建筑垃圾再生磚混材料在路基中的應(yīng)用研究

杜騰飛，馬風杰，冀麗娟，郭亮亮，牛會酉

（天津市交通科學研究院，天津 300202）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，房屋建筑和市政基礎(chǔ)設(shè)施進入改擴建和拆除重建的階段，隨之產(chǎn)生了大量的固體建筑垃圾。我國建筑垃圾年產(chǎn)生量超過30億噸[1]，黏土磚與混凝土混合垃圾占據(jù)了半數(shù)以上。但目前我國建筑垃圾資源化利用率小于5%，處理方式主要采用外運、填埋和露天堆放等方式，對周圍環(huán)境造成威脅的同時也占用土地資源。而道路工程建設(shè)中需要使用大量的路基填料，材料的開采導致環(huán)境破壞。因此，將建筑垃圾中的磚混材料再生循環(huán)利用在道路工程中，既可使建筑垃圾資源化再利用，又可保護環(huán)境免遭破壞。

目前，建筑垃圾資源化再利用已經(jīng)成為國內(nèi)外學者研究的熱門。許多學者展開了混凝土再生利用研究，包括廢舊混凝土與廢舊黏土磚的篩分技術(shù)、混凝土再生集料加工技術(shù)、混凝土再生集料性能研究，并通過大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗路段進行驗證[2-8]。由于廢舊黏土磚吸水率較大，對其的再生利用主要是磨成粉末，作為添加材料使用。由于黏土磚與混凝土混合垃圾的組分復雜，總體強度較混凝土材料低，不能直接用于再生集料的生產(chǎn)，因此其雖然存量大，但相關(guān)研究卻并不深入[9]。

綜上所述，黏土磚與混凝土混合垃圾有巨大的存量和年產(chǎn)量，值得展開深入系統(tǒng)的研究。本文主要研究黏土磚與混凝土混合垃圾通過資源化再生應(yīng)用在路基中，展開系統(tǒng)的室內(nèi)試驗，分析磚混再生材料的性能以及不同穩(wěn)定方法和成型方法對最終混合料性能的影響。

1 再生材料物理性質(zhì)分析

1.1 組分分析

與常規(guī)路基填料相比，磚混再生材料的特殊之處就在于其組成成分的復雜性。加工后的磚混再生材料的主要組成成分包括磚瓦類、砂漿類、混凝土石類以及碎屑塵土類（見圖1和圖2）。

圖1 磚混再生材料Fig.1 Clay bricks and concrete recycled materials

圖2 磚混再生材料組分分揀Fig.2 The component of clay bricks and concrete recycled materials

通過四分法取樣，選取具有代表性的材料試樣，然后進行組分分揀，各組分含量平均值如表1所示。磚混再生材料中，垃圾含量為0.33%，滿足再生材料的要求（小于1%）；黏土磚和砌塊砂漿的含量占主體，均為30%～40%；石子和渣土各占14%左右；其中黏土磚、砌塊、砂漿、石子總占比84.9%，可以有效為再生材料提供強度支撐。

表1 磚混再生材料組分Tab.1 The component of clay bricks and concrete recycled materials

1.2 不均勻性分析

磚混再生材料作為路基填料使用，現(xiàn)有規(guī)范未對材料級配提出要求。因此，在生產(chǎn)加工過程中，未對再生材料進行粒徑篩分，破碎再生材料為一個料堆，這與消納場生產(chǎn)、工程實際應(yīng)用也更為貼近。現(xiàn)有規(guī)范僅對無機穩(wěn)定材料的最大粒徑做出要求，但為保證無機穩(wěn)定再生材料的性能，應(yīng)確保再生材料的不均勻性。對再生材料進行篩分，以了解再生材料的具體粒徑組成。由于黏土磚、土、砂漿等天然含水率較高，為排除不同組分含水不同的影響，先對再生材料烘干，再進行篩分。篩分后的具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 磚混再生材料級配曲線Fig.3 The grading curve of clay bricks and concrete recycled materials

通過不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc可以分析磚混再生材料的顆粒構(gòu)成，其中不均勻系數(shù)Cu反映了顆粒分布的不均勻程度，Cu值越大，級配曲線越平緩，材料粒徑分布范圍越廣，越不均勻，越易于壓實；Cu值越小，級配曲線越陡峻，材料粒徑分布范圍越狹窄，越均勻，越不易壓實。

磚混再生材料的不均勻系數(shù)為：

一般情況下，Cu＜5時，認為材料顆粒均勻，級配不良；Cu＞10時，認為級配良好，但Cu 過大，表示可能缺失中間粒徑，屬不連續(xù)級配。建筑垃圾土再生材料的Cu值為31.67，Cu值偏大，材料中粗細顆粒容易離析，影響工程質(zhì)量。因此，需同時結(jié)合描述累計曲線整體形狀指標的曲率系數(shù)Cc進行評價。

磚混再生材料的曲率系數(shù)為：

當Cc＜1或Cc＞3時，表示級配曲線不連續(xù)；當Cc在1～3范圍時，級配連續(xù)。磚混再生材料的Cc值為1.95，屬于級配連續(xù)范圍。

綜合不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)，均表明磚混再生材料級配良好，用作路基填料，壓實效果較好，可以得到較高的壓實度。

1.3 密度試驗和吸水率

密度可以直觀反映材料的綜合性能，對磚混再生材料進行密度試驗和吸水率試驗后，得到密度和吸水率，與路基常用土、天然集料進行對比，具體如表2所示。

表2 再生材料與常規(guī)材料物理性能對比Tab.2 Comparison of physical properties between recycled materials and conventional materials

對比發(fā)現(xiàn)：再生料的密度處于土和天然集料之間，這與再生材料的組分有關(guān)，既含有磚與砌塊等輕質(zhì)組分，又含有混凝土塊和石子等重質(zhì)組分。再生材料中的黏土磚和砂漿砌塊孔隙較多，吸水性較強，整體吸水率高于天然材料，因此磚混再生材料可以與其他路基填料配合使用，改善填料潮濕狀態(tài)。

2 無機穩(wěn)定磚混再生材料性能試驗

2.1 最大干密度與最佳含水率

為探究不同穩(wěn)定方法對磚混再生材料性能的影響，分別采用不同劑量水泥穩(wěn)定再生材料，不同劑量石灰穩(wěn)定摻加土的再生材料，并與不摻加任何穩(wěn)定劑的再生材料進行對比，依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）重型擊實試驗[10]，測得最大干密度和最佳含水率如表3所示。

表3 不同穩(wěn)定方法的磚混再生材料最大干密度和最佳含水率Tab.3 Maximum dry density and optimum moisture content of brick-concrete recycled materials with different stabilization methods

對比最大干密度和最佳含水率變化，可以發(fā)現(xiàn)：各種條件下，最佳含水率變化不大，在13.8～16.0范圍內(nèi)波動。水泥穩(wěn)定、土穩(wěn)定、石灰穩(wěn)定，均可以有效提高再生料的最大干密度，這是由于穩(wěn)定材料顆粒較小，隨著摻量不斷增加，能更好地填充骨料顆粒之間的間隙，使得試件密實度得到提高，最大干密度從而不斷增大。

2.2 加州承載比（CBR）試驗

對路基填料的材料性質(zhì)要求，在《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3610）中做出了規(guī)定，其主要控制指標為最小承載比和最大粒徑，要求路基填料最小承載比為8，路基填料最大粒徑小于100 mm，建筑垃圾土再生材料最大粒徑31.5 mm，完全滿足規(guī)范對路基填料的要求。依照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430）進行磚混再生材料的加州承載比試驗，測得不同擊實次數(shù)下不同穩(wěn)定方法的混合料CBR值，具體見圖4所示。

圖4 不同條件下的CBR值Fig.4 CBR valueunder different conditions

對比不同條件下測得的CBR值，隨著石灰或水泥摻量的增加，CBR值逐漸增大，表明采用石灰或水泥穩(wěn)定，可以有效提高磚混抵抗荷載作用變形的能力。擊實次數(shù)與CBR值成正相關(guān)，這與擊實功的增大有關(guān)。水泥穩(wěn)定磚混再生料時，擊實98次的CBR值平均比擊實50次的CBR值大120左右，對擊實次數(shù)更為敏感。但石灰穩(wěn)定磚混再生材料時，擊實50次的CBR值平均比擊實30次的CBR值大70左右，說明在擊實功較小時，石灰穩(wěn)定對擊實次數(shù)更敏感。綜合分析，所有條件下測得的CBR值均滿足規(guī)范不小于8的要求，表明磚混再生材料完全可以作為路基填料使用。

3 結(jié)論

通過對磚混再生材料的原材料性能試驗和無機穩(wěn)定材料試驗，分析其級配組成、最大干密度、最佳含水率和CBR值，可以得到以下結(jié)論：

（1）再生加工后的磚混再生材料級配良好且連續(xù)，可以滿足路堤填料要求。

（2）與天然材料相比，磚混再生材料中的黏土磚和砌塊等空隙多，吸水率較土和天然集料大，可以與其他材料配合使用以改善路基干濕狀態(tài)。

（3）最大干密度與穩(wěn)定材料摻量呈正相關(guān)，最佳含水率在各種條件下變化較小。

（4）再生材料摻加石灰或者水泥穩(wěn)定，CBR值均可滿足路基設(shè)計要求。

（5）綜合試驗測得各項性能，磚混再生材料可以用作路堤填料。