建筑垃圾再生砖混材料在路基中的应用研究

2022-03-11杜腾飞马风杰冀丽娟郭亮亮牛会酉

交通节能与环保 2022年1期

杜腾飞，马风杰，冀丽娟，郭亮亮，牛会酉

（天津市交通科学研究院，天津 300202）

0 引言

随着我国经济发展，房屋建筑和市政基础设施进入改扩建和拆除重建的阶段，随之产生了大量的固体建筑垃圾。我国建筑垃圾年产生量超过30亿吨[1]，黏土砖与混凝土混合垃圾占据了半数以上。但目前我国建筑垃圾资源化利用率小于5%，处理方式主要采用外运、填埋和露天堆放等方式，对周围环境造成威胁的同时也占用土地资源。而道路工程建设中需要使用大量的路基填料，材料的开采导致环境破坏。因此，将建筑垃圾中的砖混材料再生循环利用在道路工程中，既可使建筑垃圾资源化再利用，又可保护环境免遭破坏。

目前，建筑垃圾资源化再利用已经成为国内外学者研究的热门。许多学者展开了混凝土再生利用研究，包括废旧混凝土与废旧黏土砖的筛分技术、混凝土再生集料加工技术、混凝土再生集料性能研究，并通过大量的室内试验和现场试验路段进行验证[2-8]。由于废旧黏土砖吸水率较大，对其的再生利用主要是磨成粉末，作为添加材料使用。由于黏土砖与混凝土混合垃圾的组分复杂，总体强度较混凝土材料低，不能直接用于再生集料的生产，因此其虽然存量大，但相关研究却并不深入[9]。

综上所述，黏土砖与混凝土混合垃圾有巨大的存量和年产量，值得展开深入系统的研究。本文主要研究黏土砖与混凝土混合垃圾通过资源化再生应用在路基中，展开系统的室内试验，分析砖混再生材料的性能以及不同稳定方法和成型方法对最终混合料性能的影响。

1 再生材料物理性质分析

1.1 组分分析

与常规路基填料相比，砖混再生材料的特殊之处就在于其组成成分的复杂性。加工后的砖混再生材料的主要组成成分包括砖瓦类、砂浆类、混凝土石类以及碎屑尘土类（见图1和图2）。

图1 砖混再生材料Fig.1 Clay bricks and concrete recycled materials

图2 砖混再生材料组分分拣Fig.2 The component of clay bricks and concrete recycled materials

通过四分法取样，选取具有代表性的材料试样，然后进行组分分拣，各组分含量平均值如表1所示。砖混再生材料中，垃圾含量为0.33%，满足再生材料的要求（小于1%）；黏土砖和砌块砂浆的含量占主体，均为30%～40%；石子和渣土各占14%左右；其中黏土砖、砌块、砂浆、石子总占比84.9%，可以有效为再生材料提供强度支撑。

表1 砖混再生材料组分Tab.1 The component of clay bricks and concrete recycled materials

1.2 不均匀性分析

砖混再生材料作为路基填料使用，现有规范未对材料级配提出要求。因此，在生产加工过程中，未对再生材料进行粒径筛分，破碎再生材料为一个料堆，这与消纳场生产、工程实际应用也更为贴近。现有规范仅对无机稳定材料的最大粒径做出要求，但为保证无机稳定再生材料的性能，应确保再生材料的不均匀性。对再生材料进行筛分，以了解再生材料的具体粒径组成。由于黏土砖、土、砂浆等天然含水率较高，为排除不同组分含水不同的影响，先对再生材料烘干，再进行筛分。筛分后的具体数据如图3所示。

图3 砖混再生材料级配曲线Fig.3 The grading curve of clay bricks and concrete recycled materials

通过不均匀系数Cu和曲率系数Cc可以分析砖混再生材料的颗粒构成，其中不均匀系数Cu反映了颗粒分布的不均匀程度，Cu值越大，级配曲线越平缓，材料粒径分布范围越广，越不均匀，越易于压实；Cu值越小，级配曲线越陡峻，材料粒径分布范围越狭窄，越均匀，越不易压实。

砖混再生材料的不均匀系数为：

一般情况下，Cu＜5时，认为材料颗粒均匀，级配不良；Cu＞10时，认为级配良好，但Cu 过大，表示可能缺失中间粒径，属不连续级配。建筑垃圾土再生材料的Cu值为31.67，Cu值偏大，材料中粗细颗粒容易离析，影响工程质量。因此，需同时结合描述累计曲线整体形状指标的曲率系数Cc进行评价。

砖混再生材料的曲率系数为：

当Cc＜1或Cc＞3时，表示级配曲线不连续；当Cc在1～3范围时，级配连续。砖混再生材料的Cc值为1.95，属于级配连续范围。

综合不均匀系数和曲率系数，均表明砖混再生材料级配良好，用作路基填料，压实效果较好，可以得到较高的压实度。

1.3 密度试验和吸水率

密度可以直观反映材料的综合性能，对砖混再生材料进行密度试验和吸水率试验后，得到密度和吸水率，与路基常用土、天然集料进行对比，具体如表2所示。

表2 再生材料与常规材料物理性能对比Tab.2 Comparison of physical properties between recycled materials and conventional materials

对比发现：再生料的密度处于土和天然集料之间，这与再生材料的组分有关，既含有砖与砌块等轻质组分，又含有混凝土块和石子等重质组分。再生材料中的黏土砖和砂浆砌块孔隙较多，吸水性较强，整体吸水率高于天然材料，因此砖混再生材料可以与其他路基填料配合使用，改善填料潮湿状态。

2 无机稳定砖混再生材料性能试验

2.1 最大干密度与最佳含水率

为探究不同稳定方法对砖混再生材料性能的影响，分别采用不同剂量水泥稳定再生材料，不同剂量石灰稳定掺加土的再生材料，并与不掺加任何稳定剂的再生材料进行对比，依据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）重型击实试验[10]，测得最大干密度和最佳含水率如表3所示。

表3 不同稳定方法的砖混再生材料最大干密度和最佳含水率Tab.3 Maximum dry density and optimum moisture content of brick-concrete recycled materials with different stabilization methods

对比最大干密度和最佳含水率变化，可以发现：各种条件下，最佳含水率变化不大，在13.8～16.0范围内波动。水泥稳定、土稳定、石灰稳定，均可以有效提高再生料的最大干密度，这是由于稳定材料颗粒较小，随着掺量不断增加，能更好地填充骨料颗粒之间的间隙，使得试件密实度得到提高，最大干密度从而不断增大。

2.2 加州承载比（CBR）试验

对路基填料的材料性质要求，在《公路路基施工技术规范》（JTG/T3610）中做出了规定，其主要控制指标为最小承载比和最大粒径，要求路基填料最小承载比为8，路基填料最大粒径小于100 mm，建筑垃圾土再生材料最大粒径31.5 mm，完全满足规范对路基填料的要求。依照《公路土工试验规程》（JTG 3430）进行砖混再生材料的加州承载比试验，测得不同击实次数下不同稳定方法的混合料CBR值，具体见图4所示。

图4 不同条件下的CBR值Fig.4 CBR valueunder different conditions

对比不同条件下测得的CBR值，随着石灰或水泥掺量的增加，CBR值逐渐增大，表明采用石灰或水泥稳定，可以有效提高砖混抵抗荷载作用变形的能力。击实次数与CBR值成正相关，这与击实功的增大有关。水泥稳定砖混再生料时，击实98次的CBR值平均比击实50次的CBR值大120左右，对击实次数更为敏感。但石灰稳定砖混再生材料时，击实50次的CBR值平均比击实30次的CBR值大70左右，说明在击实功较小时，石灰稳定对击实次数更敏感。综合分析，所有条件下测得的CBR值均满足规范不小于8的要求，表明砖混再生材料完全可以作为路基填料使用。