廢瓷磚在路面底基層中的應用

董煊,遲連陽,王發強,管清泳,王正文,宋志超

1.中鐵二十三局集團第一工程有限公司,山東 濟南 276800; 2.山東交通學院交通土建工程學院,山東 濟南 250357;3.山東舜都路橋工程有限公司,山東 濰坊 262200; 4.山東東方路橋建設有限公司,山東 臨沂 276002

0 引言

近年來,我國建筑陶瓷行業發展較快,建筑陶瓷磚的產量多年穩居全球第一[1]。瓷磚由含有高比例黏土礦物的天然材料完成脫水程序,并在700～1 000 ℃下燒制而成,具有燒制黏土的抗壓特性[2]。廢瓷磚在自然環境中不易分解,長期堆放易對周圍環境造成不良影響。道路路面路基施工對填筑材料的需求不斷增大,通常選用資源相對欠缺的碎石作為路面底基層填料[3-4],造價較高,可從工業垃圾、生活垃圾及可回收材料中尋找替代的填筑材料。如果廢瓷磚可廣泛應用于高速公路建設,則可減少不可再生資源的消耗和廢瓷磚的堆放,實現資源循環利用,減少環境污染,促進可持續發展[5-7]。

陶瓷顆粒不受水泥水化影響,可采用廢陶瓷顆粒替換水泥混凝土中的骨料。Medina等[8]、王長遠等[9]采用廢陶瓷顆粒替代混凝土的天然粗骨料,發現陶瓷顆粒的質量分數為25%時可提高水泥混凝土的抗壓強度。Lopez等[10]、Binici[11]、黃宏等[12]采用細陶瓷骨料替代天然細骨料,發現混凝土的抗壓強度隨細陶瓷骨料置換率的增大而降低。Debieb等[13]測試細再生陶瓷骨料和天然骨料的吸水率,發現陶瓷骨料因孔隙率較高表現為吸水率較高。Ayn等[14]發現細再生陶瓷骨料的密度(2 496 kg/m3)比細天然骨料(2 978 kg/m3)小,適合摻入生水泥混合料中。采用再生陶瓷骨料生產混凝土是廢陶瓷再利用的可行性選擇,但目前廢陶瓷顆粒和石灰土同時摻入在黏土中用作路面底基層填料的研究較少。

本文將廢棄瓷磚顆粒和石灰土摻入黏土用作路面底基層材料,采用低塑性黏土、石灰土、廢瓷磚顆粒和水制備試件,分析其路用性能,以期提高廢瓷磚的再利用率,減少工業垃圾對環境的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

圖1 黏土和廢瓷磚顆粒的粒度分布

試驗原材料包括低塑性黏土、廢瓷磚顆粒、石灰土和水。低塑性黏土的塑性指數、液限分別為24%、49%,黏土顆粒的密度為2.61×103kg/m3,內摩擦角φ=22°,內聚力c=15 kPa。廢瓷磚顆粒的密度為2.42×103kg/m3。廢瓷磚顆粒累計粒度分布數分別為10%、30%、50%、60%(D10、D30、D50、D60)時,對應的粒徑分別約為1.0、3.8、7.5、9.5 mm。計算均勻度系數Cu=2.5,曲率系數Cc=1.52。98%以上的石灰土可通過孔徑為 0.15 mm 的孔篩,根據文獻[15],選擇質量分數為12%的石灰土提高混合料的抗壓強度。廢瓷磚顆粒的級配為0.075～19.0 mm。黏土和廢瓷磚顆粒的粒度分布如圖1所示。

1.2 試驗方法與結果

根據文獻[16]制備試件,進行加州承載比(California bearing ration,CBR)、無側限抗壓強度(unconfined compressive strength,UCS)、擊實和固結試驗測試。為滿足每個測試標準的要求,4個試驗過程均采用廢瓷磚顆粒質量分數不同的試件。

對試件進行標準擊實試驗[16],分3層擊實,每層25擊,每層試件高度相等,對2層交界處的土面進行刨毛處理。對不同含水量的試件依次擊實,得到廢瓷磚質量分數不同試件的最大干密度和最佳含水量。

采用30 kN的測力環進行加州承載比試驗,百分表讀數精度為0.01 mm。按最佳含水量制備試件,浸泡4 d,計算試件的膨脹率,再通過貫入試驗分別計算不同含水量下各試樣的最大加州承載比。

采用最佳含水量wopt制備試件,浸泡4 d,進行無側限抗壓強度試驗[16]。保持加載速率約為1 mm/min,記錄試件破壞時的最大壓力。試件的無側限抗壓強度為試件破壞時最大荷載與試件面積之比。

不同廢瓷磚顆粒質量分數下試件的試驗結果如表1所示。由表1可知:隨廢瓷磚顆粒質量分數的增大,最佳含水量、膨脹率、無側限抗壓強度減小,最大干密度和最大加州承載比增大。

表1 不同廢瓷磚顆粒質量分數下試件的試驗結果

根據文獻[16]對試件進行標準固結試驗,確定廢瓷磚混合料孔隙比的變化。施壓荷載不同時,不同廢瓷磚顆粒質量分數下各試件的孔隙比如表2所示。由表2可知:施壓荷載相同時,孔隙比隨廢瓷磚顆粒質量分數的增大而略減;廢瓷磚顆粒質量分數w相同時,孔隙比隨施壓荷載的增大而略減。

表2 不同施壓荷載、不同廢瓷磚顆粒質量分數下試件的孔隙比

2 試驗結果分析

2.1 塑性指數及液限

圖2 試樣塑性指數和液限的變化圖

低塑性黏土-石灰土-廢瓷磚顆粒混合料的性能受含水量影響較大,在道路施工中需控制此類混合料的含水量。干燥的混合料中加入水,每個顆粒先被吸附的水包裹;繼續加水時,水膜厚度增大,顆粒易滑動。采用塑性指數表示細粒土的力學特性和變形。測試不同廢瓷磚顆粒質量分數試件的塑性指數和液限變化,結果如圖2所示,其中A線是粉質土與黏質土的分界線,B線是高液限與低液限的邊界。

圖3 不同廢瓷磚顆粒質量分數下試件的干密度-含水量關系曲線

由圖2可知:隨廢瓷磚顆粒的加入,液限和塑性指數均減小;廢瓷磚顆粒質量分數由0增至30%,塑性指數由24%降至19%,原因是廢瓷磚顆粒代替細粒黏土顆粒,黏土減少,混合料結合水的能力下降。液限和塑性指數減小更有利于混合料用于底基層的施工。

2.2 最大干密度及最佳含水量

不同廢瓷磚顆粒質量分數試件的干密度-含水量關系如圖3所示。由圖3可知:廢瓷磚顆粒質量分數相同時,干密度隨含水量的增大先增大后減小;含水量相同時,干密度隨廢瓷磚顆粒質量分數的增大而增大;廢瓷磚顆粒質量分數從0增至30%,試件的最大干密度從1 616 kg/m3增至1 751 kg/m3,原因是密度較大的廢瓷磚顆粒取代了密度相對較小的黏土顆粒。

廢瓷磚顆粒質量分數從0增至30%,最佳含水量從17.5 %減至12.8%。廢瓷磚顆粒的吸水性比低塑性黏土差,隨廢瓷磚顆粒質量分數的增大,黏土顆粒相對減少,試件能吸納的水減少,最佳含水量隨之減小。綜合考慮廢瓷磚顆粒對最大干密度與最佳含水量的影響,低塑性黏土-石灰土-廢瓷磚顆粒混合料可作為路面底基層材料。

2.3 膨脹率

膨脹率為試件高度的變化量與原始高度之比。由表1可知:膨脹率隨廢瓷磚顆粒質量分數的增大而減小,加入廢瓷磚顆粒可有效控制膨脹率。原因是廢瓷磚顆粒的膨脹率比黏土小[17-18];試件膨脹壓力向各方向發展,低塑性黏土顆粒與廢瓷磚顆粒間的界面力變化,界面力可抵消膨脹壓力,減小膨脹率。

2.4 加州承載比

圖4 各試件加州承載比隨含水量的變化曲線

不同廢瓷磚顆粒質量分數試件的加州承載比隨含水量的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知:廢瓷磚顆粒質量分數由0增至30%,混合料的最大加州承載比由約83.01%增至89.26%;不同廢瓷磚顆粒質量分數下,各試件的加州承載比均隨含水量的增大而先增大后減小,廢瓷磚顆粒質量分數較大的試件在含水量變化較小的情況下達到最大加州承載比,廢瓷磚顆粒質量分數較小的試件在含水量變化較大的情況下達到最大加州承載比。主要原因是試件中低塑性黏土顆粒吸水能力較強,隨廢瓷磚顆粒質量分數的增大,低塑性黏土顆粒減少,試件的吸水能力減小。

隨廢瓷磚顆粒質量分數的增大,試件的加州承載比增大,原因是試件的最大干密度增大,混合料的機械強度增大。壓實混合料的機械強度與廢瓷磚顆粒與黏土顆粒間的摩擦與嵌合、廢瓷磚顆粒較高的剛度、黏土塑性降低及廢瓷磚顆粒的級配有關。在低塑性黏土-石灰土混合料中摻加廢瓷磚顆粒可獲得較大的加州承載比。因此,廢瓷磚可應用于路面工程中,節約筑路成本,實現廢料再利用。

2.5 無側限抗壓強度

對最佳含水量下的試件進行無側限抗壓強度試驗,添加廢瓷磚顆粒顯著影響了試件的應力-應變關系,試件的無側限抗壓強度隨廢瓷磚顆粒質量分數的增大而減小。因為摻加廢瓷磚顆粒后的混合料非均質性較高,試件的破壞面一般出現在試件抗壓強度最弱的區域,導致試件的抗壓強度較小。剪切時,廢陶瓷顆粒從混合料的側面脫落,可承受荷載的試件橫截面面積減小,抗壓強度減小。

圖5 不同廢瓷磚顆粒質量分數試件的孔隙比隨固結壓力的變化曲線

對最佳含水量下的試件施加荷載,廢瓷磚顆粒質量分數為30%的試件的無側限抗壓強度比不摻加廢瓷磚顆粒試件減小24%。采用強度衰減指數ESDI評估強度損失率隨廢瓷磚顆粒質量分數的變化,計算公式為:

ESDI=(Q1-Q2)/Q1,

式中:Q1為純低塑性黏土的無側限抗壓強度,Q2為摻加廢瓷磚顆粒的低塑性黏土混合料的無側限抗壓強度。

廢瓷磚顆粒質量分數分別為0、5%、10%、15%、20%、30%時,低塑性黏土-石灰土-廢瓷磚顆粒混合料的強度衰減指數分別為0、2.6%、8.9%、10.4%、18.7%、23.7%。摻加廢瓷磚顆粒對混合料抗壓強度有不利影響,應嚴格控制黏土中廢瓷磚顆粒的質量分數。綜合考慮該混合料的抗壓強度,低塑性黏土-石灰土-廢瓷磚顆粒混合料不適合用作路面基層材料,可用作底基層材料。

2.6 孔隙比

繪制不同廢瓷磚顆粒質量分數的試件的孔隙比隨固結壓力的變化曲線,如圖5所示。

由圖5可知:各試件的初始孔隙比有較大差異,廢瓷磚顆粒質量分數越大,試件的孔隙比越小;施加最大固結壓力后,與未摻加廢瓷磚顆粒的混合料相比,摻加廢瓷磚顆粒混合料的孔隙比變化較小,廢瓷磚顆粒質量分數為30%時,孔隙比由0.500減至0.473。原因是摻加廢瓷磚顆粒使試件的壓縮性降低[19-20]。摻加廢瓷磚顆粒可提高底基層的穩定性。

3 結論

通過加州承載比試驗、無側限抗壓強度試驗、擊實試驗及固結試驗研究低塑性黏土-石灰土-廢瓷磚顆粒混合料的性能,結果表明此混合料的物理力學性能滿足公路底基層材料的要求。隨廢瓷磚顆粒質量分數由0增至30%,試件的最大干密度從1 616 kg/m3增至1 751 kg/m3,混合料的最大加州承載比由約83.01%增至89.26%,塑性指數由24%降至19%,最佳含水量從約17.5%減至12.8%,膨脹率減小,孔隙比減小,可壓縮性降低,試件的無側限抗壓強度從1 138 kPa減至 868 kPa。

廢瓷磚可替代黏土應用在路面底基層,下一步將對廢瓷磚顆粒的最佳質量分數及廢瓷磚能否應用于路面基層進行相關研究,擴展廢瓷磚顆粒在道路工程中的應用領域。