建筑垃圾材料在北京公路工程中的试验研究

李万举， 丛铖东， 王文宏

(北京市道路工程质量监督站 公路监督科， 北京市 100076)

建筑垃圾材料主要分为砖混类、水泥混凝土类，循环利用可减少道路建设过程中新集料开采，符合公路交通行业节能减排和建设资源节约型、环境友好型交通行业要求，是可持续发展的有效措施。新设计规范JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》已颁布实施，与原设计标准变动较大，主要在材料验证和结构验算方面，该文以新设计规范为基础，对水泥稳定类建筑垃圾再生材料进行验算，并结合实际工程进行验证。

1 水泥稳定建筑垃圾再生材料试验研究

砖混类建筑垃圾再生集料多为砖瓦、砌筑砂浆、混凝土等混合物，是砖混结构物经破碎、除杂、筛分形成的建筑垃圾。由于砖瓦类物质中黏土的存在及其多孔结构，导致砖混类建筑垃圾含水率变化较大，同时由于黏土在高温作用下具有较强黏性，水泥稳定砖混类再生材料拌和、养生过程中，水泥水化反应产生胶结能力，释放热量，使黏土具备一定黏性，在水泥与黏土的共同作用下，水泥稳定砖混类再生材料形成一定强度，但由于砖混类建筑垃圾本身性质(含水率变化大、坚固性等)原因，水泥稳定砖混类再生材料形成强度过程更为复杂，拌和、铺筑、养生等过程要求更高。

水泥混凝土类建筑垃圾再生集料多为水泥混凝土等混合物，经破碎、除杂、筛分形成的建筑垃圾。由于水泥混凝土类建筑垃圾中水泥成分失效，再生的粗细集料性能类似于普通新集料，拌和形成的水泥稳定水泥混凝土类再生材料强度形成机理与普通水泥稳定材料类似，水泥水化反应形成主要强度。

1.1 建筑垃圾再生集料性能

该文选用的砖混类及水泥混凝土类建筑垃圾再生集料均分为3档，0～5、5～25及25～31.5 mm，对再生集料主要进行筛分、含泥量、细集料塑性指数、压碎值、软石含量及针片状含量试验研究，试验结果见表1。

由表1可知，砖混类建筑垃圾再生集料压碎值偏高，无法满足JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》对于高等级公路基层及底基层指标要求，同时由于砖混类建筑垃圾中砖类的力学特性，软石含量、0.075 mm以下粉尘含量均超过指标要求，砖混类建筑垃圾再生集料无法应用在高等级公路基层及底基层；砖混类建筑垃圾再生集料相关性能满足二级以下公路底基层集料相关指标要求。水泥混凝土类建筑垃圾再生集料各项指标基本满足JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》对于高等级公路基层指标要求。

1.2 水泥稳定建筑垃圾再生材料性能

砖混类混凝土再生骨料目标应用道路底基层，压实度97%；水泥混凝土类再生骨料目标应用道路基层，压实度98%，配合比见表2。

表1 建筑垃圾再生集料试验结果

表2 水泥稳定建筑垃圾再生骨料混合料配合比

注：水泥掺量为集料质量的百分比。

根据表2分别静压成型φ150 mm×150 mm圆柱形试件及150 mm×150 mm×550 mm短形梁试件，分别进行7、15、28、90 d无侧限抗压强度试验，28 d冻融循环试验、90 d抗压回弹模量试验、90 d弯拉强度及弹性模量试验，试验结果见表3。

由表3可知，水泥稳定砖混类再生材料7 d无侧限抗压强度完全满足JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》中二级及以下公路底基层抗压强度指标要求，随着养生天数增加，抗压强度随之增加，抗冻性能、抗弯拉性能优良，具有良好的工作性能。工程所用的水泥稳定砖混类再生材料90 d抗压回弹模量与普通水泥稳定碎石相当。综合砖混类建筑垃圾再生集料性质，水泥稳定砖混类再生材料可以应用到二级及以下公路底基层。

水泥稳定水泥混凝土类再生材料7 d无侧限抗压强度完全满足JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》中高等级公路极重、特重交通基层抗压强度指标要求，随着养生天数增加，抗压强度随之增加，抗冻性能、抗弯拉性能优良，具有良好的工作性能。工程所用的水泥稳定水泥混凝土类再生材料90 d抗压回弹模量与普通水泥稳定碎石相当。综合水泥混凝土类建筑垃圾再生集料性质，水泥稳定水泥混凝土类再生材料可以应用到高等级公路基层。

表3 水泥稳定建筑垃圾再生材料试验结果

2 水泥稳定建筑垃圾再生材料结构组合验算

JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》，2017年9月1日正式施行，较旧版JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》结构设计验算方面改变较大。该文以新规范为标准，以2017年北京市某路大修工程结构为原型(此路设计依据2006年版规范)，探讨水泥稳定建筑垃圾再生材料路面结构设计及验算。

2.1 旧路调查与研究

通过FWD落锤式弯沉仪对铣刨完的旧路进行检测。铣刨清理后的旧路顶面弯沉值变化较大，主要集中在0.7～1.2 mm，取代表弯沉值2.02 mm进行旧路当量回弹模量计算，采用FWD弯沉仪，50 kN冲击荷载，承载板直径0.3 m。

根据规范JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》中公式7.4.4计算。

(1)

计算得：Ed=92.5 MPa，旧路强度良好。

2.2 加铺层材料检验

2017年版规范进行结构验算前，要求对加铺层材料相关性能进行试验检验，并确定相关指标参数。背景工程为二级公路，设计年限8年，标准轴载累计作用次数Ne5=3.265×106次/车道，加铺层路面结构为上面层4 cm AC-13，下面层6 cm AC-20，上基层18 cm水泥稳定水泥混凝土类再生材料，下基层18 cm水泥稳定水泥混凝土类再生材料，底基层16 cm水泥稳定砖混类再生材料。

无机结合料稳定类材料规范要求的指标只有7 d无侧限抗压强度及残留抗压强度比，上文对水泥稳定建筑垃圾再生材料两项指标都进行了试验，满足二级公路基层及底基层相关性能要求。

沥青混合料材料性能较2006年版规范增加了沥青混合料贯入强度性能验证，参照规范JTG D50-2017附录F制作了相应规格的压头，分别对加铺层沥青混合料AC-13及AC-20进行贯入强度试验，旋转压实成型高度100 mm试件，60 ℃加载速率1 mm/min，测得AC-13贯入强度0.84 MPa，AC-20贯入强度0.87 MPa。

(1) 根据JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》公式5.5.8-3计算路面结构综合贯入强度Rτs：

(2)

式中：n为沥青混合料层数，背景工程为2层；ωis为第i层沥青混合料权重，沥青混合料层为2层时，自上而下，ω1可取0.44，ω2可取0.56；Rτi为第i层沥青混合料贯入强度，第一层为AC-13，Rτ1试验值为0.84 MPa；第二层为AC-20，Rτ2试验值为0.87 MPa。

代入式(2)，计算得Rτs=0.86 MPa。

(2) 根据JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》公式5.5.8-2计算路面结构系数ψs：

(3)

式中：ha为沥青混凝土层厚度，背景工程为100 mm；hb为无机结合料稳定层厚度，背景工程为520 mm；Eb为无机结合料稳定层模量，由于规范没有明确多层结构模量如何取值，该文根据两种不同材料90 d弯拉弹性模量试验值取平均值取整后确定为18 000 MPa。

代入式(3)，计算得ψs=1.146。

(3) 根据JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》公式5.5.8-1进行贯入强度验算Rτs：

(4)

式中：Td为设计温度，北京地区月平均气温大于0 ℃，各月份气温平均值，17 ℃；[Ra]为沥青混合料层容许永久变形量，根据公路等级查表(JTG D50-2017 表3.0.6-1)确定为20 mm；Ne5为标准轴载累计作用次数，为3.265×106次/车道。

代入式(4)，计算得Rτs=0.86≥0.02。

可见使用水泥稳定建筑垃圾再生材料沥青路面结构满足二级公路贯入强度验算要求。

2.3 路面结构验算

该文主要对水泥稳定建筑垃圾再生材料进行研究，由于应用层位为大修道路基层，需要对无机结合料稳定层疲劳开裂进行验算，设计指标、力学响应及竖向位置如表4所示，路面结构材料相关指标如表5所示。

AC-13、AC-20采用20 ℃、10 Hz条件下动态压缩模量试验值，水泥稳定建筑垃圾再生材料采用90 d弯拉弹性模量试验值，旧路模量为落锤式弯沉仪测量确定，泊松比参照规范JTG D50-2017表5.6.1确定。

表4 设计指标力学响应及竖向位置

表5 路面结构材料指标

力学响应计算点位置如图1所示，选取4点位置计算最大力学响应值。

图1 力学响应计算点位置图(单位：mm)

采用Ansys软件，计算荷载采用标准荷载BZZ—100，轮胎接地压强为0.7 MPa，当量圆半径为10.65 cm，两轮中心距为3倍当量圆半径，A点设置为当量圆原点0 mm，B点为106.5 mm，C点为159.8 mm，D点为133.2 mm。

计算结果如表6所示。

表6 Ansys软件力学响应值计算结果

选取位置A层底拉应力σt作为计算值，根据规范JTG D50-2017中公式B.2.1-2计算现场综合修正系数kc=c1ec2(ha+hb)+c3，按照规范JTG D50-2017表B.2.1-2取值，c1=18.5、c2=-0.01、c3=-1.32，ha为沥青混合料层厚度取10 mm，hb为计算点以上无机结合料稳定层厚度，上基层层底取180 mm，下基层层底取360 mm，底基层层底取520 mm。

计算得：kc-上基层=1.447，kc-下基层=-0.863，kc-底基层=-1.228。

根据规范JTG D50-2017中公式B.2.1-1计算各无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命Nf2。

式中：ka为季节性冻土地区调整系数，取0.8；kT2为温度调整系数，取1.23；a、b为疲劳试验回归参数，根据JTG D50-2017 表B.2.1-1确定，a=13.24、b=12.52；β为目标可靠指标，二级公路取1.04。

计算得：Nf2-上基层= 6.56×1013次/车道，Nf2-下基层=3.09×1010次/车道，Nf2-底基层=1.75×109次/车道。

三层水泥稳定建筑垃圾再生材料疲劳开裂寿命远远大于标准轴载累计作用次数3.265×106次/车道，满足无机结合料稳定层疲劳开裂验算要求。

3 结论

(1) 砖混类建筑垃圾再生集料压碎值等关键性指标较弱，建议用于二级以下公路底基层；水泥混凝土类建筑垃圾再生集料各项指标基本满足高等级公路基层指标要求，可替代普通粗、细集料，但由于破碎、除杂等技术问题，使用前需要对各项关键指标进行试验检验，加大抽检频率。

(2) 水泥稳定砖混类再生材料7 d无侧限抗压强度满足二级及以下公路底基层抗压强度指标要求，抗压强度稳步增长，抗冻性能、抗弯拉性能优良，具有良好的工作性能。

(3) 水泥稳定水泥混凝土类再生材料7 d无侧限抗压强度满足高等级公路极重、特重交通基层抗压强度指标要求，抗压强度稳步增长，抗冻性能、抗弯拉性能优良，具有良好的工作性能。

(4) JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》对于沥青路面结构验算变化较大，水泥稳定建筑垃圾再生材料完全满足沥青混合料贯入强度性能验证及疲劳开裂验算要求，建议设计院所及检测公司根据设计规范要求配备相关设备，通过试验确定原材料性能。