建筑垃圾改良膨胀土填筑路基可行性研究

周志清，王定鹏

(中冶南方城市建设工程技术有限公司，湖北 武汉 430200)

膨胀土是因历史地质作用形成的一种特殊性黏土，呈灰白、灰黄、棕红、褐黄等色状，其矿物成分以强亲水性蒙脱石、伊利石为主[1].遇水易膨胀软化、强度衰减，失水易收缩开裂；具有显著的胀缩性和多裂隙性，浅层破坏多发[2].针对膨胀土的工程特性，李妥德[3]对采用矿渣复合料改良膨胀土的工程特性进行了研究，结果表明：掺入矿渣无机料改良膨胀土的方法是经济可行的.庄心善[4]等通过对风化砂改良后的膨胀土进行无荷膨胀率和三轴试验，找出膨胀土膨胀率、粘聚力和内摩擦角随风化砂掺量的变化规律，确定最佳掺砂比.陈善雄[5]、刘广武[6]、李建宁[7]等探讨了膨胀土的石灰类改性剂改性技术.贺行洋[8]等在对影响膨胀土胀缩性的因素研究后，对工程中现有膨胀土固化方法耐久性较差的原因进行了说明.唐咸远[9]等采用不同化学改良材料对不同路段膨胀土进行改良试验，通过分析不同改良土有关胀缩、强度试验数据对比说明不同改良材料对膨胀土的效果及适应性.此外，膨胀土处理方法还有路基保湿法[10-11]、换土法[12]、桩基础[13-14]等.

随着我国城市化进程的加快，人们从事建设、拆迁、装修等生产活动越来越多.而这些活动中往往伴随着产生大量的渣土、砖块、混凝土等建筑垃圾.目前，中国建筑垃圾的处理方式较为落后，对社会环境造成不利影响.将建筑垃圾按一定比例掺入到膨胀土中的物理改良法一方面可起到降低膨胀土路基胀缩特性、降低其毛细作用，另一方面也可起到提高路基强度特性及其透水性能，起到“变废为宝”的效果.

作为路基填料其CBR强度必须满足规范要求，此外，膨胀土若用作路基填料其胀缩特性亦需满足要求，因此，本文主要针对建筑垃圾混合土的强度以及胀缩特性进行研究.

1 试验材料

试验用土取自荆州城北复兴大道第一分部，土样取回后，按照《公路土工试验规程》[15]进行了土粒基本物理性质指标以及胀缩特性等试验，结果见表1～2.

依据《膨胀土地区建筑技术规范》[16]自由膨胀率判别标准、《公路路基设计规范》[17]中的胀缩总率、标准吸湿含水率判别标准、李生林[18]塑性图判别方法等最终判定土样为弱膨胀土，故需经过处理后才可用于路基填筑.

建筑垃圾取自第一分部沿线房屋拆迁所产生的混合物，主要成分为：砖渣含量50%左右，混凝土块及碎屑含量49%左右，陶瓷钢筋等含量0.7%左右，轻物质含量0.3%左右，对杂物进行清捡，破碎处理后，分别过筛40 mm(圆孔筛)、31.5 mm、19 mm、9.5 mm、选择方孔筛[19]分成四种粒组.下文中分别称为①、②、③、④粒组.按《公路工程集料试验规程》[20]对其进行了原材料试验，主要包括各成分含量、材料密度、吸水率、液塑限测定等.试验结果如表3.

表1 土粒基本物理性质指标Tab.1 Basic physical properties of soil particles

表2 土粒胀缩特性指标Tab.2 Expansion and shrinkage characteristics of soil particles

表3 建筑垃圾再生料原材料试验Tab.3 Raw material test of construction waste recycled materials

2 试验方案

配置3种粒级组合：粒级组合Ⅰ(由单粒组③组成)、粒级组合Ⅱ(由单粒组②组成)、粒级组合Ⅲ(由粒组①、④按照5∶5比例组成)，将3种建筑垃圾粒级组合再按照0%、20%、30%、40%、50%、的质量百分数掺到素土中，由重型击实试验得到试样.称量计算干密度后，进行浸水饱和并记录试样膨胀量，饱和后进行贯入试验测得CBR5.0.按照13种组合最佳含水率、压实度94%称料取样，每组3个试样，然后利用万能材料实验仪静压成型，将所得试样按照CBR试验方式进行浸水3 d饱和，并记录读取试样的浸水膨胀量，12组掺建筑垃圾混合土试样按照各自膨胀量与0%掺比素土试样膨胀量比例近似换算胀缩总率，浸水饱和后按照《公路土工试验规程》[15]进行CBR试验.

3 试验结果及分析

3.1 建筑垃圾改良土击实试验结果

对13组试样进行重型击实试验，得到各自最佳含水率、最大干密度如表4所示.

表4 建筑垃圾土击实试验结果Tab.4 Soil compaction test results of construction waste

由表4可知：对比素土、建筑垃圾土的干密度稍有增加，这是因为建筑垃圾的掺入会在试样内部形成粗骨架作用，而膨胀土起到填充作用，混合土级配较素土更优，因此最大干密度略有上升.对比同一粒级组合看出3种建筑垃圾粒级组合改良土在建筑垃圾掺量为20%～40%时，随着建筑垃圾掺量的增加，试样最大干密度递增，当掺量超过40%时，最大干密度出现明显减小趋势.并且当掺量为50%时，干密度骤降，说明当建筑垃圾含量过高，试样内部骨架孔隙过大，土体比例过小，骨架孔隙没有得到有效填充[21].此外建筑垃圾土最佳含水率较素土降低，并随着掺比的增加而降低，对比不同粒级组合，相同掺比时粒级组合Ⅰ最佳含水率最低，这是因为土样最佳含水率与土粒粒径有关，相对粒径越大，最佳含水率越小[22].

3.2 CBR试验结果

由重型击实100%压实度试样及静压成型94%压实度试样CBR5.0如下表5及图1～2所示.

表5 CBR试验结果Tab.5 CBR test results

图1 重型击实试样CBR5.0与掺比关系Fig.1 The relationship between CBR5.0 and mixing ratio of heavy compacted sample

图2 静压成型试样CBR5.0与掺比关系Fig.2 The relationship between static pressure forming sample CBR5.0 and mixing ratio

由表5及图1～2可知：静压成型建筑垃圾土CBR强度较素土明显提高，且3种建筑垃圾粒级组合掺量为20%～50%时，CBR5.0呈现递增，而当掺量大于40%时CBR5.0虽然仍然增加，但是增加的趋势较之前有所减缓，这是因为建筑垃圾粒级组合改良膨胀土强度特性主要依赖于建筑垃圾的骨架效应，50%建筑垃圾掺量时，改良土中建筑垃圾骨架作用增加，但是土体比例过小，骨架孔隙没有得到有效填充，这从击实试验结果50%建筑垃圾掺比时最大干密度减小可验证.重型击实建筑垃圾土CBR强度高于静压成型建筑垃圾土，但CBR强度随建筑垃圾掺比的变化趋势两者有所不同，原因可能是成型方式不同，内部建筑垃圾骨架作用不同从而对膨胀土的膨胀约束效果不同，浸水后膨胀量也不同，因此CBR变化趋势不同.

荆州城北快速路设计标准为一级公路，《公路路基设计规范》[17]中一级公路对于路基填料CBR值及压实度要求如下表6所示.

表6 路基不同部位CBR、压实度要求值Tab. 6 CBR and compaction requirements for different parts of subgrade

对比表5、6可知：建筑垃圾土在规范要求压实度时CBR强度满足路堤要求(除粒级组合Ⅱ20%掺比时不满足上路堤要求)，压实度满足规范要求时粒级组合Ⅰ建筑垃圾掺比为30%～50%，粒级组合Ⅱ掺比40%～50%，粒级组合Ⅲ掺比30%～50%，CBR强度能达到路床要求.因此，建筑垃圾改良后膨胀土在一定压实度且建筑垃圾配、掺比合理时材料CBR强度可以达到规范要求.

3.3 膨胀量试样结果

试样浸水饱和膨胀量测量结果如下表7，图3～4所示.

表7 膨胀量记录结果Tab.7 Recording results of expansion

图3 重型击实试样膨胀量与掺比关系Fig.3 The Relationship between expansion and mixing ratio of heavy compacted specimen

图4 静压成型试样膨胀量与掺比关系Fig.4 The relationship between expansion and mixing ratio of hydrostatically formed samples

由表7及图3～4可知：建筑垃圾的掺入显著降低了膨胀土的膨胀特性，这是因为一方面建筑垃圾的掺入使土体中膨胀土比例降低，导致膨胀量降低，另一方面建筑垃圾骨架对膨胀土起到抑制膨胀作用.此外粒级组合Ⅱ、Ⅲ由击实所得试样建筑垃圾掺比20%～50%时膨胀量随着建筑垃圾掺比的增加膨胀量降低，粒级组合Ⅰ超过40%后膨胀量稍有增加，原因可能是因为粒级组合Ⅰ建筑垃圾掺比达到50%时，干密度较小，内部空隙较大，粗骨架之间联结作用减弱，对膨胀土的约束作用降低.而由静压成型试样膨胀量随着建筑垃圾掺比的增加膨胀量一直降低，出现这种情况的原因可能是因为击实、静压成型试样内部建筑垃圾粗骨架结构不同：击实过程中试样内部建筑垃圾破碎、粒级重组、移动、嵌固等现象更为显著，粗骨料之间的摩擦-咬合力更显著，抑制膨胀作用更明显.

建筑垃圾土胀缩总率按式1换算：最终换算结果整理如图5～6，表8所示.

图5 重型击实试样胀缩总率与掺比关系Fig.5 The relationship between the total expansion and contraction ratio of the heavy compacted sample and the mixing ratio

图6 静压成型试样胀缩总率与掺比关系Fig.6 The relationship between the total expansion and contraction ratio of the static pressure forming sample and the mixing ratio

表8 建筑垃圾土胀缩总率换算结果Tab.8 Conversion results of total expansion and contraction rate of construction waste

(1)

由表8及图5、6可知：由重型击实试验所得试样胀缩总率除粒级组合Ⅱ与粒级组合Ⅲ中20%掺比大于《公路路基设计规范》[17]要求值0.7%，其余粒组胀缩总率均满足要求，而由静压成型所得试样胀缩总率较重型击实所得试样更大，但也基本满足规范要求不大于0.7%(除粒级组合Ⅱ中20%、30%与粒级组合Ⅲ中20%掺比)，在实际工程中路基的碾压是采取振动与静压结合的方式进行，因此路基胀缩总率取由重型击实试验所得试样更符合工程实际.因此可说明建筑垃圾改良后膨胀土在合理粒料级配及掺比时胀缩特性上可以达到规范要求.

4 工程实例

项目工程实例为荆州城北快速路一分部，试验段长度100 m，宽度15 m.路堤厚度50 cm，建筑垃圾掺比30%、压实度按照94%控制.路床80 cm，建筑垃圾掺比40%、压实度按照96%控制，路床顶面设计弯沉值194 mm、回弹模量40 MPa.建筑垃圾在现场加工破碎，技术指标如表9所示.

表9 现场建筑垃圾筛分结果Tab.9 Screening results of on-site construction waste

建筑垃圾现场破碎加工后与膨胀土拌和闷料24 h，闷料完成后采用自卸车运送到试验路段，摊铺均匀后(视干湿程度进行洒水或晾晒)，采用路拌机拌和，然后采用26 t钢轮压路机进行压实，现场碾压技术参数如表10所示.

路堤分两层铺设碾压、路床分四层铺设碾压.每层碾压完成后进行压实度检测，检测结果如表11所示.

表10 现场路基碾压技术参数Tab.10 Technical parameters of on-site roadbed rolling

表11 现场压实度检测结果Tab.11 On-site compaction test results

由表11可知：路堤、路床各分层压实度指标均满足规范要求.路床顶面施工完成后3 d进行了现场回弹弯沉试验，总检测了两个车道，每车道检测7个点.检测结果及回弹模量换算结果如表12所示.

表12 路床顶面回弹弯沉检测结果一览表(0.01 mm)Tab.12 List of detection results of rebound deflection on the top surface of road bed (0.01 mm)

由表12可知，试验路路床顶面弯沉值满足设计要求，路床顶面换算回弹模量达到设计要求.

5 结论

本文通过3种粒级组合及不同掺比建筑垃圾改良膨胀土的一系列室内物理、力学指标、胀缩特性试验进行建筑垃圾改良膨胀土可行性研究，得出以下结论：

(1)建筑垃圾掺入膨胀土中可提高膨胀土CBR强度，建筑垃圾土CBR随着建筑垃圾掺量的增加而升高.当建筑垃圾掺量较低时，CBR强度可满足路堤填料要求，而当掺量达到40%、50%时，建筑垃圾混合土CBR强度甚至可满足路床要求；

(2)建筑垃圾掺入膨胀土中可显著降低膨胀土胀缩特性，随着掺比的增加效果越好.不同的粒级组合在掺比相同时，改良效果不同，对比发现粒级组合Ⅰ改良效果最好.3种粒级组合掺比分别达到20%、30%、30%及以上时，胀缩总率低于0.7%，满足规范要求；

(3)当按照设计要求，严格施工时，建筑垃圾改良土路基弯沉值及回弹模量可达到路基设计要求值，因此建筑垃圾改良膨胀土方法在工程中切实可行.