建筑垃圾再生骨料工程特性分析*

杨军强，孙 欣

(中铁七局第三工程有限公司，陕西 西安 710016)

0 引言

近年来，随着我国经济高速发展和城镇化进程的不断加快，城镇化覆盖率已达60%[1]。城市基建中维护、拆除产生的废砖、混凝土砌块和矿渣等建筑废弃物日益增加，据估算，我国建筑垃圾数量已占垃圾总量的40%[2]。一般情况下，未经人工处理的建筑垃圾堆积在城市周边的垃圾场或填埋场，在一定程度上占用了土地资源，严重污染了地面环境[3-5]。因此，结合国家可再生发展的理念，进一步分析建筑垃圾作为路基填料在高速公路中的应用具有重要意义。

建筑垃圾再生骨料目前以砖混类为主，虽存在整体强度偏低、粒径变化大和级配差等缺陷[6]，但符合JTG/T 3610—2019《公路路基施工技术规范》[7]对建筑材料的要求，当前建筑垃圾再生利用的一种有效途径是利用砖混类再生骨料制备无机混合料应用于路基面层[8]。贾淑明等[9]以废弃混凝土为原材料，用不同粗骨料取代率制作混凝土试块，对其进行坍落度测定和抗压强度试验，得出再生混凝土坍落度随粗骨料替代率的增大而降低，替代率>70%时强度较降低明显。蒋业浩等[10]通过改进振动给料机底板的空腔形状分布和空腔率等来提高再生骨料质量。张博等[11]通过进行再生骨料饱和面干状态及气干状态下的压碎值指标试验，得出再生骨料的压碎值指标高于天然骨料2.0～2.5倍，饱和面干状态比气干状态的压碎值指标高7.22%～18.20%。周文娟等[12]研究了再生骨料组成对无机混合料力学及抗冻性能的影响，得出再生骨料无机混合料的回弹模量为2 775～3 375MPa，冻后残留抗压强度比最高可达88.4%。Bray等[13]通过现场动三轴直剪试验研究了城市生活垃圾土的剪切性能，为城市建筑垃圾用作路基填筑提供参考。

建筑垃圾工程性质差异极大，具有很强的材料变异性，须在充分了解建筑垃圾工程性质的基础上，通过研究再生骨料液限、塑限、针片状颗粒含量、压碎值等基本物理性质指标，确定再生骨料作为路基填料的工程适用性。同时结合工程实例，在现场开展不同体积比下砖、混凝土和砂浆混合料压碎指标试验，研究建筑垃圾填筑路基施工配合比控制参数，进一步确定建筑垃圾的路用性能。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

建筑垃圾原材料再生骨料经颚式破碎机破碎而成。由于原材料取自拆迁场地，成分复杂，主要为碎砖、混凝土块、废弃砂浆、桩头、废金属、木料及少量杂质等。经人工初筛、粗磨、剔除钢筋和玻璃等杂质，得到再生细骨料和再生粗骨料2种不同粒径的试验材料[14-15]。选取具有代表性的试样，对再生骨料的物理性能指标进行测试，如表1所示。

表1 再生骨料基本物理性能指标

本试验采用的3种再生骨料外观略扁平，形状不规则，棱角较多，针片状颗粒含量较高，表面多孔，密度较小，属于质轻多孔结构。其中废弃烧结砖的抗压强度等级经测定为MU10～MU25，废弃混凝土块强度等级为C20～C30。

1.2 试验方案

1.2.1标准液限、塑限试验

测定颗粒粒径≤4.75mm再生细骨料的液限、塑限。在4.75mm筛网下取≥600g有代表性的土壤样品，分别放入3个盛土皿中，加入不同数量的纯水。土壤样品含水量控制在液限、略高于塑限或处于中间状态。用土刀搅拌均匀，盖上湿布，静置18h以上；对于100g的锥体，测液限时入土体深度为20±0.2mm，测塑限时入土体深度应<5mm。

1.2.2针片状颗粒含量试验

针片状颗粒含量试验能测定再生骨料中针片状颗粒含量，分析不同形状骨料的压碎性能，评估再生骨料的路用性能。分别选取3种再生骨料和天然碎石骨料各约1kg的试样，用4.75mm标准筛筛分，称取筛上部分试样质量m0。剔除接近立方体的骨料，用游标卡尺测定粗骨料最大长度方向与最小厚度方向尺寸之比≥3的颗粒即为针片状颗粒，称取针片状颗粒质量m1，针片颗粒状含量计算如下：

(1)

1.2.3压碎值试验

压碎值可作为再生骨料抵抗压碎能力的性能指标。将一定质量气干状态下粒径10～20mm再生骨料装入一定规格的圆筒中，在压力机上施加200kN荷载。卸料后称取试样质量m2，用2.50mm筛网筛去破碎后的细骨料，称取筛余试样质量m3，压碎值计算如下：

(2)

通过试验得出各种单一骨料的压碎值后，再收集粒径5～25mm的砖块、混凝土块和砂浆作为混合料，测定干燥条件下压碎值的变化。骨料强度用压碎值表示，压碎值越小，骨料强度越大。对天然骨料采用相同的试验方法进一步获得对比效果。

1.2.4针片状颗粒对再生骨料压碎值的影响

考虑到实际工程中主要用于面层和其他层粗骨料的最大粒径要求，选用10～15mm，15～20mm 2种粒径级配的再生骨料混合料进行试验。通过选择和添加针片状颗粒，控制样品中针片状颗粒含量分别为0，25%，50%，75%，100%。测试压碎值在200kN加载下的变化，每组进行2次平行试验。

2 试验与结果分析

2.1 标准液限、塑限试验

根据试验得出颗粒粒径≤4.75mm的再生细骨料液限ωL为25.4%，塑限ωP为20%，塑性指数IP为5.4，试验结果如表2所示。

表2 液限、塑限试验结果

当土中胶粒含量过少或砂粒含量过大时测定的液限、塑限指标不能用来评价实际土样，此时胶粒含量只占砂粒空隙的一小部分，而砂粒含量过多，进行液限、塑限试验会出现图1所示表面泛水的“溢杯”液化现象，且圆锥落入土样后长时间不稳定，测得的液限偏大，造成实际结果偏离参考值。

图1 “溢杯”液化现象

由表2可知，塑性指数IP<10，表明颗粒粒径<4.75mm的建筑垃圾细骨料主要成分为砂粒和粉粒，属于砂类土，具有内摩擦角大、黏聚力较小、渗透性强等特点。在建筑垃圾再生骨料混合料中，粗、细骨料的功能相辅相成，粗骨料起骨架支撑作用，细骨料主要填充粗骨料间的缝隙，起到良好的稳定和连接作用。当粗、细骨料中粗骨料含量过多时，造成混合料中间形成大量空隙，细骨料则无法填满，此时该结构黏结力低、透气性强、混合物干密度小。当细骨料含量逐渐增加到一定程度时，混合料的干密度达到最大，此时混合料结构类型转为悬浮-密实结构，具有黏聚力高、内摩擦角小、渗透性弱、强度和承载能力高等特点。

因此，颗粒粒径<4.75mm的细骨料含量对混合料的结构类型起关键作用，也是影响混合料干密度甚至强度的重要因素之一。确定建筑垃圾作为路基骨料的合理粒径组成时，应先确定细骨料含量。

2.2 针片状颗粒含量

再生骨料与天然碎石骨料针片状颗粒含量、表观密度对比如图2，3所示。

由图2可知，天然骨料的针片状颗粒含量远低于再生骨料，3种再生骨料的针片状颗粒含量较接近且满足规范值要求，其中混凝土再生骨料的针片状颗粒含量最低。这是因为骨料的针片状颗粒含量主要取决于破碎和骨料加工方式，再生骨料均来自同一加工厂，采用相同的破碎方法，因此3种骨料的针片状颗粒含量相近。

由图3可知，砖、砂浆、混凝土再生骨料的表观密度远低于天然碎石骨料，这是由于再生骨料针片状颗粒含量略高，表面水泥杂质覆盖率高所致。因此，再生骨料粒径不均匀，其表观密度与天然碎石有较大差异。与混凝土再生骨料相比，砖、砂浆再生骨料的压碎值大，针片状颗粒含量高，其表观密度在再生骨料中也较小。

图3 骨料表观密度对比

2.3 压碎值

各单一骨料及混合料压碎值对比试验结果如表3所示。

表3 各单一骨料及混合料压碎值对比试验结果

由表3可知，砖、砂浆的压碎值远高于混凝土和天然骨料，主要因为建筑垃圾再生骨料的破碎与原材料强度密切相关，砖、砂浆再生骨料的原始强度低于混凝土和天然骨料，因此其压碎值较高；同时，建筑垃圾再生骨料混合料的压碎值与天然骨料相比没有明显降低，说明建筑垃圾混合料经再加工后可作为路基骨料用于工程建设。

混凝土再生骨料压碎值大于天然碎石的压碎值，这主要是因为混凝土骨料表面的水泥杂质附着力差且强度低。混凝土再生骨料与天然骨料相比表面裂缝较多，其次由于长期暴露在工作环境中，混凝土发生碳化，腐蚀性气体的侵蚀导致其自身强度下降，黏结在表面的水泥砂浆材料在施力时易脱落。为保证混凝土再生骨料的工程适用性符合规范要求，应严格控制混凝土再生骨料的生产水平，提高生产工艺。

2.4 针片状颗粒含量对再生骨料压碎值的影响

分别对粒径10～15mm再生骨料(经测定针片状颗粒含量为16.8%，200kN荷载作用下的压碎值为14.9%)，粒径15～20mm再生骨料(经测定针片状颗粒含量为14.6%，200kN荷载作用下的压碎值为13.7%)进行试验，结果如表4，5所示。再生粗骨料压碎值与针片状颗粒含量的关系如图4所示。

表4 10～15mm再生骨料压碎值试验结果

表5 15～20mm再生骨料压碎值试验结果

图4 再生粗骨料压碎值与针片状颗粒含量的关系

荷载施加较小时上部骨料比下部骨料破碎严重，上部骨料破碎导致应力重分布，下部骨料因上部骨料尺寸变小，应力增大而被压碎，随着荷载的增加上、下位置骨料破碎程度趋于一致。

由表4，5可知，对于粒径10～15mm再生骨料，当针片状颗粒含量由16.8%变为 0(即将骨料中的针片状颗粒剔除)时，对应的压碎值由14.9%变为13.7%，减少了1.2%；对于粒径15～20mm再生骨料，当针片状颗粒含量由 14.6%变为0时，对应的压碎值由 13.7%变为12.8%，减少了0.9%；可见，压碎值受骨料针片状颗粒含量影响较大，消除针片状颗粒的压碎值小于不消除针片状颗粒的压碎值，主要原因是当再生骨料中含针片状颗粒时，易在混合料中形成简支梁状，而针片状颗粒本身相对较弱，在压力作用下易断裂从而使压碎值变大。

由图4可知，10～15mm，15～20mm单一粒径再生骨料的压碎值均随针片状颗粒含量的增加而增大，针片状颗粒含量相同时，粒径15～20mm骨料压碎值小于粒径10～15mm骨料。因针片状颗粒含量属于试样中的薄弱成分，当针片状颗粒含量增加时，再生骨料可导致建筑垃圾混合料孔隙率逐渐增大，针片状颗粒随荷载的施加被压碎，且一部分针片状颗粒类似尖劈使其他颗粒在较小作用下破坏，故压碎值随针片状颗粒含量的增加而逐渐变大。

3 工程实例

3.1 工程背景

本试验依托于西安外环高速南段LJ-7标段，该标段在路基处理与填筑中大量采用建筑垃圾再生骨料，主要来源为西安市城中村改造中产生的建筑垃圾。

3.2 现场碾压

路面采用重型振动压实机碾压，若建筑垃圾骨料中强度较低的骨料比例过高，在碾压过程中相当部分的骨料会被压碎、压裂，造成路基中针片状颗粒含量过大，最终导致路基整体强度降低发生破坏。

为进一步了解不同骨料配合比对再生混合料压碎值的影响，在现场通过人工分拣将砖、砂浆和混凝土块3种再生骨料按一定比例混合后进行现场碾压试验，测试不同配合比下再生混合料的压碎值，结果如表 6 所示。不同混凝土块含量的再生骨料压碎值如图5所示。

表6 不同体积比建筑垃圾再生骨料压碎值试验结果

图5 不同混凝土块含量的再生骨料压碎值

由图5可知，建筑垃圾再生混合料的压碎值随着混凝土块含量的增加呈下降趋势，且当混凝土块掺量≥40% 时，再生混合料压碎值下降速率陡增，强度改善明显。说明混凝土块的含量对于建筑垃圾再生混合料整体强度的提高具有明显的贡献。

3.3 工后质量检测

路基碾压后通过贝克曼梁法弯沉试验检测路基压实效果，评价路基的整体强度和稳定性。路基弯沉值检测结果如表7所示。

表7 路基弯沉值检测结果

由表7可知，该标段路基弯沉值满足路基底基层弯沉值≤2.3mm设计要求。故当建筑垃圾混合料中各骨料成分配合比合理，尤其是混凝土掺量≥40%时，强度满足路基结构层对下层路基的整体要求，施工填筑效果也较好。

4 结语

1)建筑垃圾中细骨料特性属于砂类土，小于4.75mm粒径颗粒主要成分为沙粒和粉粒。同时粒径小于4.75mm的细骨料是混合料中一种重要的骨料类型，它能够加强材料成型后的强度和密度，是混合料的重要组成部分。

2)对3种骨料表观密度差异对比，砖、砂浆骨料表观密度与规范要求值相近，混凝土与天然碎石骨料表观密度均大于2 500kg/m3的标准要求值。这是由于砖、砂浆骨料性能较差，同时与骨料含水率和表面杂质含量高有关。

3)试验中得到砖块再生骨料的压碎值为41.7%，砂浆再生骨料的压碎值为39.1%，混凝土再生骨料的压碎值为24.5%，天然碎石骨料的压碎值为10.7%。根据道路规范要求骨料的压碎值在40%以下才能使用，其中废砖再生骨料的压碎值超过了规范要求值，砂浆再生骨料的压碎值与规范值接近，表明其强度较低、抗压性能较弱，不能在工程中单独使用。

4)针片状颗粒对骨料压碎值影响较大，剔除针片状颗粒的混合料压碎值下降约1.1%，且当骨料针片状颗粒含量与施加的荷载相同时，骨料压碎值随着粒径的增大而减小。