水泥稳定建筑垃圾基层合理厚度研究

方 涛，李晓静

(西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

1 引言

随着城市建设的快速发展，同时大批旧建筑物被拆除，产生大量建筑垃圾。在我国，建筑垃圾产量约为城市垃圾总量的30%，每年产量达5000万t[1]。目前对建筑垃圾的处理主要是集中堆放和填埋，或作为地基处理时的填筑材料，每年新增建筑垃圾的处理都将占用大面积用地，约1.5～2亿m2，未经处理的建筑垃圾会严重污染环境[2]。

国内对建筑垃圾在道路工程中资源化研究较少，且集中于建筑垃圾的材料性质与路用性能的研究，没有涉及建筑垃圾集料在路面结构设计中的研究，而本文研究的是水泥稳定建筑垃圾基层在路面结构中的厚度。鉴于此，通过对水泥稳定建筑垃圾一系列的配合比试验、路用性能试验，确定了在公路基层中应用的4种配合比方案及力学性能，并调研资料对相关设计参数的合理选取，依据规范计算了4种工况下的水泥稳定建筑垃圾基层在西南地区轻交通量公路的路面结构的厚度。建筑垃圾作为公路基层材料，可节约资源，减少对环境的污染，同时能满足轻交通公路的质量要求。水泥稳定建筑垃圾基层在路面结构中的合理厚度的研究，可推动建筑垃圾在道路工程中资源化的进一步应用与发展。

2 设计参数的选取

2.1 设计交通量

《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)[3]中规定，设计基准期内轻交通公路的设计车道标准轴载累计作用次数 Ne<3×104次。选取轴载作用次数3×104次为设计交通量，开展轻交通公路基层的合理厚度的研究。

2.2 路面结构宽度

轻交通公路多为三级或四级的县乡公路， 参考《县乡公路水泥混凝土路面设计与施工》[4]的路面宽度要求，三级公路为7.0 m或6.5 m，四级公路为6.0 m或3.5 m。选取水泥混凝土板的宽度为路宽的一半3.25 m，其长宽比不宜超过1.30，则板长取为4.0 m。

2.3 路面材料参数

2.3.1 土基

西南地区的土质大部分是高液限粉质黏土[5]，参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)中土基回弹模量设计参数取值，高液限黏土取值范围为20～50 MPa, 高液限粉土取值范围为30～70 MPa。选取土基回弹模量为50 MPa。

2.3.2 底基层

底基层是次要承重层，相对基层而言要求较低，基层材料是建筑垃圾，底基层材料选取强度稍低的石灰粉煤灰，经查阅参考文献[6]，石灰粉煤灰的抗压回弹模量取400 MPa，厚度设计为200 mm[7]。

2.3.3 基层

为了研究水泥稳定建筑垃圾在基层中应用的路用性能，通过一系列对废弃混凝土、废弃砖、碎石的压碎值试验进行配比，进而集料的级配试验见图1，同时进行混合料配合比设计，并开展了击实试验、无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、抗压回弹模量，分析其在轻交通量公路基层中的路用性能，最终确定了满足轻交通量公路基层4种配合比方案和力学性能见表1。

图1 建筑垃圾集料级配曲线

2.3.4 面层

根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)[3]中规定，轻交通等级的水泥混凝土弯拉强度标准值为4 MPa，弯拉弹性模量为27 GPa，面层厚度为定值200 mm。

表1 水泥稳定建筑垃圾集料配合比与力学性能

2.4 其他设计系数

根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)[3]选取其他设计系数取值。

(1)应力折减系数kr。双车道轻交通等级公路的纵缝不设拉杆，查表应力折减系数为0.87。

(3)综合系数kc。对于三、四级公路，偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc=1.10。

(4)最大温度梯度Tg。西南地区的水泥混凝土的最大温度梯度标准值取值范围为83～88，选取最大温度梯度Tg为88。

(5)可靠度系数γr。轻交通公路为四级安全等级，目标可靠度为80，变异水平等级为高级，查表γr取1.11%。

3 基层厚度计算方法

水泥稳定建筑垃圾是无机结合料类半刚性基层，根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)[3]中的设计方法，路面结构按照弹性地基单层板的模型进行设计。

3.1 荷载应力

3.1.1 混凝土板荷载疲劳应力计算

(1)四边自由板的临界荷位处设计轴载产生的荷载应力σps。

(1)

(2)

r=1.21(Dc/Ei)1/3

(3)

式(1)、(2)、(3)中：Ps为设计轴载的单轴重(kN)；Ec、hc、vc分别为弯拉弹性模量(MPa)、混凝土板的厚度(m)和泊松比；r为混凝土板的相对刚度半径(m)；Dc为混凝土板的截面弯曲刚度(MN·m)；Et为板底地基当量回弹模量(MPa)。

(2)计算疲劳荷载应力。

σpr=krkckfσps

(4)

3.1.2 板在最重轴载作用下的荷载应力计算

(1)四边自由板的临界荷位处最重轴载产生的荷载应力σpm的计算与σps相同。

(2)临界荷位处最重轴载产生的最大荷载应力σpmax

σpmax=krkcσpm

(5)

3.2 温度应力

3.2.1 板最大温度应力σtmax

(1)计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL。

BL=1.77e-4.48hcCL-0.131(1-CL)

(6)

(7)

(8)

式(6)、(7)、(8)中：CL为混凝土板的温度翘曲应力系数；L为板的横缝间距，即板长(m)；rg为板的相对刚度半径(m)。

(2)计算最大温度应力。

(9)

式(9)中：αc为混凝土的线膨胀系数；Tg为公路所在地50年一遇的最大温度梯度。

最大温度应力与最大荷载应力的和代入最重轴载作用下极限状态表达式中。

3.2.2 板温度疲劳应力

(10)

式(10)中：at、bt、ct为回归系数。

σtr=ktσtmax

(11)

温度疲劳应力与荷载疲劳应力的和代入重复荷载作用下极限状态表达式中。

3.3 结构极限状态校核

通过计算单层板的极限状态来校核基层的厚度是否满足要求。

(12)

式(12)中：γr(σpr+σtr)为考虑可靠度系数后的混凝土板综合疲劳应力；γr(σpmax+σtmax) 为考虑可靠度系数后的混凝土板最大综合应力。

4 计算结果及分析

参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)[3]中的规定，无机结合料稳定粒料类基层推荐适宜压实的厚度范围是150～200 mm，路面设计HPDS软件的水泥稳定类基层限制范围80～350 mm。目前尚无规范对建筑垃圾作为基层材料的相关规定，薄基层无法达到路用要求，厚基层会增加造价，结合安全性、经济性考虑厚度范围初始定为80～350 mm，通过计算确定最终适合建筑垃圾集料基层合理厚度。

工况一：A类配合比的轻交通公路基层，水泥含量为4%，建筑集料配比废弃混凝土∶废弃砖∶碎石=100∶0∶0，最佳含水量为9.8%，最大干密度为2.013 g/cm3， 7 d无侧限抗压强度为2.70 MPa。通过计算部分重要结果见表2，由表2可知水泥稳定建筑垃圾基层的推荐合理厚度范围为220～350 mm。

表2 工况一的基层厚度计算结果

工况二：B类配合比的轻交通公路基层，水泥含量为6%，建筑垃圾集料配比废弃混凝土∶废弃砖∶碎石=90∶10∶0，最佳含水量为13.9%，最大干密度为1.860 g/cm3，7 d无侧限抗压强度为2.61 MPa。通过计算部分重要结果见表3，由表3可知水泥稳定建筑垃圾基层的推荐合理厚度范围为220～350 mm。

表3 工况二的基层厚度计算结果

工况三：C类配合比的轻交通公路基层，水泥含量为7%，建筑垃圾集料配比废弃混凝土∶废弃砖∶碎石=10∶80∶10，最佳含水量为16.5%，最大干密度为1.665 g/cm3，7 d无侧限抗压强度为2.65 MPa。通过计算部分重要结果见表4，由表4可知水泥稳定建筑垃圾基层的推荐合理厚度范围为220～350 mm。

表4 工况三的基层厚度计算结果

工况四：D类配合比的轻交通公路基层, 水泥含量为7%，建筑垃圾集料配比废弃混凝土∶废弃砖∶碎石=0∶90∶10，最佳含水量为18.4%，最大干密度为1.581 g/cm3，7 d无侧限抗压强度为2.53 MPa。通过计算部分重要结果见表5，由表5可知水泥稳定建筑垃圾基层的推荐合理厚度范围为220～350 mm。

表5 工况四的基层厚度计算结果

5 结论

在满足轻交通量公路基层要求的4种配合比方案下，水泥含量4%时，建筑垃圾集料配比(废弃混凝土∶废弃砖∶碎石)为100∶0∶0；水泥含量为6%时，集料配比为90∶10∶0；水泥含量7%时，集料配比为10∶80∶10；水泥含量7%时，集料配比为0∶90∶10；四种工况下的计算研究，推荐水泥稳定建筑垃圾基层在西南地区轻交通量公路的路面结构中应用合理厚度范围为220～350 mm。