建筑垃圾改良膨胀土特性研究

许 凤 荣

(秦皇岛市海港区教育和体育局，河北 秦皇岛 066008)

0 引 言

膨胀土作为一种具有胀缩性质的黏性土，对含水率变化极为敏感.正常状态下具有较高的强度与较低的压缩性，土体呈硬塑性[1]，因此常被人们误作为工程用土.然而由于其遇水膨胀软化，失水收缩开裂等特点[2]，难以满足工程承载要求.对此，张雁等[3]对石灰煤矸石改良膨胀土进行研究，认为石灰煤矸石优于石灰改良膨胀土的工程性质.Soltani，Amin等[4]对工业废料对膨胀土改良进行研究.Kolay P K等[5]对利用砂和粉煤灰改良膨胀土进行研究.而目前建筑垃圾作为一种过剩且难以有效处理的废弃资源，如何使建筑垃圾发挥作用成为一个热点问题.陈雅芝[6]对国内外建筑垃圾资源化利用政策进行研究.胡魁等[7]对建筑垃圾分类系统进行了研究，针对建筑垃圾再生利用对建筑垃圾分类提出了较高要求，以达到降低成本的目的.李述俊等[8]对建筑垃圾再生微粉基本性能进行研究.本研究就如何有效利用建筑垃圾增强膨胀土力学特性做出研究.

1 土样材料分析

研究土体基本力学特性能够为工程应用提供依据，也是后续研究的基础.试验土样取自某项目现场基坑开挖土.

1.1 基本力学特性

1.1.1 界限含水率试验

界限含水率主要用于计算土体塑性指数、划分土质，为后续试验提供试验数据.

取500g土样碾碎后过0.5mm筛，取筛土300g，通过液塑限测定仪对土样测定，求得三次土样在不同含水率下的锥入深度.并在双对数坐标图上连线，试验结果如图1.

图1 液塑限测定图

由《公路土工试验规程》[9]可知，土体液限为41%、塑限为19.2%.

1.1.2 颗粒分析

颗粒分析主要用于确定土的颗粒组成，对于粒径大于0.75mm的土粒采用过筛法进行筛选，对于粒径小于0.75mm的土粒采用密度计法进行筛分.结果如图2所示.

图2 颗粒级配筛分图

由图2可知，土样中土颗粒小于0.075mm约占土总质量的95%，土颗粒小于0.002mm约占土样总质量的23%，故可判断该土样为细粒土.

1.1.3 比重试验

采用比重瓶法计算土粒比重，计算公式如式(1)：

(1)

式中：Gs—土的比重，结果精确至0.001;

ms—干土质量(g)；

Gkt—温度为t时煤油比重.

测量结果如表1所示：

表1 土体比重计算结果

综上可知，土样为塑性指数19.2，粒径小于0.002mm的土颗粒占比23%左右，土样比重为2.673，该土样属于粘土范畴.

1.2 胀缩特性

1.2.1 自由膨胀率试验

自由膨胀率通常作为一种判断方式，用以判断无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性.一般采用50ml量筒、10ml量土杯进行试验，计算公式如式(2)，计算结果如表2.

表2 胀缩率计算结果

(2)

式中：δef—自由膨胀率(%)，取整数；

V—土样膨胀稳定后体积(mL)；

V0—量土杯容积(mL)，等同于干土自由堆积体积.

1.2.2 膨胀力试验

膨胀力是膨胀土特有的性质，指土体遇水膨胀时控制土体体积不变时土体内部的产生的应力，膨胀土在浸水后经过一定时间膨胀后趋于稳定，稳定膨胀力约为265kPa.膨胀力计算公式如式(3)，计算结果整理如表3.

表3 膨胀力计算结果

(3)

式中：Pe—膨胀力(kPa)，保留一位小数；

W—总平衡荷重(N)；

A—试样面积(cm2)；

m—加压设备杠杆比.

综合以上试验可知，土样属于弱膨胀土，需要进一步处理后才能作为工程用土.

2 建筑垃圾材料分析

2.1 建筑垃圾初步处理与分析

建筑垃圾取材为某房屋拆迁废弃建材，先对建筑垃圾进行筛分、成分测定等试验.统计试验结果如表4、表5所示.

表4 建筑垃圾筛分统计

表5 建筑垃圾成分统计

采用小型破碎机将建筑垃圾破碎，并进行分拣、筛分.目的是为剔除轻质物，并将破碎后的建筑垃圾按照粒径分组.统计结果如表6.

表6 建筑垃圾粒径筛分统计

2.2 建筑垃圾密度与吸水率测定

由《公路工程集料试验规程》(网篮法)[10]规定，采用网篮法测定相对密度与吸水率.试验结果如表7所示.

表7 网篮法测定实验结果

由表格分析可知，四组粒径材料吸水率均较高，平均吸水率在11.9%-17.4%之间.

综合本节内容可知，土样为弱膨胀土，需处理后才可满足工程要求.建筑垃圾成分复杂，主要成分为砖块与水泥砂浆且具有较高吸水率.

3 建筑垃圾改良膨胀土特性试验

将建筑垃圾掺入膨胀土，目的是改良膨胀土的力学性质.引入CBR指标作为评价标准，研究膨胀土改良后的压实特性、强度特性、胀缩特性等，对于建筑垃圾的处理改造具有积极意义.

3.1 改良机理

区别于水泥、石灰等掺料，建筑垃圾改良膨胀土没有改变膨胀土本身特性，仅降低膨胀土占比，使膨胀土的胀缩特性减弱.同时，掺入的建筑垃圾能够与膨胀土紧密结合，形成整体结构，作为骨架为土体提供支撑，增强土体整体的稳定性.

3.2 试验分析

由于目前建筑垃圾改良膨胀土研究较少，为研究建筑垃圾掺入的最佳比例，选取五种方案进行室内试验，具体试验方案如表8所示.

表8 试验方案

在烘干箱中将土样烘干，碾碎后过5mm筛子，之后按照试验方案将建筑垃圾按比例掺入土体并拌匀，按照素土含水率加水[11]，再次搅拌后装入塑料袋放置24小时.采用击实仪制件.

对四种不同的建筑垃圾粒径进行组合，对不同掺量比例进行击实试验、CBR试验、浸水膨胀量、浸水后无侧限抗压强度试验，试验结果如表9所示.

表9 试验结果汇总

将试验结果整理后绘制曲线图如图3，以便于更直观分析各方案对改良后土体的影响效果.

(a)建筑垃圾掺比对干密度影响 (b)建筑垃圾掺比对膨胀量影响

由图(a)分析可知，在建筑垃圾掺比不断增大过程中，土样干密度也在不断增大，在掺比达到40%时到达最大值，之后掺比增大反而干密度降低.当掺比为50%时，方案Ⅰ相较与40%掺量降幅最大，分析原因，方案Ⅰ中建筑垃圾粒径较大，土体难以有效填充到建筑垃圾颗粒间，从而导致干密度大幅降低.故仅考虑干密度，建筑垃圾掺量为40%时，土体能够与建筑垃圾紧密结合.由图(b)分析可知，建筑垃圾掺量不断增加的过程中，土体膨胀量不断减少，而当掺量达到50%时，膨胀量又略有增加，这是由于在40%时土体与建筑垃圾骨料之间结合最为紧密，两者之间互相摩擦咬合作用最为明显，最能够发挥作用.由图(c)分析可知，在建筑垃圾掺比不断增大过程中，土样CBR值也在不断增大，在掺比达到40%时到达最大值，之后掺比增大反而CBR值降低.分析在50%时CBR值降低原因发现，此时建筑垃圾与土体结合并不紧密，且土体膨胀量较大，浸水膨胀后土体内部更加蓬松，孔隙进一步增大.故50%掺量相较于40%掺量有所降低，但仍比20%、30%掺量CBR值要高.说明改良效果主要取决于建筑垃圾与土体的摩擦咬合作用，因此，在掺量为40%时CBR值能达到最佳值.由图(d)分析可知，当掺量从20%增加到40时，无侧限抗压强呈现递增趋势，土体与掺料间摩擦咬合作用不断增加，从而表现为能够提供更高的强度值.当掺量达到50%时，强度值反而有所降低，此时由于掺料中粗骨粒较大，孔隙难以被土体有效填充，摩擦咬合作用减弱，强度值有所降低.

综合上述分析可知，方案Ⅱ膨胀量高于其它四组，而强度特性却低于其他四组，分析原因可知，方案Ⅱ骨料粒径在9.5mm-19mm之间，此时的骨料难以形成有效骨架作用，土体与骨料的结合不够紧密，强度较低.综合分析试验方案，方案Ⅰ可作为最优方案，在掺比40%时达到最优效果.

4 结 论

本研究通过分析土样基本特性判断膨胀等级，结合五种不同掺料方案，分析改良后图样的力学性质，对比分析，得到以下结论：

(1)建筑垃圾经过粉碎筛选后掺入膨胀土中可以改良膨胀土特性，提升土体力学性能.

(2)在掺量达到40%时，五种试验方案的改良土均达到最优效果，同时膨胀量也最小.

(3)建筑垃圾改良膨胀土主要由于骨粒与土体间摩擦咬合作用，属于物理改良方法，在掺入量达到40%时达到最优效果.

(4)建筑垃圾对膨胀土的改良由建筑垃圾骨料的掺入比例以及粒径决定.在一定范围内能够有效改良膨胀土的不利特性.