建筑拆除垃圾再生骨料的抗剪強度測試研究

摘 要：本文以某房建拆除工程產生的建筑垃圾再生混凝土骨料和再生磚骨料為研究對象，通過室內試驗測試了其基本物理特性和抗剪強度。結果表明，受生產工藝及原料性質影響，該拆除現場建筑垃圾生產的再生骨料級配較差，表觀密度未達到規范要求，再生混凝土骨料強度高于再生磚骨料，剪切過程中的顆粒破碎、重組等因素是造成剪切位移—剪應力曲線跳躍的主要原因，再生混凝土骨料和再生磚骨料的黏聚力分別為250.03kPa、238.74 kPa，內摩擦角分別為39.99°、30.09°。相關研究成果可為工程現場建筑垃圾的資源化處置提供參考。

關鍵詞：建筑垃圾；再生混凝土骨料；再生磚骨料；抗剪強度

中圖分類號：TU 50" 文獻標志碼：A

據統計，我國建筑垃圾年產量超20億t[1]，其中，拆除垃圾占比超過50%[2]。目前我國建筑垃圾資源化利用率不足10%[3]，仍以填埋消納處置為主，不僅對環境影響巨大且易造成資源浪費。

建筑垃圾中的混凝土塊、磚塊等經處理后可循環利用，李芳軍[4]研究了水灰比和骨料粒徑對再生磚混透水混凝土抗壓強度和透水系數的影響，結果表明，骨料粒徑為4.75～9.5mm和9.5～16mm下的透水系數隨著水灰比增加而呈先增后減的趨勢。王婧[5]分析了建筑垃圾再生骨料的種類、含量等各項因素對混凝土性能的影響，結果表明，建筑垃圾再生混凝土28d抗壓強度能夠滿足混凝土C25強度等級。張茜等[6]研究了水泥、建筑垃圾再生骨料摻量等對混凝土強度的影響，結果表明，水泥劑量418kg/m3、建筑垃圾摻量20%時，混凝土強度滿足道路附屬工程質量要求。

本文以某房建拆除工程產生的建筑垃圾再生骨料為研究對象，對再生混凝土以及再生磚骨料的基本物理力學特性進行了測試，以期為工程現場建筑垃圾的資源化處置提供參考。

1 力學特性試驗

1.1 試驗材料以試驗內容

試驗原材料取自某房建拆除工程現場產生的建筑垃圾，經現場破碎、篩分、清洗等處理后得到粒徑為0～37.5 mm的再生混凝土骨料以及再生磚骨料。

基本物理力學試驗內容主要包括測試再生混凝土骨料以及再生磚骨料的顆粒級配、表觀密度、吸水率、壓碎值以及抗剪強度，主要測試儀器有振篩機、干燥箱、比重瓶、壓碎指標測定儀以及四聯直剪儀等。

1.2 試驗方法及試驗方案

再生混凝土骨料以及再生磚骨料的顆粒級配、表觀密度、吸水率及壓碎值試驗參照《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685—2022）[7]中有關規定，采用平行試驗法，每個指標設計3組試驗，最終取平均值最為試驗結果進行分析。

再生混凝土骨料以及再生磚骨料的抗剪強度試驗參照《土工試驗方法標準》（GB/T50123—2019）[8]中有關規定，具體方案見表1，上覆應力設置為200kPa、400kPa、600kPa、800kPa，采用液壓加載方式，剪切速率控制為4 mm/min，通過數據自動采集系統記錄剪切過程中試樣的剪應力及剪切位移變化情況，繪制成剪切位移—剪應力曲線，對不同上覆應力下的抗剪強度峰值進行線性擬合得到抗剪強度包絡線，最終基于摩爾庫倫理論計算得到表征抗剪強度的黏聚力及內摩擦角值。

2 結果分析

2.1 再生骨料基本特性分析

圖1為再生混凝土骨料以及再生磚骨料的顆分曲線，通過計算得到兩種骨料不均勻系數Cu及曲率系數Cc。再生混凝土骨料的不均勻系數Cu為11.32，曲率系數Cc為2.86，骨料的顆粒粒徑大小差距較大且分布均勻性差，級配良好但連續性較差，小粒徑骨料顆粒占比較少，級配不連續。而再生磚骨料的不均勻系數Cu為2.38，曲率系數Cc為1.47，骨料顆粒粒徑大小差距較小且分布均勻，級配連續性一般。表2為再生混凝土骨料以及再生磚骨料的表觀密度、吸水率以及壓碎值測試結果。再生混凝土骨料和再生磚骨料表觀密度分別為2283kg/m3、1986 kg/m3，不符合《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685—2011）[7]中表觀密度應不小于2600 kg/m3的要求；吸水率分別為5.82%和8.65%；壓碎值分別為9.71%和17.24%。由此可見，與再生混凝土骨料相比，再生磚骨料具有表觀密度低、吸水率高、壓碎值高的特點。

拆除現場的建筑垃圾來自房屋的不同部位，因此組分差異較大，導致回收的建筑垃圾成分復雜、粒徑分布不一，不同來源的建筑垃圾中含有的混凝土、磚瓦、石材等材料比例不同，難以保證再生骨料的統一性和均勻粒徑分布。除此之外，在建筑垃圾在破碎過程中，由于設備性能、操作參數等因素的影響，因此骨料可能出現過度破碎或破碎不充分的情況，這種不均勻破碎會導致粒徑分布寬廣，難以達到理想的級配要求。同時建筑垃圾中不同類型骨料的混合比例難以精確控制，例如，含有較多磚瓦或石材的建筑垃圾，其再生骨料的粒徑分布與混凝土或磚骨料不同，這種混合比例的不確定性進一步影響了成品再生骨料的級配質量。

2.2 剪切位移—剪應力曲線分析

圖2和圖3分別為再生混凝土骨料以及再生磚骨料在不同上覆應力下的剪應力—剪切位移曲線，從圖中可以看到，在剪切過程中，兩種再生骨料的剪應力—剪切位移曲線變化規律類似，即隨著剪切位移增加，剪應力呈現先逐漸遞增后趨于平緩，在達到峰值后逐漸下降的應變軟化趨勢。當上覆荷載為200 kPa時，再生混凝土骨料的剪應力峰值為463.3 kPa，當上覆荷載增至400kPa、600kPa、800 kPa時，再生混凝土骨料的剪應力峰值分別為538.6kPa、710.8kPa、965.2 kPa，比200 kPa時分別提高了約16.2%、53.4%、108.3%；當上覆荷載為200 kPa時，再生磚骨料的剪應力峰值為382.9 kPa，當上覆荷載增至400kPa、600kPa、800 kPa時，再生磚骨料的剪應力峰值分別為456.1kPa、530.3kPa、744.5 kPa，比200 kPa時分別提高了約19.1%、38.5%、94.4%?？梢娫偕炷凉橇系目辜魪姸蕊@著高于再生磚骨料，因為再生混凝土骨料通常來源于混凝土結構，所以這些結構在原始狀態下具有較高的抗壓強度和相對較好的抗拉、抗剪性能，而再生磚骨料來源于黏土磚或其他類型的建筑磚塊，這些材料的抗壓和抗剪強度通常低于混凝土，且磚塊在生產過程中的燒制強度不一，材料相對較脆，因此在剪切應力下更容易破碎。

從圖中還可以看到，在剪切過程中，不同上覆應力下的剪應力—剪切位移曲線均表現出不同程度的跳躍現象，因為建筑垃圾再生骨料通常由不規則形狀的顆粒組成，這些顆粒的表面粗糙、角度多變，所以在剪切過程中，這種不規則性會導致顆粒間摩擦和咬合突然改變，使剪應力突然增加或減少[9]，除此之外，再生骨料的顆粒強度不均，部分骨料顆?？赡茉谳^高剪應力下破碎并填充骨料顆粒之間的空隙，從而改變了骨料顆粒間的力學接觸狀態，同時在剪切過程中，再生骨料顆粒會發生重新排列以適應加載條件，這種顆粒重排現象會導致應力分布和傳遞路徑瞬間改變，在剪切位移曲線上引起跳躍。

2.3 抗剪強度包絡線分析

對不同上覆應力下再生混凝土骨料以及再生磚骨料的抗剪強度峰值進行線性擬合，得到兩種再生骨料的抗剪強度包絡線，如圖4所示，擬合度分別高達0.9460和0.9188，表明試驗結果準確度較高。利用摩爾庫倫抗剪強度理論對擬合公式進行分析，得到再生混凝土骨料和再生磚骨料的抗剪強度表征指標值，見表3，再生混凝土骨料和再生磚骨料的黏聚力分別為250.03kPa、238.74kPa kPa，內摩擦角分別為39.99°、30.09°。再生混凝土骨料的黏聚力和內摩擦角比再生磚骨料大，再生混凝土骨料通常由破碎的混凝土構成，含有水泥漿、砂、石等成分，結構較為致密，因此強度較高，而再生磚骨料主要由廢舊磚塊制成，磚塊多為多孔結構，強度相對較低；再生混凝土骨料表面粗糙且有一定的水泥漿殘留，這些特性增加了顆粒間的黏聚力和摩擦力，并且破碎后的再生混凝土顆粒形狀不規則，有利于顆粒間相互嵌擠，使摩擦角變大，提高黏聚力，而再生磚骨料表面較為光滑，孔隙率較高，導致顆粒間的接觸面積較小，從而降低了黏聚力，減少了摩擦，并且再生磚骨料形狀較為均勻，嵌擠效果不如混凝土骨料明顯。此外，再生混凝土骨料一般比磚骨料更堅固，能夠承受更大的應力，提供更大的內摩擦角，而再生磚骨料材料具有多孔性和較低的強度，承載能力較弱。

由于再生骨料為無黏性散體材料，因此理論上抗剪強度包絡線在Y軸上的截距應該為0，在再生骨料的直剪試驗過程中，骨料顆粒不規則的形狀和表面粗糙程度會影響顆粒之間的摩擦咬合，顆粒之間的摩擦力增強了整體抗剪能力，這個過程最終在抗剪強度包絡線中體現為似黏聚力，即Y軸上的截距。與一般黏性材料不同，似黏聚力是骨料顆粒間摩擦強度的體現，而并非黏聚強度，反映了再生骨料在不被拉開的情況下的抗剪能力，因此建筑垃圾再生骨料的抗剪強度就只由摩擦強度決定。

3 結論

本文以房建拆除工程產生的建筑垃圾再生骨料為研究對象，通過室內試驗對再生混凝土骨料以及再生磚骨料的基本物理特性及抗剪強度進行了測試，得出以下主要結論。1）再生混凝土骨料及再生磚骨料不均勻系數Cu分別為11.32和2.38，曲率系數Cc分別為2.86和1.47，級配較差，表觀密度分別為2283kg/m3、1986 kg/m3，吸水率分別為5.82%和8.65%，壓碎值分別為9.71%和17.24%。2）再生混凝土骨料及再生磚骨料的剪應力—剪切位移曲線表現為應變軟化特征，當上覆荷載為200kPa、400kPa、600kPa、800 kPa時，再生混凝土骨料的剪應力峰值分別為463.3kPa、538.6kPa、710.8kPa、965.2 kPa，再生磚骨料的剪應力峰值為分別為382.9kPa、456.1kPa、530.3kPa、744.5 kPa。3）上覆應力下再生混凝土骨料以及再生磚骨料的抗剪強度包絡線擬合度分別為0.9460和0.9188，利用摩爾庫倫抗剪強度理論計算得到再生混凝土骨料和再生磚骨料的黏聚力分別為250.03kPa、238.74 kPa，內摩擦角分別為39.99°、30.09°。

參考文獻

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[6]張茜， 夏群悅. 建筑垃圾在道路附屬工程中的試驗研究[J]. 公路交通技術， 2024， 40（1）：48-54.

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[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部.土工試驗方法標準： GB/T 50123—2019 [S]. 北京： 中國計劃出版社， 2019：122-125.

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