纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾路用性能研究

齊善忠， 付春梅

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 開封 475004)

21世紀以來，中國大力推進城市化進程，大量建造房屋和城鎮(zhèn)改造，每年產(chǎn)生千萬噸甚至上億噸的建筑垃圾(另有稱為建筑渣土)，數(shù)量如此龐大的建筑垃圾，存放處理成了很大的困難。據(jù)有關(guān)部門保守估計至2017年中國國內(nèi)總共產(chǎn)生15.93億t左右的建筑垃圾，而2018年，建筑垃圾達17.04億t左右，1年增長1億多t，速度驚人。到2020年，中國建筑垃圾總量突破30億t[1]。

河南省開封市歷史悠久，屬于旅游城市，城市改造刻不容緩，由于老城區(qū)改造工程量大，產(chǎn)生大量建筑垃圾，大量土地被建筑垃圾侵占，周圍環(huán)境條件惡化，并且容易造成大范圍水土、空氣污染，同時也嚴重影響市容。該文基于目前現(xiàn)狀進行建筑垃圾作為路基填筑材料的相關(guān)研究，為以后建筑垃圾回收再利用開辟廣闊市場。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

相對于國外發(fā)達國家，中國國內(nèi)對于建筑垃圾回收再利用的研究開始較晚，目前各個方面的應(yīng)用技術(shù)研究成果不太成熟。由于前期資金投入消耗大，后期收益不明顯,現(xiàn)有的研究結(jié)果大都是調(diào)研和室內(nèi)小范圍的試驗研究，現(xiàn)場應(yīng)用案例更少，大部分現(xiàn)場研究是嘗試在一些小規(guī)模的道路路基中試應(yīng)用，由于應(yīng)用少，研究結(jié)果不完整[2-4]。至今還沒有出現(xiàn)可供參考使用的較系統(tǒng)的完整的建筑垃圾回收利用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

該文主要研究加入水泥和聚丙烯纖維材料后，建筑垃圾的強度和抗收縮性能變化規(guī)律?，F(xiàn)階段，對于纖維用于建筑垃圾增強的相關(guān)研究很少，該文僅進行室內(nèi)試驗研究及試驗結(jié)果分析，研究結(jié)果希望能對以后的建筑垃圾相關(guān)研究提供一定借鑒。

2 室內(nèi)試驗研究

為了研究水泥、聚丙烯纖維對建筑垃圾強度的影響，首先參考相關(guān)規(guī)范[5-6]，對建筑垃圾進行基本性能和碾壓壓碎試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，再進行建筑垃圾的室內(nèi)改性試驗，測試改性后建筑垃圾的力學(xué)性能和穩(wěn)定性能，并根據(jù)試驗結(jié)果判斷建筑垃圾路用的可行性，為后續(xù)研究提供參考。該文室內(nèi)試驗試樣均取自開封市老舊小區(qū)磚石、磚混結(jié)構(gòu)拆遷產(chǎn)生的建筑垃圾。

2.1 篩分試驗

建筑垃圾風(fēng)干后選用方孔篩依照粒料篩分相關(guān)規(guī)范進行篩分，篩分結(jié)果如表1所示。

表1 建筑垃圾篩分試驗結(jié)果

由表1可知：建筑垃圾約3.29%超過了路基材料顆粒粒徑要求，其余96.71%都能滿足道路路基填筑材料粒徑要求。在道路路基材料采用分層填筑法施工時，超大顆?？梢岳萌斯ぬ蕹蜻M行破碎后再利用。

2.2 碾壓壓碎試驗

建筑垃圾分層碾壓施工過程中，粗粒成分被壓碎，細粒成分增加，最大干密度和最佳含水量也相應(yīng)變化。為了研究建筑垃圾碾壓前后的最大干密度和最佳含水量變化規(guī)律，進行了壓碎值和壓碎壓實試驗。建筑垃圾粗料的壓碎值試驗采用壓碎值試驗儀進行測試，建筑垃圾粗料壓碎值試驗結(jié)果見表2。

表2 建筑垃圾粗料壓碎值試驗結(jié)果

普通碎石的壓碎值為12%～14%，顯然建筑垃圾粗料壓碎值是普通碎石的2倍以上，原因為建筑垃圾粗料含有較多的易碎磚塊和灰漿塊。碾壓過程中建筑垃圾粗料中的易碎成分容易被壓碎，從而增大建筑垃圾中細顆粒含量，有利于碾壓密實。

測試建筑垃圾混合料的壓實度與壓力機施加噸位之間的關(guān)系時，將篩選好的建筑垃圾粗細混合材料稱取4 kg，最大粒徑不超過37.5 mm，制作試驗試件，選擇圓柱體試模，試模直徑15 cm，高19 cm，為避免產(chǎn)生離析，將粗細材料拌勻后分層填充到試模里，在壓力機上緩慢施壓，對建筑垃圾進行壓碎試驗。試驗結(jié)束后，重新測試壓碎后的試樣高度，對壓碎后的試樣進行篩分并稱重，并計算各種指標(biāo)。

圖1為試驗所得的壓實度與壓力機施壓噸位的關(guān)系曲線。從圖1可以看出：建筑垃圾混合料的壓實度隨著壓力機施壓噸位的增大而逐漸增大。

圖1 壓力機施壓噸位與建筑垃圾壓實度的變化規(guī)律

試驗結(jié)果表明：

(1) 在分層碾壓時，建筑垃圾粗料被壓碎，造成細料含量增加，這在碾壓時有利于建筑垃圾更密實。

(2) 隨碾壓時壓力的增大，建筑垃圾的細顆粒和粗顆粒比值逐漸增大。

(3) 建筑垃圾的壓實度隨碾壓壓力增大而增大。

(4) 建筑垃圾分層碾壓厚度為20～40 cm時，建議采用重型振動壓力機(18 J)進行碾壓，有利于粗料破碎和達到所需的壓實度。

(5) 碾壓過程中建筑垃圾粗料成分減少，細料成分增加，隨著顆粒粒料組分的變化，混合料的細料含量將會增大其最佳含水量。根據(jù)試驗結(jié)論，工程項目現(xiàn)場施工時，需要適當(dāng)增大最佳含水量。

2.3 改性試驗

為了解建筑垃圾的路用功能，設(shè)計3組試驗方案：

(1) 水泥+碎石。

(2) 水泥+建筑垃圾。

(3) 聚丙烯纖維+水泥+建筑垃圾。

其中水泥+碎石方案，是為了比較建筑垃圾改性后的強度與水泥穩(wěn)定碎石路用性能的差異。

2.3.1 試驗材料性能

(1) 水泥。選用普通硅酸鹽水泥P.O32.5級，其基本性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2) 纖維。選用聚丙烯短纖維(纖維性能指標(biāo)見表3)，為了方便施工，聚丙烯纖維長度為50 mm，按照聚丙烯纖維質(zhì)量占水泥和建筑垃圾混合料總質(zhì)量的0、0.1‰、0.3‰、0.5‰、0.7‰、0.9‰摻入。

表3 聚丙烯纖維性能指標(biāo)

從表3可知：聚丙烯纖維具有較小的密度、熱膨脹系數(shù)，并具有較好的耐腐蝕性。

(3) 碎石。碎石性能的好壞，直接影響水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能，尤其是對收縮性能影響較大。在對比試驗中選用的碎石是石灰?guī)r碎石，碎石的級配見表4，碎石的壓碎值為21.5%，符合基層集料壓碎值不得大于30%的要求。

表4 碎石級配

2.3.2 3組試驗材料強度比較

研究利用水泥進行建筑垃圾混合料改性時，室內(nèi)試驗的試塊尺寸采用直徑和高均等于100 mm的中型尺寸的試模制作。將水泥或水泥+纖維作為外加劑加入混合料，為了試驗方便，試驗時粗粒料的直徑控制為9.5～16 mm，并且粒料級配保持不變，進行無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗。

為了對比水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定建筑垃圾和纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的力學(xué)性能，試做了3組試驗，水泥摻量都是5%，纖維摻量采用0.5‰，測試3種混合材料的強度，結(jié)果見表5。

表5 無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗結(jié)果

由表5可以看出：水泥穩(wěn)定建筑垃圾和纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度都滿足道路路基材料強度要求。由于建筑垃圾中碎磚塊的含量較大，只加水泥改性后，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的強度要比常用的水泥穩(wěn)定碎石強度低得多，由于建筑垃圾在較大壓力下粗粒組分易碎，在載重量較大的高等級公路中使用，可能會造成公路運營后沉降量較大，影響正常使用。在建筑垃圾改性時，采用纖維加水泥進行改性，結(jié)果表明：纖維的加入可以大幅度提高水泥穩(wěn)定碎石建筑垃圾的強度，7 d無側(cè)限抗壓強度提高了0.53 MPa，28 d無側(cè)限抗壓強度提高了0.73 MPa，而28 d的劈裂強度提高了0.27 MPa，纖維的加入使建筑垃圾的強度變化非常明顯。另外，從試驗結(jié)果還可以看出，水泥穩(wěn)定建筑垃圾摻加聚丙烯纖維后28 d的劈裂強度比水泥穩(wěn)定碎石還要高0.05 MPa。可見，加入一定量的聚丙烯纖維可以提高水泥穩(wěn)定建筑垃圾的強度，改善其力學(xué)性能。這是因為聚丙烯纖維具有較高的強度，直徑小質(zhì)量輕，拌和均勻后，在水泥穩(wěn)定建筑垃圾中聚丙烯纖維材料呈網(wǎng)狀交織分布，水泥水化后產(chǎn)生的膠凝材料將相鄰的纖維材料黏結(jié)成一個立體的大網(wǎng)，將建筑垃圾的粗細材料包裹起來，形成一個堅硬的固體，由于纖維的拉結(jié)作用使水泥穩(wěn)定建筑垃圾的整體性更好、強度更高。

可見，水泥穩(wěn)定建筑垃圾用纖維改性后不僅可以在低等級公路中推廣應(yīng)用，還可以滿足高等級公路要求。如果加入少量的聚丙烯纖維材料，可以用纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾代替水泥穩(wěn)定碎石填筑道路，不僅可以消耗大量建筑垃圾，減少建筑垃圾的危害，而且還減少了石料的開采，保護了環(huán)境，社會效益和經(jīng)濟效益都十分顯著，值得進一步研究。

2.3.3 纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾強度試驗

水泥摻量取5%，聚丙烯纖維按摻量0、0.1‰、0.3‰、0.5‰、0.7‰、0.9‰摻入，將水泥、聚丙烯纖維和建筑垃圾粗細混合料攪拌均勻，再按最佳含水量加入自來水拌和，拌和后制作試驗試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護7、28 d，測試其無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度，結(jié)果見表6。

表6 無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗結(jié)果

由表6可知：

(1) 聚丙烯纖維對水泥穩(wěn)定建筑垃圾7、28 d的無側(cè)限抗壓強度都有一定的貢獻。水泥穩(wěn)定建筑垃圾隨著聚丙烯纖維摻量的加入，無側(cè)限抗壓強度有所提高，而且摻量越大，強度增大的幅度也越大，直到摻量達到0.7‰左右時，達到了最大值，強度與纖維摻量關(guān)系曲線出現(xiàn)了拐點，開始出現(xiàn)下降趨勢。說明纖維不能無限制的摻加，存在最佳摻量。這是因為低摻量纖維在拌和時可以充分拌和均勻，隨著纖維摻量的增大，拌和難度越大，纖維容易發(fā)生結(jié)團現(xiàn)象，所以，纖維摻量較大時造成混合料強度沒有增大反而下降。

(2) 最佳纖維摻量為0.7‰左右。如聚丙烯纖維摻量為0.7‰時，7 d纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾無側(cè)限抗壓強度比水泥穩(wěn)定建筑垃圾高0.65 MPa，28 d纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的無側(cè)限抗壓強度比水泥穩(wěn)定建筑垃圾高0.95 MPa。隨著齡期的增大，聚丙烯纖維對水泥穩(wěn)定建筑垃圾的強度作用逐漸增大，這是因為水泥隨時間的延長水化充分，膠凝材料增加，纖維與膠凝材料之間的握裹力逐步增大，纖維的增強作用更明顯。

根據(jù)水泥穩(wěn)定建筑垃圾無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果分析, 擬合得到28 d纖維摻量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系表達式見式(1)：

yw=-0.71x2+1.738 3x+3.650 5，R=0.986 5

(1)

式中：yw為摻聚丙烯纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾28 d無側(cè)限抗壓強度(MPa)；x為聚丙烯纖維摻量(‰)。

(3) 聚丙烯纖維對水泥穩(wěn)定建筑垃圾的劈裂強度影響較大。纖維摻量越大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的劈裂強度也越大，開始增加幅度明顯，達到0.5‰后，增幅減少，當(dāng)纖維摻量達到0.9‰時比0.7‰時劈裂強度有所下降，這與抗壓強度結(jié)論一致。纖維摻加太高時，容易結(jié)團，攪拌不均勻，不但起不到增強的效果，強度反而有所下降。這是由于纖維團的阻隔作用，造成水泥水化產(chǎn)生的膠凝材料無法形成完整的空間立體網(wǎng)，增強效果大打折扣。纖維最佳摻量約為0.7‰。

根據(jù)水泥穩(wěn)定建筑垃圾劈裂強度試驗結(jié)果分析, 擬合得到28 d纖維摻量與劈裂強度的關(guān)系表達式如式(2)所示：

yp=-1.512 1x3+1.730 7x2+0.020 8x+0.308 5，R=0.993 3

(1)

式中：yp為摻加纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾28 d劈裂強度(MPa)；x為聚丙烯纖維摻量(‰)。

2.3.4 抗收縮性能試驗

試驗中，水泥摻量都取5%，聚丙烯纖維摻量取0.5‰，在進行干縮試驗和溫縮試驗時，為了對比，制作了水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定建筑垃圾和纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾3組試件。由于時間和經(jīng)費有限，自制了收縮裝置，用千分表檢測收縮量。試驗時選用的試件同強度試驗試件尺寸和材料完全一樣，為了減少誤差，每組試件都制作了3個，測試結(jié)果取平均值。

不同觀測時間下的總干縮系數(shù)試驗結(jié)果見圖2。

圖2 干縮系數(shù)與時間的關(guān)系

由圖2可以看出：

(1) 水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定建筑垃圾和摻加聚丙烯纖維的纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾材料的總干縮系數(shù)變化規(guī)律相似。干縮系數(shù)隨著時間的增長而增大，初期由于含水量損失較快，表現(xiàn)為干縮系數(shù)快速增大，在21 d后，材料強度基本形成，失水量減少，干縮系數(shù)增長減緩。聚丙烯纖維的加入，顯著減小了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的干縮系數(shù)。在21 d時，水泥穩(wěn)定建筑垃圾摻聚丙烯纖維后的總干縮系數(shù)與沒摻加纖維的相比下降了37.7%，可見，聚丙烯纖維可以起到減少水泥穩(wěn)定建筑垃圾由于早期失水造成的干燥收縮。這和纖維在水泥穩(wěn)定建筑垃圾中分布有關(guān)系，攪拌均勻后，纖維與建筑垃圾完全混合，試驗試件表層也分布著大量纖維。纖維將水、水泥和建筑垃圾包裹起來，讓水分蒸發(fā)困難，失水量減少，因失水而造成的干縮系數(shù)也相應(yīng)減小?？梢姡瑩郊右欢康木郾├w維，可以顯著增強水泥穩(wěn)定建筑垃圾抵抗干燥收縮的能力。

(2) 水泥穩(wěn)定建筑垃圾中摻加一定量的聚丙烯纖維后總干縮系數(shù)和水泥穩(wěn)定碎石材料基本相當(dāng)。從整體上看，兩者干縮系數(shù)非常接近。這是因為聚丙烯纖維的加入，相當(dāng)于在水泥穩(wěn)定建筑垃圾里加入了大量的“細鋼筋”，對材料具有較大的補強作用，可以提高其抗變形能力?？梢?，聚丙烯纖維對改善水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗干縮性能效果顯著。

不同觀測時間的溫縮系數(shù)試驗結(jié)果見圖3。

圖3 溫縮系數(shù)與時間的關(guān)系

由圖3可以看出：

(1) 水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定建筑垃圾和纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾材料的早期溫縮系數(shù)變化幅度都非常大，增幅明顯，14 d后逐漸趨于穩(wěn)定，14 d時的溫縮量占總溫縮量的90%左右。這和水泥的水化程度有著直接的關(guān)系，養(yǎng)護初期水泥水化不充分，產(chǎn)生的膠凝材料少，隨著時間的延長，膠凝材料越來越多，混合材料對溫度升降變化敏感，溫縮系數(shù)逐漸增大。

(2) 聚丙烯纖維的加入使水泥穩(wěn)定建筑垃圾的溫縮系數(shù)顯著減小，而且隨著時間的延長，降低幅度有增大的趨勢。這是因為聚丙烯纖維的熱膨脹系數(shù)非常小，對溫度變化不是很敏感，另外聚丙烯纖維的加入又起到了補強作用，造成水泥穩(wěn)定建筑垃圾的溫縮系數(shù)減小。加聚丙烯纖維后的水泥穩(wěn)定建筑垃圾與水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)非常接近，可以滿足路用性能要求?？梢?，聚丙烯纖維可以減少水泥穩(wěn)定建筑垃圾大幅降溫造成的變形開裂。

通過收縮性能試驗可以發(fā)現(xiàn)：水泥穩(wěn)定建筑垃圾材料加入聚丙烯纖維后，材料的干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)相對于沒加纖維時大幅度降低。通常情況下，材料的抗收縮能力與材料的劈裂強度有著很大的關(guān)系，一般劈裂強度越大的材料，抵抗收縮能力也越強，收縮系數(shù)越??；反之越大。強度試驗表明：聚丙烯纖維可以顯著提高水泥穩(wěn)定建筑垃圾的劈裂強度，故摻聚丙烯纖維可以提高水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗收縮性能，可以減少道路水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層施工和使用過程中的裂縫出現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1) 水泥穩(wěn)定建筑垃圾摻加聚丙烯纖維后，無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度都得到大幅度提高，當(dāng)纖維摻量約為0.7‰時，強度達到最大值。纖維材料的添加擴大了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用范圍。

(2) 水泥穩(wěn)定建筑垃圾摻加聚丙烯纖維后，總干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)減小明顯，聚丙烯纖維材料可以很好地起到提高水泥穩(wěn)定建筑垃圾抗收縮的性能。纖維材料的添加可以減少水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的開裂，延長道路的使用壽命和減少后期維護費用。

(3) 該文在研究過程中只采集了少量的數(shù)據(jù)，對聚丙烯纖維對水泥穩(wěn)定建筑垃圾力學(xué)性能和抗收縮能力的影響規(guī)律研究還不夠充分。在今后的研究中可進一步探討聚丙烯纖維的摻入對水泥穩(wěn)定建筑垃圾抗疲勞性能的影響規(guī)律。