建筑垃圾分離渣土在道路工程中的應用研究

董文紅，石津金，趙 雯

(1.滄州市市政工程股份有限公司，河北 滄州 061000； 2.河北省路用材料與工藝技術創新中心，河北 滄州 061000)

隨著城市建設的快速發展，建筑垃圾的產生量與日俱增，據統計，目前我國建筑垃圾的產生量已占到城市固體廢棄物產生總量的一半以上，其中渣土類建筑垃圾約占70%，在建筑垃圾總量中所占比例最高[1]。根據渣土的來源及產生方式的不同，可以將渣土分為兩類:Ⅰ類渣土為工程垃圾、拆除垃圾和裝修垃圾在資源化處理過程中分離產生的棄土，也稱為分離渣土；Ⅱ類渣土為各類建筑物、構筑物、管網等基礎開挖過程中產生的棄土，也稱為工程渣土[2]。渣土具有資源化屬性，通過一定的技術措施對其再生利用，可以有效提高建筑垃圾資源化利用率，減少建筑垃圾總量，促進建筑垃圾全面、高效地再生利用[3-4]。

滄州市北京路北側規劃路為城市東西方向次干路，行車道寬21 m，底基層結構采用16 cm厚水泥穩定分離渣土代替一步傳統石灰土，7 d無側限抗壓強度要求不小于1.5 MPa。分析分離渣土理化特性，進行水泥穩定渣土的配合比設計和路用性能研究，總結生產施工工藝及控制要點，為類似工程提供借鑒。

1 渣土理化特性分析

由于建筑垃圾的來源比較復雜，造成分離渣土的成分也存在較大的變異性，按照GB/T 14685—2011建設用碎石卵石的要求在滄州某建筑垃圾處置廠分離渣土料堆上取樣，并進行顆粒分析、界限含水率、有機質含量、燒失量、酸堿度等理化特性試驗[5-7]。

1.1 顆粒分析

取分離渣土土樣4 000 g，目測土樣大于0.075 mm的顆粒超過樣本總質量的15%，按照JTG E40—2007公路土工試驗規程要求，先采用“篩分法T0115-1993”進行渣土顆粒分析試驗，篩分結果見表1。根據篩分結果確定渣土的工程分類，經分析，分離渣土樣本為粗粒土中的含細粒土砂。

表1 顆粒組成分析(篩分法)

對粒徑小于0.075 mm的細粒土采用密度計法進行顆粒分析，并結合篩分法顆粒分析結果繪制分離渣土粒徑分配曲線圖，見圖1。分析分離渣土的土顆粒組成特征，以土的級配指標不均勻系數Cu和曲率系數Cc表示。經計算，分離渣土樣本的不均勻系數Cu=45，曲率系數Cc=1.0。

1.2 界限含水率

按照JTG E40—2007公路土工試驗規程“液限和塑限聯合測定法T0118—2007”對分離渣土樣本進行界限含水率試驗，檢測渣土的液限、塑限，試驗結果如表2所示。

表2 界限含水率試驗結果

從表2可以看出，分離渣土的塑性指數介于5～15之間，基本滿足工程用土的要求。

1.3 有機質含量

土的有機質是指土中碳、氮、氫、氧為主，還有少量硫、磷和金屬元素組成的有機化合物，包括各種動植物殘體以及微生物及其生命活動的各種有機產物，它不僅能提供所需的各種營養元素，同時對土的結構的形成，改善土的物理性狀有決定作用。土中有機質含量過高，會使土的塑性和酸度提高，膨脹性增大，滲透性降低，影響整體強度。按照JTG E40—2007公路土工試驗規程“含有機質量(質量分數)試驗T0151—1993”重鉻酸鉀容量法測試分離渣土樣本的有機質含量，試驗結果見表3。

表3 有機質含量試驗結果

從表3可以看出，分離渣土的有機質含量(質量分數)小于2%，滿足工程用土要求。

1.4 燒失量

燒失量和灼燒溫度、灼燒時間等都有密切的關系，灼燒溫度和灼燒時間不同，燒失量結果也不同。參考JTG E40—2007公路土工試驗規程“燒失量試驗T0150—1993”，分別進行500 ℃和950 ℃兩階段燒失量試驗，將烘干樣本過1 mm篩，精確稱量1 g～2 g土樣，記錄質量m0，放入燃燒爐在500 ℃情況下灼燒3 h，記錄灼燒后質量m1，再放入箱式電阻爐在950 ℃情況下灼燒0.5 h，記錄燒后質量m2。500 ℃和950 ℃燒失量按式(1)和式(2)計算。燒失量試驗結果見表4。

(1)

(2)

表4 燒失量試驗結果 %

從本次試驗結果來看，950 ℃測得的燒失量明顯大于500 ℃燒失量。500 ℃測得的燒失量主要為土中的有機質，據文獻[8]表明，480 ℃～ 510 ℃溫度段是有機質和無機質分解的敏感區間，在這個溫度區間有機質全部分解燃燒，一部分無機質處于吸熱即將分解的狀態。950 ℃燒失量法測得的燒失量除有機質外還包括部分結晶水、有機碳、碳酸鹽分解出的CO2，硫酸鹽分解出的SO2。因此，950 ℃燒失量法測得的結果偏大，該溫度下燒失的物質中有機質并不完全占主體。

1.5 酸堿度

研究表明，土壤的pH值對水泥固化土的抗壓強度有較大的影響。采用酸度計測定渣土懸濁液的pH值，試驗結果見表5。從表5可以看出，分離渣土pH值均介于7.1～7.3之間，處于弱堿性介質環境，有利于水泥固化土強度的增長。

表5 酸堿度試驗結果

綜上所述，分離渣土在土的工程分類中屬粗粒土范疇，其塑性指數基本介于5～15之間，有機質含量(質量分數)小于2%，500 ℃燒失量在4%～5%之間，pH值介于7.1～7.3之間，處于弱堿性介質環境，按照CJJ 1—2008城鎮道路工程施工與質量驗收規范的推薦，適宜采用水泥進行穩定用于道路工程底基層。

2 水泥穩定分離渣土配合比設計

按照CJJ 1—2008城鎮道路工程施工及質量驗收規范有關要求進行水泥穩定分離渣土的配合比設計，選擇3%，4%，5%，6%，7%五種不同水泥劑量進行水泥穩定分離渣土混合料配制，分別制備不同水泥劑量的水泥穩定分離渣土試件，進行擊實試驗，確定不同水泥劑量混合料的最大干密度和最佳含水率，見圖2。在最大干密度和最佳含水率的條件下制備無側限抗壓強度試件，進行7 d無側限抗壓強度試驗，試驗結果見圖3。

CJJ 1—2008城鎮道路工程施工及質量驗收規范中規定城市快速路、主干路底基層水泥穩定土的7 d無側限抗壓強度應為1.5 MPa～2.5 MPa。按照內插法計算1.5 MPa強度值對應的水泥劑量為4.22%；同樣假設5%～6% 段的斜率是均勻連續不變的，則滿足2.5 MPa強度值對應的水泥劑量為5.5%；即滿足1.5 MPa～2.5 MPa的水泥劑量應在4.22%～5.5%之間，結合經濟情況，確定5%為適宜的水泥劑量。

3 水泥穩定分離渣土路用性能

在5%水泥劑量的基礎上，以0.5%的變化梯度，即水泥劑量分別為4.5%,5%,5.5%，制備水泥穩定分離渣土試樣，進行水泥穩定分離渣土的不同齡期無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量等力學性能及抗凍性、抗沖刷性等穩定性、耐久性檢驗。

3.1 無側限抗壓強度

水泥穩定分離渣土7 d,28 d,60 d,90 d無側限抗壓強度試驗結果見圖4。

由試驗結果可知：3個水泥劑量的水泥穩定分離渣土7 d無側限抗壓強度均能達到1.5 MPa以上，滿足規定的各級道路用水泥穩定土的7 d無側限抗壓強度要求；不同劑量的水泥穩定分離渣土無側限抗壓強度均隨著水泥劑量的增加和齡期的增長而增強。水泥水化生成有膠結能力的水化產物，在土的孔隙中相互交織搭接，將土顆粒包覆連接起來形成整體，水泥劑量越高，齡期越長，水化反應越徹底，強度越高[9-11]。

3.2 劈裂強度

水泥穩定分離渣土劈裂試驗結果見圖5。隨著水泥劑量的增加，水泥水化產物逐漸增多，水泥穩定分離渣土的劈裂強度均呈現增長趨勢，渣土這種級配良好的粗粒土在水泥水化產物的包裹下易于形成強度良好的整體。水泥劑量為5.5%時，劈裂強度達到0.64 MPa。滿足城鎮道路水泥劑量為4%～6%的水泥穩定碎石材料對劈裂強度的設計要求。

3.3 抗壓回彈模量

水泥穩定分離渣土的抗壓回彈模量試驗結果見圖6。水泥穩定分離渣土的抗壓回彈模量隨水泥劑量的增加而增大，穩定土抵抗變形的能力得到提高。水泥劑量為5.5%時，水泥穩定分離渣土的抗壓回彈模量達到934 MPa，能夠滿足路面基層的強度要求。

3.4 抗沖刷性能

按照JTG E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程中的“無機結合料穩定材料抗沖刷試驗方法T0860—2009”，進行水泥穩定分離渣土的抗沖刷試驗。隨著水泥劑量的增長，水泥穩定分離渣土的平均質量損失大幅降低(見圖7)，抗沖刷性能得到明顯增強。膠凝材料在混合料抗沖刷性能中起到了非常關鍵的作用，隨著水泥劑量的增加，水泥水化生成有膠結能力的水化產物逐漸增多，水化反應越徹底，形成的混合料受水侵蝕的能力越強。水泥劑量為5.5%時，水泥穩定分離渣土的質量損失僅為0.11%，具有較好的抗水侵蝕能力。

3.5 抗凍性能

按照JTG E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程中的“無機結合料穩定材料凍融試驗方法T0858—2009”，進行水泥穩定分離渣土抗凍性能試驗。隨著水泥劑量的增加，水泥穩定分離渣土的凍融殘留強度比增大，質量變化率減小，抗凍融能力增強(如圖8，圖9所示)。

目前規范僅對冰凍地區高速公路和一級公路的石灰粉煤灰穩定類基層的抗凍性能做出了規定，對于其他類基層材料未做出明確規定。滄州屬于中凍區，從試驗結果來看，5%以上水泥劑量的水泥穩定分離渣土殘留強度比能夠滿足規范中要求的中凍區不小于65%的要求。因此在道路工程中應用時，水泥劑量應不低于5%。綜合各項路用性能指標，確定水泥穩定分離渣土的水泥劑量為5.5%。

4 水泥穩定分離渣土生產及施工

滄州市北京路北側規劃路為城市東西方向次干路，全長2 269.78 m，其中K0+000～K0+260段作為水泥穩定渣土試驗段，行車道路面結構為：16 cm厚石灰土(7 d無側限抗壓強度要求不小于0.8 MPa)+16 cm厚水泥穩定渣土(7 d無側限抗壓強度不小于1.5 MPa)底基層，18 cm厚水泥穩定碎石(7 d無側限抗壓強度為3.0 MPa～4.0 MPa)基層，噴灑透層油并做橡膠瀝青下封層，面層采用5 cm AC-16C型瀝青混凝土及4 cm AR-AC13型橡膠瀝青混合料，層間噴灑粘層油。

4.1 生產和施工工藝

以水泥劑量5.5%為基準，重新進行水泥劑量為5%,5.5%,6%的水泥穩定分離渣土的擊實試驗及7 d無側限抗壓強度試驗，試驗結果見表6。

表6 水泥穩定渣土配合比設計試驗結果

綜合考慮強度要求、施工及生產要求、經濟性，確定采用6%水泥劑量的水泥穩定分離渣土，最佳含水率(質量分數)14.4%，最大干密度1.842 g/cm3，7 d無側限抗壓強度為1.68 MPa。

采用WBS700E穩定土廠拌設備進行生產，水泥劑量比試驗室劑量增加0.5%，渣土的含水率(質量分數)為12.9%，拌和加水量3.8%。拌和的水泥穩定渣土均勻、色澤一致，無粘連、結塊現象，手握能夠成團，不松散，無滲水現象。

使用兩臺攤鋪機攤鋪，經試驗段確定現場碾壓工藝為：初壓采用12 t膠輪壓路機穩壓1遍，復壓采用20 t單鋼輪振動壓路機振壓3遍、22 t三輪壓路機碾壓3遍，終壓采用膠輪壓路機碾壓2遍。碾壓成型后進行灑水養生，保持表面濕潤。

4.2 質量檢驗

取拌和好的水泥穩定分離渣土混合料送檢，檢測水泥劑量和混合料含水率，由現場取樣檢測結果可知，混合料水泥劑量為6.5%～6.7%，含水率(質量分數)為14.8%～16.0%。

每2 000 m2現場取樣檢驗混合料的7 d無側限抗壓強度，混合料7 d無側限抗壓強度均大于1.5 MPa，滿足CJJ 1—2008城鎮道路工程施工與質量驗收規范要求。現場采用灌砂法進行水泥穩定分離渣土底基層壓實度檢測，每1 000 m2抽查1點，壓實度檢測結果滿足設計中底基層壓實度不小于93%的要求。在水泥穩定分離渣土底基層成型5 d后進行現場鉆芯，芯樣均完整、密實(見圖10)，芯樣的無側限抗壓強度檢測結果為1.58 MPa。

北京路北側規劃路竣工后對路面質量情況進行了定期回訪，至今路面沒有出現裂縫、車轍等病害，路況良好。

5 結論

1)對拆除垃圾分離渣土進行理化特性研究，確定此類分離渣土在土的工程分類中屬粗粒土，塑性指數為5～15，有機質含量(質量分數)小于2%，宜采用水泥進行穩定用于道路底基層。2)對水泥穩定分離渣土進行配合比設計及綜合路用性能評價，確定適宜的水泥摻量為5.5%～6%，符合各等級道路底基層強度要求。3)水泥穩定分離渣土采用集中廠拌法工藝進行生產施工，與傳統的路拌法石灰土底基層相比，具有生產效率高、膠凝材料用量控制準確、拌和均勻等優點，同時還有效避免了石灰消解造成的環境污染，符合當前的環保和文明施工要求。