分利用。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)建筑固廢在道路上的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究。樊興華等人對(duì)建筑固廢骨料的特性進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)與天然集料相比建筑固廢具有密度低、吸水率大、壓碎值大的特點(diǎn)[1]。田振對(duì)再生水泥混凝土集料進(jìn)行了研究，其結(jié)論說明隨著試件齡期的增長(zhǎng)，水泥穩(wěn)定再生混凝土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度高于水泥穩(wěn)定碎石，這說明建筑固廢摻量的增加能提高水泥穩(wěn)定材料后期強(qiáng)度[2]。肖杰將磚和混凝土混合摻入水泥穩(wěn)定碎石中研究建筑固廢對(duì)混合料的影響，發(fā)現(xiàn)隨著建筑固廢摻量的增加混合料的抗沖刷性能和溫縮性能有著較大幅度的下降，建筑固廢摻量超過60%時(shí)各個(gè)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度開始下降[3]。劉克非對(duì)水泥穩(wěn)定建筑固廢材料進(jìn)行了干縮試驗(yàn)，結(jié)果表明水泥穩(wěn)定建筑固廢干縮較大，失水率高，建筑固廢摻量不宜超過50%[4]。郭遠(yuǎn)臣將建筑固廢的含泥量和天然碎石進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)建筑固廢的含泥量遠(yuǎn)高于天然碎石[5]。吳超凡對(duì)水泥穩(wěn)定建筑固廢基層路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，結(jié)果表明隨著建筑固廢摻量的增加，路表彎沉值先增后減，基層層底彎拉應(yīng)力同樣先增后減[6]。

將建筑固廢用于基層，首先要研究建筑固廢材料性能，開展一系列室內(nèi)試驗(yàn)，探討水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性等路用性能，研究建筑固廢水泥穩(wěn)定碎石材料的路用性能，為建筑固廢的應(yīng)用提供理論支撐。

1 原材料特性

1.1 水泥

試驗(yàn)采用32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其性能滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB175）的要求，水泥的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥性能試驗(yàn)結(jié)果

1.2 碎石集料

試驗(yàn)采用石灰?guī)r碎石，分4檔，碎石集料的壓碎值、表觀密度、吸水率見表2。

表2 集料性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3 建筑固廢

建筑固廢集料為混凝土樓板經(jīng)拆除、分揀、破碎和篩分而成的，建筑固廢的破碎采用顎式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎后篩分為三檔備用。建筑固廢集料的壓碎值、表觀密度和吸水率見表3。

表3 集料性能試驗(yàn)結(jié)果

從外觀看建筑固廢集料的棱角性較好，表面有較多的孔隙，與天然集料相比，建筑固廢集料表面較為粗糙。從表2、表3可以看出碎石的壓碎值和吸水率分別比建筑固廢的小16%和93.4%，碎石的密度比建筑固廢密度大4%，碎石強(qiáng)度比建筑固廢高，在利用建筑固廢時(shí)要考慮到吸水率大所導(dǎo)致的基層防水、防凍問題。規(guī)范中對(duì)于壓碎值的規(guī)定為≤30%，試驗(yàn)中所采用的碎石和建筑固廢滿足規(guī)范要求。

2 混合料組成

將碎石和建筑固廢各檔料用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，將建筑固廢以0%、25%、50%、75%這幾種比例摻入混合料中，調(diào)整級(jí)配使合成級(jí)配滿足規(guī)范級(jí)配上、下限的要求，級(jí)配見表4。

表4 水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石級(jí)配表

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)中將0%、25%、50%、75%、100%五種建筑固廢摻量進(jìn)行試驗(yàn)，探討了擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗凍性、靜態(tài)回彈模量等路用性能。

3.1 擊實(shí)特性

不同水泥劑量、不同建筑固廢摻量情況下混合料最佳含水率和最大干密度的變化趨勢(shì)，見圖1、圖2。

圖1 最大干密度趨勢(shì)圖

圖2 最佳含水率趨勢(shì)圖

由圖1、圖2可以看出，隨著建筑固廢摻量的逐漸增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的最大干密度呈下降趨勢(shì)，最佳含水率呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)榻ㄖ虖U的密度低于碎石，吸水率高于碎石，隨著建筑固廢含量的增加，混合料的內(nèi)部孔隙增多，使得混合料的密度下降。因?yàn)榻ㄖ虖U含有大量的微小孔隙和裂縫，使得建筑固廢吸水量增多，因此隨著建筑固廢摻量的增加混合料的最佳含水率逐漸增加。從水泥劑量的角度看，水泥劑量對(duì)混合料的最大干密度和最佳含水率的影響較小，因?yàn)樗嗟馁|(zhì)量在混合料中的占比較小，其影響較弱。從圖2可以看出隨著水泥劑量的增加，最佳含水率有小幅的上升，這是因?yàn)樗嗟乃磻?yīng)需要混合料中的水進(jìn)行反應(yīng)，隨著水泥劑量的增加，水化反應(yīng)需要的水的質(zhì)量也會(huì)上升。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石各個(gè)建筑固廢摻量下7d、28d、90d、180d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見圖3。

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖3、圖4可以看出，隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在下降。當(dāng)建筑固廢摻量為25%時(shí)下降幅度較小，而當(dāng)建筑固廢的摻量達(dá)到50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度大幅下降。這是因?yàn)榻ㄖ虖U相比于碎石其內(nèi)部有較多的裂縫和孔隙這使得其壓碎值大于天然碎石，強(qiáng)度小于碎石，因此摻加過多的建筑固廢會(huì)使強(qiáng)度大幅下降。建筑固廢中含有水泥活性成分，其火山灰反應(yīng)仍在繼續(xù)，這一作用對(duì)于強(qiáng)度的形成是有利的，所以摻加25%的建筑固廢混合料的強(qiáng)度下降幅度較小。從齡期上看7～28d這一階段強(qiáng)度提升最為明顯，28d之后強(qiáng)度提升有限，這說明添加建筑固廢對(duì)于水泥穩(wěn)定建筑固廢的長(zhǎng)齡期強(qiáng)度提升有限，雖然建筑固廢中會(huì)有火山灰反應(yīng)但因?yàn)槭腔炷僚f料所以反應(yīng)的程度很弱，因而不能對(duì)混合料長(zhǎng)齡期強(qiáng)度的形成有所幫助。

圖4 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）對(duì)于高速公路和一級(jí)公路中、輕交通道路的底基層7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求為2～4MPa，試驗(yàn)中摻入建筑固廢的水泥穩(wěn)定碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低為2.98MPa，滿足規(guī)范要求，可以用于高速公路和一級(jí)公路中、輕交通道路底基層的鋪設(shè)。建筑固廢摻量達(dá)到25%、50%時(shí)7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為3.85MPa和3.13MPa滿足規(guī)范中對(duì)于高速公路和一級(jí)公路對(duì)于中、輕交通道路基層的7d強(qiáng)度要求。綜上，從7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以看出，摻入建筑固廢的水泥穩(wěn)定碎石可以用于高速公路和一級(jí)公路底基層的修筑，對(duì)于二級(jí)及二級(jí)以下重交通和中、輕交通道路的道路基層也適用(見表5)。

表5 水泥穩(wěn)定材料的7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn) MPa

3.3 劈裂強(qiáng)度

因?yàn)楣こ讨谐Ｓ?%水泥劑量，各水泥劑量7d強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，為了研究應(yīng)用的廣泛，故路用性能試驗(yàn)中水泥劑量采用5%。水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石90d齡期的劈裂強(qiáng)度結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的劈裂強(qiáng)度逐漸下降，在建筑固廢的摻量達(dá)到75%時(shí)劈裂強(qiáng)度大幅下降。通過和圖3進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的劈裂強(qiáng)度隨建筑固廢摻量的增加，強(qiáng)度變化趨勢(shì)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，這主要是因?yàn)橄嗤牧系目箟簭?qiáng)度和劈裂強(qiáng)度具有一定的關(guān)系。建筑固廢本身的強(qiáng)度不如碎石，因?yàn)榻ㄖ虖U自身表面有較多的小裂紋和孔隙，故隨著摻量的增加，混合料中的薄弱部位增多，使得劈裂強(qiáng)度下降。

3.4 抗壓回彈模量

不同建筑固廢摻量下水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的90d、180d、180d凍融后抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知隨著建筑固廢摻量的增加，混合料的抗壓回彈模量呈逐漸下降的趨勢(shì)，建筑固廢摻量和抗壓回彈模量的變化趨勢(shì)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。因?yàn)榻ㄖ虖U中有較多的孔隙，這使得其與相同質(zhì)量較低受力時(shí)，隨著建筑固廢摻量的增加，建筑固廢在試件中占有的體積增大，當(dāng)試件體積中建筑固廢占比較大時(shí)，對(duì)于水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的削弱作用非常明顯，這是建筑固廢摻量增加對(duì)于試件強(qiáng)度呈削弱作用的主要原因。

通過對(duì)比90d和180d抗壓回彈模量可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)建筑固廢摻量的180d抗壓回彈模量相比于90d抗壓回彈模量分別提高11%、12%、26%、34%，這說明隨著建筑固廢摻量的增加，齡期對(duì)于抗壓回彈模量的提升越明顯。建筑固廢中含具有活性的SiO2和Al2O3玻璃態(tài)物質(zhì)，當(dāng)普通水泥穩(wěn)定碎石中摻入一定數(shù)量粒徑較細(xì)的建筑固廢后，建筑固廢中的部分活性物質(zhì)能夠和水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生一定的火山灰反應(yīng)，這種反應(yīng)對(duì)于長(zhǎng)齡期試件的強(qiáng)度和模量提升較為明顯，因此隨著建筑固廢摻量的增加，齡期對(duì)于模量的提升越明顯。

3.5 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

抗凍試驗(yàn)試件齡期為180d，凍融循環(huán)次數(shù)為10次，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石抗凍性通過凍融循環(huán)前后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化來表征，抗凍指數(shù)（BDR）為試件凍融后抗壓強(qiáng)度和180d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值。此外在滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)行過凍融的抗壓回彈模量試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，以進(jìn)一步表征試件的抗凍性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可以看出，隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的抗凍性能下降。原因是建筑固廢有著較多的孔隙和裂縫，導(dǎo)致試件在浸泡時(shí)水會(huì)填滿這些縫隙并滯留在其中，而這些在孔隙中的水經(jīng)過冷凍后體積會(huì)膨脹，進(jìn)一步的撐開孔隙使得原本脆弱的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞。同時(shí)建筑固廢有著較大的吸水率，試件經(jīng)過浸泡后建筑固廢吸收大量的水分無法排出，而這些多出來的水分經(jīng)過凍融循環(huán)會(huì)削弱試件內(nèi)部的粘結(jié)力和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而使得水泥穩(wěn)定固廢碎石的性能下降。

4 結(jié)束語

（1）隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石材料的最大干密度呈下降趨勢(shì)，最佳含水率呈上升趨勢(shì)。

（2）摻建筑固廢的水泥穩(wěn)定碎石7d滿足規(guī)范中的要求，其中建筑固廢摻量小于50%時(shí)，強(qiáng)度和模量降低較小，可視同水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行設(shè)計(jì)，適合修筑道路的基層；當(dāng)建筑固廢摻量大于50%時(shí)，強(qiáng)度和模量降低較大，適合修筑底基層，有利于與路基的變形協(xié)調(diào)，提高公路使用壽命。

（3）隨著建筑固廢摻量的增加，水泥穩(wěn)定建筑固廢碎石的抗凍性能下降，但可滿足規(guī)范對(duì)抗凍性能的要求。