廢瓷磚在路面底基層中的應(yīng)用

董煊,遲連陽,王發(fā)強(qiáng),管清泳,王正文,宋志超

1.中鐵二十三局集團(tuán)第一工程有限公司,山東 濟(jì)南 276800; 2.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院,山東 濟(jì)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(shè)有限公司,山東 臨沂 276002

0 引言

近年來,我國建筑陶瓷行業(yè)發(fā)展較快,建筑陶瓷磚的產(chǎn)量多年穩(wěn)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(huán)境中不易分解,長期堆放易對周圍環(huán)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(yè)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(yīng)用于高速公路建設(shè),則可減少不可再生資源的消耗和廢瓷磚的堆放,實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用,減少環(huán)境污染,促進(jìn)可持續(xù)發(fā)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(yuǎn)等[9]采用廢陶瓷顆粒替代混凝土的天然粗骨料,發(fā)現(xiàn)陶瓷顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時可提高水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度。Lopez等[10]、Binici[11]、黃宏等[12]采用細(xì)陶瓷骨料替代天然細(xì)骨料,發(fā)現(xiàn)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨細(xì)陶瓷骨料置換率的增大而降低。Debieb等[13]測試細(xì)再生陶瓷骨料和天然骨料的吸水率,發(fā)現(xiàn)陶瓷骨料因孔隙率較高表現(xiàn)為吸水率較高。Ayn等[14]發(fā)現(xiàn)細(xì)再生陶瓷骨料的密度(2 496 kg/m3)比細(xì)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(chǎn)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(yè)垃圾對環(huán)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(shù)、液限分別為24%、49%,黏土顆粒的密度為2.61×103kg/m3,內(nèi)摩擦角φ=22°,內(nèi)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(shù)分別為10%、30%、50%、60%(D10、D30、D50、D60)時,對應(yīng)的粒徑分別約為1.0、3.8、7.5、9.5 mm。計算均勻度系數(shù)Cu=2.5,曲率系數(shù)Cc=1.52。98%以上的石灰土可通過孔徑為 0.15 mm 的孔篩,根據(jù)文獻(xiàn)[15],選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的石灰土提高混合料的抗壓強(qiáng)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(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[16]制備試件,進(jìn)行加州承載比(California bearing ration,CBR)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strength,UCS)、擊實(shí)和固結(jié)試驗測試。為滿足每個測試標(biāo)準(zhǔn)的要求,4個試驗過程均采用廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的試件。

對試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗[16],分3層擊實(shí),每層25擊,每層試件高度相等,對2層交界處的土面進(jìn)行刨毛處理。對不同含水量的試件依次擊實(shí),得到廢瓷磚質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同試件的最大干密度和最佳含水量。

采用30 kN的測力環(huán)進(jìn)行加州承載比試驗,百分表讀數(shù)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(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)下試件的試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知:隨廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,最佳含水量、膨脹率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)下試件的試驗結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[16]對試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而略減;廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)下試件的孔隙比

2 試驗結(jié)果分析

2.1 塑性指數(shù)及液限

圖2 試樣塑性指數(shù)和液限的變化圖

低塑性黏土-石灰土-廢瓷磚顆?；旌狭系男阅苁芎坑绊戄^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(xù)加水時,水膜厚度增大,顆粒易滑動。采用塑性指數(shù)表示細(xì)粒土的力學(xué)特性和變形。測試不同廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)試件的塑性指數(shù)和液限變化,結(jié)果如圖2所示,其中A線是粉質(zhì)土與黏質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)下試件的干密度-含水量關(guān)系曲線

由圖2可知:隨廢瓷磚顆粒的加入,液限和塑性指數(shù)均減小;廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增至30%,塑性指數(shù)由24%降至19%,原因是廢瓷磚顆粒代替細(xì)粒黏土顆粒,黏土減少,混合料結(jié)合水的能力下降。液限和塑性指數(shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)試件的干密度-含水量關(guān)系如圖3所示。由圖3可知:廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大;廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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?；旌狭峡勺鳛槁访娴谆鶎硬牧稀?/p>

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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fā)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的試件在含水量變化較小的情況下達(dá)到最大加州承載比,廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小的試件在含水量變化較大的情況下達(dá)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(qiáng),隨廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)械強(qiáng)度增大。壓實(shí)混合料的機(jī)械強(qiáng)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(guān)。在低塑性黏土-石灰土混合料中摻加廢瓷磚顆?？色@得較大的加州承載比。因此,廢瓷磚可應(yīng)用于路面工程中,節(jié)約筑路成本,實(shí)現(xiàn)廢料再利用。

2.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

對最佳含水量下的試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗,添加廢瓷磚顆粒顯著影響了試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。因為摻加廢瓷磚顆粒后的混合料非均質(zhì)性較高,試件的破壞面一般出現(xiàn)在試件抗壓強(qiáng)度最弱的區(qū)域,導(dǎo)致試件的抗壓強(qiáng)度較小。剪切時,廢陶瓷顆粒從混合料的側(cè)面脫落,可承受荷載的試件橫截面面積減小,抗壓強(qiáng)度減小。

圖5 不同廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)試件的孔隙比隨固結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比不摻加廢瓷磚顆粒試件減小24%。采用強(qiáng)度衰減指數(shù)ESDI評估強(qiáng)度損失率隨廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(cè)限抗壓強(qiáng)度,Q2為摻加廢瓷磚顆粒的低塑性黏土混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、5%、10%、15%、20%、30%時,低塑性黏土-石灰土-廢瓷磚顆?；旌狭系膹?qiáng)度衰減指數(shù)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(qiáng)度有不利影響,應(yīng)嚴(yán)格控制黏土中廢瓷磚顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。綜合考慮該混合料的抗壓強(qiáng)度,低塑性黏土-石灰土-廢瓷磚顆?；旌狭喜贿m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(zhì)量分?jǐn)?shù)的試件的孔隙比隨固結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,試件的孔隙比越小;施加最大固結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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?？商岣叩谆鶎拥姆€(wěn)定性。

3 結(jié)論

通過加州承載比試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、擊實(shí)試驗及固結(jié)試驗研究低塑性黏土-石灰土-廢瓷磚顆粒混合料的性能,結(jié)果表明此混合料的物理力學(xué)性能滿足公路底基層材料的要求。隨廢瓷磚顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)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(cè)限抗壓強(qiáng)度從1 138 kPa減至 868 kPa。

廢瓷磚可替代黏土應(yīng)用在路面底基層,下一步將對廢瓷磚顆粒的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及廢瓷磚能否應(yīng)用于路面基層進(jìn)行相關(guān)研究,擴(kuò)展廢瓷磚顆粒在道路工程中的應(yīng)用領(lǐng)域。