建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土臺背填料技術研究

庾會軍，封翔宇

(1.中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710000； 2.海南省交通工程建設局,海南 海口 570100)

1 概述

我國每年因拆除、新建、裝修等產生的建筑垃圾到2020年年底預計將突破30億t，建筑垃圾的數量已占到城市垃圾總量的30%～40%[1]。采用建筑垃圾制備各種道路工程用再生材料，具有消納建筑垃圾量大、可操作性強、使用性能穩定等特點[2-5]，為了更好地保護生態環境和利用好現有資源，將建筑垃圾加工處置成再生骨料進行利用勢在必行[6]，尤其是我國為了實現碳達峰目標與碳中和愿景，資源高效利用與環境保護將進一步強化。

涵洞是公路構造物的基礎部分之一，臺背體作為二者之間的過渡，應防止沉降差變出現的跳車現象。臺背回填效果的主要影響因素包括填料性質以及其密實程度、施工條件及臺背的排水工程的設置情況，其中提高填料的結構強度及壓實程度是解決臺背沉降的關鍵[7]。通常會在填料中添加石灰或設置土工格柵等加筋材料，提高填筑材料的穩定性[8-9]。近年來，用于臺背回填的材料雖然種類繁多，但需要根據使用地區的資源環境情況進行選擇，缺乏普適性，其中采用低自重、抗變形性能強的泡沫混凝土材料具有較強的技術優勢。

泡沫混凝土是在混凝土中摻入發泡膠凝材料，經成型、養護制成的一種含有大量氣孔的輕質水泥混凝土材料，在我國的工程建設中已廣泛應用[10-13]，具有良好的結構強度和使用效果。而采用建筑垃圾再生骨料制備泡沫混凝土材料，將其應用于涵洞臺背填筑，為其資源化利用提供了新思路。

2 原材料加工及工程概況

2.1 原材料加工準備

本文用建筑垃圾再生骨料生產工藝流程如圖1所示，分為進料、破碎、篩分分離三道工序。進料工序是將回收的建筑垃圾通過進料裝置送至料斗篩分，先進行初步的篩除泥土并噴淋除塵，然后將初步處理的建筑垃圾輸送至破碎裝置。破碎和篩分同步進行，首先，采用顎式破碎機進行一級破碎，將石材、磚及混凝土初步破碎，破碎時須裝有除塵系統噴淋降低揚塵，并在篩分設備中將泥土、混凝土和石磚分離，以磁選法分離回收建筑垃圾中的金屬，隨后，將大骨料回送到二次破碎裝置加工，破碎后其顆粒尺寸介于0 mm～63 mm之間，為便于后續材料組成設計，粒徑按照0 mm～10 mm,10 mm～20 mm,20 mm～40 mm,40 mm～63 mm分開存放。

2.2 工程概況

以涵洞為界，洞背分為上段和下段，詳細尺寸見圖2，路基上寬為12 m，下寬為20 m，臺背填筑材料與土路基相銜接。

3 再生骨料泡沫混凝土組成設計及性能評價

3.1 原材料選擇

1)發泡材料。發泡劑采用煙臺賽地重工有限公司的HF系列水泥發泡劑，發泡倍率為46～60，取50，即水∶發泡劑=49∶1，具體技術參數見表1。

表1 水泥發泡劑技術參數

2)水泥。本文采用華潤P.O42.5水泥作為再生骨料泡沫混凝土用水泥，技術指標見表2。

表2 水泥技術指標

3)再生骨料。本文使用的建筑垃圾再生骨料配比為：10 mm～20 mm占35%，20 mm～40 mm占45%，40 mm～63 mm占20%，表觀密度為2 150 kg/m3。

4)水。采用生活飲用水。

3.2 配合比設計

3.2.1 泡沫膠凝材料技術要求

28 d抗壓強度要求值不小于0.9 MPa，濕容重約為540 kg/m3～580 kg/m3，流動度160 mm～200 mm。

3.2.2 泡沫膠凝材料配合比設計

采用上述發泡劑，室內實驗室制備氣泡群。以5.5,5.8,6.1三個水膠比(質量比，下同)分別制作水泥漿，單位體積材料用量見表3。將制備好的氣泡群與水泥漿充分拌和，制成泡沫膠凝材料，按照100 mm×100 mm×100 mm成型試件，脫模后裝入塑料袋密封，標準養生7 d和28 d，隨后進行抗壓強度試驗。

從表3可以看出，水膠比為0.55時，濕容重不符合要求；水膠比為0.61時，28 d抗壓強度達不到強度要求；而水泥∶水∶氣泡群=340∶197∶693時，濕容重、28 d強度、流動度均滿足設計要求。故初步確定水膠比為0.58，水泥∶水∶氣泡群=340∶197∶693的配合比作為設計方案，現場進行單節單層試驗段施工，檢測結果見表4。

表3 泡沫膠凝材料組成及技術指標檢測結果

表4 試驗段泡沫膠凝材料技術指標檢測結果

泡沫膠凝材料試驗段結果表明，抗壓強度仍有一定的富余，故進行配合比優化，降低水泥用量和增加水膠比來達到強度和濕容重滿足要求。保持水泥用量不變，增大水膠比，配合比設計及技術指標檢測結果見表5。

表5 泡沫膠凝材料配合比優化及技術指標檢測結果

根據表5中檢測結果，水膠比0.6時各項指標均合格，且28 d抗壓強度還有一定的富余，得出水膠比為0.6時可以滿足設計要求，從經濟性方面考慮，以水泥用量340 kg為基準，下調水泥用量，配合比及技術指標檢測結果見表6。

從表6中數據可知，配合比水泥∶水∶氣泡群=310∶186∶713時，濕容重、28 d強度均不滿足設計要求，而當水泥∶水∶氣泡群=320∶192∶705時，各項指標均滿足設計要求，故確定的最終配合比為水泥∶水∶氣泡群=320∶192∶705，水膠比為0.6，再次進行試驗段施工，施工過程流暢，各項體積力學指標均滿足設計要求。

表6 泡沫膠凝材料配合比優化及技術指標檢測結果

3.2.3 建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土配合比設計

1)建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土設計要求。加州承載比(CBR)試驗方法是評價土基及路面基層材料強度的一種方法，廣泛應用于道路工程領域。為了有效地評價建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土的強度，采用未篩分碎石進行對比研究(見表7)。

表7 未篩分碎石的檢測結果

對于未篩分碎石，壓實度為95%時，CBR值為38%，強度為2.66 MPa；壓實度98%時，強度為3.20 MPa。故建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土配合比設計的依據為：強度不小于3.2 MPa，濕容重不大于1 750 kg/m3。

2)配合比設計過程。建筑垃圾再生骨料的表觀密度為2 150 kg/m3，各檔骨料配比為：10 mm～20 mm占35%，20 mm～40 mm占45%，40 mm～63 mm占20%，室內試驗以800 kg/m3，1 000 kg/m3，1 200 kg/m3,1 400 kg/m3的摻量進行試配，以上述確定的泡沫膠凝材料，四種配比膠凝材料用量一致，采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試模分2層～3層成型試件，先將泡沫膠凝材料澆入試模約30 mm～50 mm，然后將拌和均勻的建筑垃圾骨料置于試模內，高度至70 mm～80 mm，再澆入泡沫膠凝材料填充空隙，待初凝后再進行上一層填筑，直至裝滿試模，并稍有溢出，待最上一層初凝后將試件頂面收平。成型試件1 d后脫模，標準養生，28 d測試其抗壓強度，試驗結果見表8。

表8 再生垃圾再生骨料泡沫混凝土抗壓強度試驗結果

從表8中數據可知，根據抗壓強度和濕容重要求，建筑垃圾用量越多，濕容重和抗壓強度均隨之增長，考慮到盡可能多采用建筑垃圾骨料，減少膠凝材料用量以降低成本，最終確定再生骨料泡沫混凝土1 m3實驗室配合比為建筑垃圾∶泡沫膠凝材料=1 400 kg∶349 L。

4 工程應用及經濟性分析

4.1 工藝流程

4.1.1 泡沫膠凝材料制備

利用發泡裝置產生氣泡，并將氣泡加入水泥漿中，制備泡沫膠凝材料，此過程需保證漿泡混合均勻，如圖3所示，盡量做到迅速混合，避免使用超過發泡時間的氣泡群。

施工工藝要點如下：

1)發泡劑的選擇。a.發泡劑對生態環境應無不良影響，宜采用界面活性類發泡劑。b.在0 ℃以上的溫度環境，發泡劑不應出現離析現象。c.發泡劑的稀釋倍率不宜小于100。d.發泡劑所制作的泡沫應細密，經消泡試驗確定的濕密度增加率不應超過10%。e.所產生的標準泡沫密度宜為40 kg/m3～60 kg/m3。

2)水泥漿的制備。a.水泥漿的拌和用水不能含有影響泡沫穩定性、泡沫膠凝材料的強度和耐久性的有機物、油污等雜質。b.所用水泥必須先進行消泡試驗，以確定其濕密度增加率是否滿足要求。c.水泥漿應現場連續拌和，避免泡沫膠凝材料澆筑過程中出現局部消泡、初凝現象，影響整體施工質量。同時應在出料口設置過濾網，防止較大顆粒材料堵塞泵管。

4.1.2 澆筑施工工藝

以制備的建筑垃圾再生骨料和泡沫膠凝材料，進行涵洞洞背填筑，施工工藝過程簡述如下:

1)施工前準備。

a.進行澆筑區域、澆筑層的劃分，標識工作區。

b.清除澆筑區的基底雜物，確保基底無積水、無松散軟土，同時對基底土層進行必要的碾壓處理，確保基底的軟土達到標準要求。

c.根據澆筑區域的實際情況進行臨時模板的安裝，將模板安裝緊密，防止因泡沫混凝土的高流動性導致漏漿現象的產生，并在模板側方位涂抹界面劑。

2)泡沫膠凝材料泵送及澆筑準備。

將制備滿足質量要求的泡沫膠凝材料，采用泵管輸送。泵送前，應檢查管接頭是否緊固，確保接頭密封牢固不泄露。泵送過程中，澆筑管的壓力應滿足揚程及輸送距離要求。在澆筑前，將澆筑管的澆筑口放置在澆筑區以外，當觀察到出口均勻出現泡沫膠凝材料時，再將澆筑管移入澆筑區。澆筑正式開始前，先沿著模板的邊沿澆筑一圈泡沫膠凝材料。

3)建筑垃圾泡沫混凝土澆筑。

采用分層施工方式澆筑，單層厚度應控制在30 cm～40 cm，每次澆筑完成暫停施工3 h，待初凝后再施工下一層。若澆筑過程停滯時間超過30 min，應及時清洗管道，避免泡沫膠凝材料部分凝結在澆筑管內造成管道堵塞。

泡沫膠凝材料澆筑時，澆筑管宜與澆筑面保持緩傾角度，見圖4，不宜采用從上而下噴射方式進行澆筑，管口應埋入泡沫混凝土內不小于10 cm，并應減少對泡沫膠凝材料的擾動，以降低泡沫混凝土的消泡量。同時，應采用澆筑點由中心向四邊擴展或采用多點澆筑的方式進行澆筑，澆筑點不應直接沖擊面板及伸縮縫模板部位，避免造成面板底部及接縫處的滲漏。當澆筑至頂層時，采用后退方式拖移澆筑管進行人工掃平，澆筑層終凝后方可進行上層的澆筑施工。

頂層泡沫混凝土澆筑完畢后，采用土工布保濕養生，同時禁止直接在泡沫混凝土表面進行機械、車輛作業或堆壓雜物，路面施工必須在頂層泡沫輕質土養護不少于28 d以后進行(見圖5)。

4.2 工后沉降觀測

泡沫混凝土施工完成后，在左幅、右幅各布設1個沉降觀測點，進行為期一個月監測，沉降數據見表9,表10。

表9 左幅沉降觀測記錄(高5 m～8 m) mm

從表9,表10可以看出，隨之時間延長，無論左幅還是右幅，沉降量逐漸降低，填方高度越大，累計沉降量也越大，但工后一個月，建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土結構趨于穩定，沉降量很小。建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土兼備土質路基及支擋防護作用，自重輕，大幅降低填土荷載，減少了洞背回填材料自身的滑動力矩，提高其抗滑穩定性，對外側無側向壓力，有效抑制了臺背和地基之間的不均勻沉降和側移，沉降量遠低于一般填土臺背。同時建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土導熱系數低于一般回填材料，保溫性能良好，不易產生由溫度變化所引起的裂縫，提高路基路面構造物的耐久性。

表10 右幅沉降觀測記錄(高2 m～3 m) mm

4.3 經濟性分析

通過分析表11,表12可以看出，建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土填筑成本為175.58元/m3，未篩分碎石填筑成本為192.97元/m3，每立方米成本約降低9.0%。建筑垃圾泡沫混凝土可使建筑垃圾資源化和無害化利用，且來源廣泛、價格便宜，可以減少天然砂石料的使用，節約資源，具有良好的社會經濟效益。此外，建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土結構穩定，荷載敏感性較低，有效緩解填筑材料自重及交通荷載對其產生沉降，從而提高路面結構的耐久性及行車舒適性。

表11 每立方米建筑垃圾泡沫混凝土材料成本及機械費用

表12 每立方米未篩分碎石材料成本及機械費用(3 d施工完成)

5 結語

1)采用建筑垃圾破碎成再生骨料用于涵洞洞背回填，按其顆粒尺寸分為0 mm～10 mm,10 mm～20 mm,20 mm～40 mm,40 mm～63 mm四檔，提出建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土骨料配比為：10 mm～20 mm占35%，20 mm～40 mm占45%，40 mm～63 mm占20%。

2)分別進行泡沫膠凝材料組成和再生骨料混凝土配合比設計、優化及性能評價，提出泡沫膠凝材料和建筑垃圾再生骨料混凝土的技術要求，確定泡沫膠凝材料組成為水泥∶水∶氣泡群=320∶192∶705，水膠比為0.6，再生骨料泡沫混凝土1 m3實驗室配合比為建筑垃圾∶泡沫膠凝材料=1 400 kg∶349 L。

3)提出了建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土涵洞洞背回填的施工工藝流程，進行工后沉降觀測，發現建筑垃圾再生骨料泡沫混凝土具有良好的結構穩定性，有效抑制了臺背和地基之間的不均勻沉降和側移，其多孔結構保溫性能良好，不易產生由溫度變化所引起的裂縫，提高路基路面構造物的耐久性。