對(duì)建筑廢棄物再利用的土體力學(xué)性能研究

魏文博 李建峰 黃笑蘊(yùn) 梅海榮

(張家口市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站,河北 張家口 075000)

0 引 言

張家口地區(qū)多山地,城市建設(shè)因地形受到較大影響,而且該地區(qū)存在黏土,在建設(shè)工程施工工程中表現(xiàn)出較多的問(wèn)題,造成建筑不均勻沉降等引起的砌體開(kāi)裂、樓板裂縫、門窗局部変形等影響,設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮地基承載力,對(duì)工程中地基土改良以及化學(xué)方法進(jìn)行加強(qiáng)多有學(xué)者進(jìn)行研究.趙潤(rùn)濤[1]采用化學(xué)改良劑對(duì)黏土進(jìn)行改良通過(guò)添加不同比例水泥和石灰達(dá)到改良效果,結(jié)果表明改良效果明顯.王丙杰[2]等通過(guò)對(duì)軟黏土添加石膏和水泥進(jìn)行改良,探究在干濕循環(huán)條件下改良土的含水率和干密度的變化,該方法提高黏土的水穩(wěn)定性.吳家琪[3]等對(duì)近海口軟黏土進(jìn)行研究,對(duì)齡期和水泥摻量進(jìn)行分析水泥改良軟黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究,劉朋飛[4]采用液塑限研究不同改良劑對(duì)液塑限的影響程度,確定改良劑的地層適用性.朱瑩瑩[5]等通過(guò)水泥粉煤灰進(jìn)行固化黏土提高力學(xué)性能,研究結(jié)果顯示抗剪強(qiáng)度顯著提升.學(xué)者對(duì)黏土的改良經(jīng)常采用化學(xué)試劑及傳統(tǒng)改良劑進(jìn)行改良固化,效果均優(yōu)于原狀黏土.

本文采用建筑垃圾碎渣進(jìn)行改良原狀軟黏土,通過(guò)添加不同摻量的建筑碎渣及石灰粉進(jìn)行研究,對(duì)地區(qū)軟黏土的開(kāi)挖利用改良進(jìn)行試驗(yàn)研究,推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,更好服務(wù)地方建設(shè).

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用取自張家口某建設(shè)工程項(xiàng)目施工開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng),對(duì)土樣進(jìn)行整理記錄,采用烘干設(shè)備對(duì)土樣進(jìn)行烘干,確定土樣基本力學(xué)參數(shù)如表1.試驗(yàn)用建筑碎渣取自某拆除施工現(xiàn)場(chǎng),對(duì)建筑垃圾用碎渣進(jìn)行粉碎研磨過(guò)4.75mm洗篩進(jìn)行篩分,保留過(guò)孔顆粒并對(duì)區(qū)成分進(jìn)行分析,如表2所示.石灰采用某品牌碳酸鈣,試驗(yàn)前對(duì)石灰粉的組成成分進(jìn)行測(cè)定,如表3所示.

表1 取樣黏土力學(xué)參數(shù)

表2 建筑碎渣顆粒成分

表3 石灰粉成分測(cè)定

2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀,試件制作過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行確定,對(duì)不同摻量的配合比進(jìn)行確定,對(duì)試件進(jìn)行編號(hào),對(duì)不同齡期的試件進(jìn)行標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照規(guī)范[6],壓力機(jī)制作50mm(直徑)×50mm(高度)試件,脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)(溫度20±2℃,濕度≥95%)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7天.養(yǎng)護(hù)期最后一天將試件取出,然后放置于溫度20±2℃的水中,水平面高于試件表面2.5cm,進(jìn)行浸水試驗(yàn),將試件浸水,24小時(shí)后取出,去除表面水分.為降低含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,以最優(yōu)含水率作為試驗(yàn)含水率;固化劑摻量會(huì)對(duì)最優(yōu)含水率及最大干密度產(chǎn)生影響,確定最優(yōu)摻量減小含水率及干密度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,分別對(duì)摻量各混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),由試驗(yàn)結(jié)果可知當(dāng)摻量為8%～12%時(shí)干密度值變化范圍較小.試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)進(jìn)行,過(guò)程如圖1所示.

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 摻入建筑垃圾對(duì)土體的影響

通過(guò)對(duì)建筑垃圾碎渣的添加量進(jìn)行對(duì)比分析(如圖2),建筑垃圾碎渣軸向應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),達(dá)到最高峰值時(shí)呈下降趨勢(shì),隨著建筑垃圾摻量的增加軸向應(yīng)變亦在增加,并不呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)趨勢(shì),當(dāng)建筑垃圾碎渣摻量達(dá)到15%時(shí)軸向應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到最大值,故當(dāng)建筑垃圾碎渣達(dá)到15%時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較好的應(yīng)力效果.

圖2 建筑垃圾對(duì)土體軸向應(yīng)力應(yīng)變影響

當(dāng)建筑垃圾碎渣摻量不變的情況下,探究齡期對(duì)強(qiáng)度的影響,采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示.建筑垃圾碎渣摻量在養(yǎng)護(hù)齡期增加的情況下,抗壓強(qiáng)度增加,而且摻量不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)正相關(guān),呈增長(zhǎng)趨勢(shì).當(dāng)摻量為15%時(shí),隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)土體抗壓強(qiáng)度增幅較大,表現(xiàn)最明顯,養(yǎng)護(hù)齡期不同的情況下,摻量為15%可以到達(dá)最優(yōu)的效果.建筑垃圾碎渣加入到軟黏土中,建筑垃圾碎渣包括的小顆粒物質(zhì)填充到軟黏土中提高軟黏土的粘結(jié)力和摩擦力,抑制土體變形的發(fā)展,提高土體的力學(xué)性能.

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)強(qiáng)度影響

3.2 摻入石灰粉對(duì)土體的影響

探究石灰粉對(duì)軟黏土的影響,將試件放置標(biāo)養(yǎng)室7d,經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)后的試件軸向應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.石灰粉對(duì)土體的影響隨著軸向應(yīng)力的增大先升高后降低,且隨著石灰粉摻量的增加,土體能夠承受的軸向應(yīng)力也不斷升高,其中添加5%石灰粉的土體最為顯著;而隨著石灰粉摻量的增加,土體承受軸向應(yīng)變的能力減弱,且在下降階段速率增快,摻量為5%的土體最為明顯,說(shuō)明在摻入石灰粉后雖然土體承受軸向應(yīng)力更強(qiáng),但土體延性降低,土體的脆性破壞更加明顯.

圖4 石灰粉對(duì)土體軸向應(yīng)力應(yīng)變影響

為探究摻入石灰粉后土體養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響,采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.摻入石灰粉的土體隨養(yǎng)護(hù)齡期增加,抗壓強(qiáng)度增加,且隨著摻量百分比含量的增加,在相同養(yǎng)護(hù)齡期下,土體的抗壓強(qiáng)度有所提高.當(dāng)摻量為5%時(shí),養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最大.在養(yǎng)護(hù)齡期不同的情況下,摻量為5%能夠承受最大的抗壓強(qiáng)度.因此在土體中適當(dāng)摻入石灰粉可以有效提高土體抗壓能力,提高土體力學(xué)性能.

圖5 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)強(qiáng)度的影響

3.3 兩種摻料對(duì)土體的綜合影響

結(jié)合上述內(nèi)容分析土體混合建筑垃圾和摻入石灰粉對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響,控制土樣養(yǎng)護(hù)齡期為七天,分析結(jié)果如圖6.由圖6可知,土樣養(yǎng)護(hù)期為七天時(shí),混合建筑垃圾和摻入石灰粉的土樣軸向應(yīng)力均大于素土.由(a)、(b)、(c)三圖分別可知,當(dāng)土體摻入石灰粉為5%,加入10%建筑垃圾時(shí),土體能夠承受的軸向應(yīng)力最大;當(dāng)土體摻入石灰粉為5%,加入15%建筑垃圾時(shí),土體能夠承受的軸向應(yīng)力最大;當(dāng)土體摻入石灰粉為4%,加入20%建筑垃圾時(shí),土體能夠承受的軸向應(yīng)力最大.當(dāng)建筑垃圾摻入比例為10%時(shí),加入石灰粉的土樣達(dá)到軸向應(yīng)力的峰值速率要明顯快于素土,之后下降趨勢(shì)也更加快速,當(dāng)建筑垃圾摻入比例為15%時(shí),這種趨勢(shì)減緩,當(dāng)建筑垃圾摻入比例為20%時(shí),這種趨勢(shì)幾乎不存在,但總體來(lái)說(shuō)達(dá)到軸向應(yīng)力極限值所用時(shí)間高于素土.且三圖對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)土體摻入石灰粉為4%,加入20%建筑垃圾時(shí),土體能夠承受的軸向應(yīng)力最大.

(a)10%建筑垃圾混合土 (b)15%建筑垃圾混合土

(c)20%建筑垃圾混合土圖6 7天養(yǎng)護(hù)齡期下不同比例建筑垃圾和石灰粉混合土樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7綜合分析在不同養(yǎng)護(hù)齡期下在土體中摻入相同比例的建筑垃圾與石灰粉時(shí)土樣的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律.分別分析(a)、(b)、(c)三張圖發(fā)現(xiàn),當(dāng)建筑垃圾摻入比例一定時(shí),摻入石灰粉含量越高,土體抗壓強(qiáng)度越高,但當(dāng)建筑垃圾摻入比例達(dá)到20%時(shí),摻入4%的石灰粉含量土體抗壓強(qiáng)度大于摻入5%石灰粉的抗壓強(qiáng)度.而當(dāng)土體摻入建筑垃圾比例一定時(shí),隨著摻入石灰粉含量的增加,土體抗壓強(qiáng)度有所提升,但提升并不明顯.養(yǎng)護(hù)齡期在一定程度上確實(shí)可以提升土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,但摻入一定比例的建筑垃圾和石灰粉后能夠提升土體更多的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.總體分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)摻入20%建筑垃圾以及4%石灰粉時(shí),土體抗壓強(qiáng)度提升最多.

(a)10%建筑垃圾摻入石灰粉 (b)15%建筑垃圾摻入石灰粉

(c)20%建筑垃圾摻入石灰粉圖7 兩種摻入物在不同養(yǎng)護(hù)齡期下對(duì)土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

綜上所述,在土體中同時(shí)摻入一定比例的建筑垃圾和石灰粉,能夠有效提升土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,并且當(dāng)摻入20%建筑垃圾以及4%石灰粉時(shí),土體抗壓強(qiáng)度提升最多,可以作為最優(yōu)方案.加入石灰粉能夠提升土體極限抗壓強(qiáng)度,但會(huì)降低土體延性.摻入建筑垃圾不能明顯提升土體抗壓強(qiáng)度,但可以彌補(bǔ)摻入石灰粉帶來(lái)的不足,兩者相結(jié)合能夠發(fā)揮更好作用.

4 結(jié) 論

(1)將建筑垃圾摻入土體中不能有效提升土體抗壓強(qiáng)度,但有助于提高土體延性.

(2)將石灰粉摻入土體能夠有效提升土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,但會(huì)削弱土體延性.

(3)將建筑垃圾和石灰粉共同摻入到土體中,二者摻料能夠互補(bǔ),提升土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

(4)當(dāng)摻入20%建筑垃圾以及4%石灰粉時(shí),土體抗壓強(qiáng)度提升最多,若能夠適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期則能夠達(dá)到最好效果.

綜上可知,在黏土中摻入一定比例的建筑垃圾和石灰粉,能夠提升黏土的力學(xué)性能,也為建筑垃圾的處理提供了新的研究方向.但考慮到實(shí)際工程各種復(fù)雜的環(huán)境因素以及工期進(jìn)度,工程造價(jià)等人為因素,本研究?jī)H提出一種新的方向,具體效果還需進(jìn)一步在工程實(shí)踐中驗(yàn)證.