砖混固废再生集料在城镇道路路基及基层中的应用

2022-09-15姚宏波袁静孙宏量朱国逾方启祥宣波湾

新型建筑材料 2022年8期

姚宏波，袁静，孙宏量，朱国逾，方启祥，宣波湾

（1.浙江省建筑设计研究院，浙江杭州 310012；2.杭州临平城市建设集团有限公司，浙江杭州 311100；3.浙江工业大学，浙江杭州 310014；4.西城工程设计集团有限公司，浙江杭州 310023）

0 引言

城镇道路的修筑需要消耗大量性能适用的集料、水泥等建筑材料，但随着环境保护力度的不断加大，各地政府采取措施严格限制了采石场的范围和数量，这使得工程的建筑材料的紧缺及成本上升。另一方面，随着我国城市的有机更新，砖混老旧建筑拆除产生巨量的建筑固废[1-2]，这些建筑固废的成分主要包括碎石块、混凝土块、碎砖块、废砂浆以及少量的玻璃、木头、塑料等杂质[3]。国内外相关研究表明[4-5]，再生砖混原料不同于混凝土材料，集料粒径和强度均较低，造成砖混固废大量废弃，因此亟需找到大体量砖混固废快速消纳和资源化利用的途径。

城镇道路工程中路基、基层的结构强度要求较低，砖混固废经一定处理后即可应用。此外城镇道路中集料应用量巨大，因此建筑固废应用于城镇道路中潜力巨大。目前，国内外专家学者对再生砖混集料基本性能及砖混固废再生集料用于路基中的使用性能研究比较深入。有研究表明[6-8]，砖含量对再生集料的性能有较大影响，随着砖含量的增加，再生集料的表观密度、压碎指标降低，吸水率上升，最佳含水率增大，最大干密度减小，CBR值下降。张军辉等[9]调研了国内外砖混固废应用于路基工程中的工程实例，实测数据表明，利用砖混固废的路基回弹模量、弯沉、车辙和表面平整度等路用性能基本能满足技术要求。但目前关于砖混固废再生集料应用于基层中的研究仍较少。同时由于原料成分不稳定、再生砖集料性能较低、缺乏配套应用标准等问题制约了砖混固废再生集料在城镇道路中的大量应用。

本文综合分析了制约砖混固废应用于城镇道路的相关问题，并提出解决的思路。通过室内试验研究不同砖混比例再生集料的物理力学性能及不同级配组合砖混固废再生水稳基层材料的力学性能，并通过工程应用实测数据验证其路用性能满足设计及规范要求，为类似砖混固废再生集料在城镇道路中的应用推广提供参考。

1 砖混固废应用于城镇道路中的问题及解决思路

1.1 原料成分不稳定问题

砖混固废存在原材料成分不稳定问题，不同来源的建筑废弃物原材料组成差异巨大，难以形成统一的产品标准，学者们对砖混固废的研究也常仅限于某类特定砖混比例集料的性能研究，如吴超凡等[10]、余红明等[11]对某类特定比例再生砖混集料应用于基层时水泥掺量、级配类型及压实方法等对水稳层力学性能的影响进行了研究，但不能充分反映不同集料成分对其性能影响，制约建筑废弃物的大规模应用。

因此工程应用时应进行预分拣，将建筑固废进行预处理，去除一些不宜利用的杂物，剩下以废混凝土块、废砖块为主的预处理料，将废混凝土块及废砖块进行分拣后再分别对其进行破碎、筛分得到成分较为均一的再生混凝土集料及再生砖集料，可有效解决砖混固废原料成分不稳定的问题，为大规模工程应用提供基础。

1.2 再生砖集料性能较低导致大量滞销问题

随着建筑废弃物资源化利用的不断推广，再生混凝土集料由于其较好的物理力学性能，可替代碎石，在工程中得到广泛应用。但再生砖集料不同于混凝土材料，其集料粒径和强度均较低。再生砖混原料大多用于路基填料等低层次产品，可消耗的再生原料数量有限，且降低了其利用价值。目前再生砖混集料在较高等级的水稳基层中应用仍处于研究探索阶段，砖含量对其性能影响仍需进一步研究分析，相关单位对其产品质量仍存疑虑，间接导致大量砖集料的滞销。

因此，本文通过室内试验研究了不同比例及级配组合砖混固废的物理力学性能。同时提出工程应用时应采用差别化利用的解决思路，根据道路不同结构层的性能要求，选用不同砖混比例的再生集料。如路基层对填料的性能要求较低，可适当提高再生砖集料比例；水稳基层对材料的性能要求较高，可掺入少量再生砖集料；路面层对材料力学性能及稳定性要求较为严苛，再生砖集料应慎用。根据不同结构层的要求，通过限定不同砖含量的比例，可在保证质量、安全等基本要求的前提下，最大限度利用建筑固废，消除相关部门的担忧。

1.3 工程案例较少及应用标准缺乏问题

目前，针对砖混固废在城镇道路中应用的技术规程相对滞后，仅出台了道路用再生集料产品标准JC/T 2281—2014《道路用建筑垃圾再生集料无机混合料》，尚未形成砖混固废再生集料城镇道路应用的技术标准，且该产品标准对再生原料各个组分的含量规定较为严格，对应的再生产品面窄，缺乏对中低端再生产品指标、性能的规定，限制了砖混固废再生集料的应用。目前砖混固废再生集料现场应用案例较少，制约了应用技术标准的形成。

因此，本文通过工程应用实测分析，验证砖混固废再生集料路用性能满足设计及规范要求，为砖混固废再生集料在城镇道路应用的标准编制提供支撑。

2 砖混固废再生集料在城镇道路中的试验研究

针对上述提出问题及解决思路，本文采用预分拣和差别化利用的技术，将分拣得到的废混凝土块及废砖块分别进行破碎、筛分得到以混凝土为主的再生混凝土集料及以砖为主的再生砖集料。针对道路各层特性，提出在路基选用100%再生砖集料及50%再生混凝土+50%再生砖集料2组砖混比例的集料；在水泥稳定碎石基层中分别掺入15%再生砖粗集料和15%再生砖细集料的应用方案。针对该应用方案首先开展一系列室内试验研究。

2.1 砖混固废再生集料在路基中的试验研究

对100%再生砖集料及50%再生混凝土集料+50%再生砖集料混合而成的集料进行颗粒级配、CBR试验及击实试验。

2.1.1 颗粒级配

将再生集料进行初筛使其最大粒径均能满足路基填筑要求后，按不同比例进行配比，再对集料进行颗粒级配分析。路基填料的颗粒级配如图1所示。

由图1可见，50%再生混凝土集料+50%再生砖集料中31.5 mm以上颗粒占比29.0%，4.75～31.5 mm颗粒占比53.2%，4.75 mm以下颗粒占比17.8%。100%再生砖集料中31.5 mm以上颗粒占比5.4%，4.75～31.5 mm颗粒占比84.2%，4.75 mm以下颗粒占比10.4%。由于砖块较混凝土块更易破碎，破碎后50%再生混凝土集料+50%再生砖集料中31.5 mm以上颗粒占比较少，颗粒粒径集中于4.75～31.5 mm。

路基填料的筛分试验结果如表1所示。

表1 路基填料的筛分试验结果

由表1可见，50%再生混凝土集料+50%再生砖集料与100%再生砖集料的不均匀系数Cu≥5、曲率系数Cc为1～3，表明2组集料均具有良好的级配，完全满足路基填筑要求。

2.1.2CBR试验

根据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》进行CBR试验，结果表明，50%再生混凝土集料+50%再生砖集料及100%再生砖集料的CBR值分别为130.2%、113.1%，远大于CJJ 1—2008《城镇道路工程施工与质量验收规范》中路基填料CBR最小值8%的要求。

2.1.3 击实试验

根据JTG 3430—2020进行击实试验，2组集料分别配制5组不同含水率试样进行最佳含水率试验，结果如表2所示。

表2 路基填料的最佳含水率

由表2可见，50%再生混凝土集料+50%再生砖集料的最佳含水率为9.1%，最大干密度为1.91 g/cm3；100%再生砖集料的最佳含水率为12.3%，最大干密度为1.73 g/cm3。这是由于再生砖集料密度较小、吸水率高，当砖含量较多时再生砖混集料的最佳含水率较大而最大干密度较小。

2.2 砖混固废再生集料在基层中的试验研究

为使砖混固废能更高效可靠地应用于道路基层中，将废弃物初筛为混凝土块和砖块，再进一步将混凝土块破碎后，筛分得到再生混凝土粗集料及再生混凝土细集料，再生混凝土粗集料以混凝土石及附着少量砂浆的混凝土石为主，再生混凝土细集料以废弃砂浆为主；将砖块破碎后进一步筛分得到再生砖粗集料及再生砖细集料。

首先分别对再生集料进行颗粒级配分析以及压碎值试验，再对分别在粗集料中和细集料中掺入15%再生砖集料（按占集料总质量计）的再生水泥稳定混合料进行7 d无侧限抗压强度及抗压回弹模量测试。

2.2.1 再生集料的基本物理力学性能

颗粒级配：分别对筛分得到的再生混凝土粗集料、再生混凝土细集料、再生砖粗集料及再生砖细集料进行颗粒级配分析，结果如表3、表4所示。

表3 再生粗集料的颗粒级配

表4 再生细集料的颗粒级配

由表3、表4可知，本试验中的再生混凝土集料和再生砖集料均为连续级配集料，有助于节约水泥，提高和易性。

压碎值试验：根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行粗集料压碎值试验，分别配制3组不同砖混比例的试样进行测试，结果如图2所示。

由图2可见，随着再生砖粗集料含量的增加，粗集料的压碎值逐渐增大，100%再生混凝土粗集料及85%再生混凝土粗集料+15%再生砖粗集料的压碎值分别为18.4%和23.3%，符合JTG F20—2015《公路路面基层施工技术细则》中高速公路和一级公路在重、中、轻交通荷载下基层压碎值≤26%的要求；75%再生混凝土粗集料+25%再生砖粗集料的压碎值为28.1%，符合JTG F20—2015中二级公路基层压碎值≤30%的要求。

2.2.2 再生水泥稳定混合料的力学性能

JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》要求，高速公路、一级公路的基层或上基层建议选用骨架密实型结构类型。因此，试验用级配以JTG D50—2017中规定的骨架密实型混合料级配为目标级配。根据级配要求，设置2组集料类型，基层混合集料质量占比如表5所示。

表5 基层混合集料的质量占比

组合1中再生砖集料应用于粗集料中，再生砖粗集料占集料总质量15%，即占粗集料质量21.4%，再生混凝土粗集料占集料总质量55%，再生混凝土细集料占集料总质量30%；组合2中再生砖集料应用于细集料中，再生砖细集料占集料总质量15%，即占细集料质量50%，再生混凝土粗集料占集料总质量70%，再生混凝土细集料占集料总质量15%。2组混合集料合成级配如表6所示，其级配类型均符合JTG D50—2017中对骨架密实型的要求。

表6 混合集料的合成级配

按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0843—2009方法采用静压方式成型φ100 mm×100 mm圆柱形试件用于7 d无侧限抗压强度，按T0808—1994方法测试90 d抗压回弹模量，水泥掺量均为5%，混合集料的力学性能如表7所示。

表7 混合集料的力学性能

由表7可见：

（1）组合1、组合2混合集料的7 d无侧限抗压强度分别为5.12、5.61 MPa，均符合CJJ 169—2012《城镇道路路面设计规范》中在特重交通荷载下基层强度为3.5~4.5 MPa的要求。组合2的7 d无侧限抗压强度较组合1提高了9.6%，表明当再生砖集料质量占比均为15%时，再生砖集料应用于细集料中比再生砖集料应用于粗集料中水稳混合料的强度更高，主要因为再生砖集料的强度低于再生混凝土集料，当砖集料应用于细集料中时，骨架密实型混合料强度主要由粗集料提供，细集料主要起到填充密实作用。因此当高等级道路对基层要求较高时，应尽可能使砖集料应用于细集料中。

（2）组合1、组合2混合集料的90 d抗压回弹模量分别为1237、1363 MPa。组合2的抗压回弹模量较组合1提高了10.2%，这主要由于再生砖集料的回弹模量小于再生混凝土集料，当再生砖集料应用于细集料时，骨架密实型混合料回弹模量主要取决于再生混凝土粗集料特性，故当再生砖集料占比相同时，再生砖集料应用于细集料中时再生水稳混合料的抗压回弹模量较大。

3 建筑废弃物在城镇道路的工程应用

本文以藕花洲大街东延工程为背景，对提出的砖混固废再生集料在路基与基层的应用方案分别设置路基和基层试验段，并对其路用性能进行检测，验证其路用性能满足设计及规范要求，为类似工程砖混固废再生集料利用提供借鉴。

3.1 工程概况

藕花洲大街东延工程位于浙江省杭州市临平副城城东区块，西起新颜路，东至临东路，道路全长520 m，宽度为25 m，设计车速40 km/h。道路等级为城市次干路，道路结构自上而下为4 cm上面层+8 cm下面层+40 cm水泥稳定碎石基层+80 cm路基层，具体道路结构如图3所示。本项目道路各结构层顶面设计弯沉值LR如表8所示。

表8 道路各层结构顶面设计弯沉要求

3.2 路基中应用实测结果

本项目在藕花州大街基层选取2段各30 m长路段进行试验，路段1采用100%再生砖集料，路段2采用50%再生混凝土集料+50%再生砖集料。根据CJJ 194—2013《城市道路路基设计规范》要求进行路基分层填筑及压实施工。施工完成后进行路基压实度及路床顶面回弹模量测试。采用灌砂法对路基压实度进行测试，根据JTG E60—2008《公路路基路面现场测试规程》对2个试验段路床顶面进行弯沉测试，结果如表9所示。

表9 路基压实度及试验段路床顶弯沉值与回弹模量

由表9可见，100%再生砖集料及50%再生混凝土集料+50%再生砖集料的混合集料填筑路基段的压实度均满足CJJ 194—2013中次干路路基压实度大于94%的设计要求，回弹模量满足路床顶面不小于50 MPa的设计要求。

3.3 基层中应用数值模拟分析

砖混固废再生集料在工程中应用前，为分析其路用性能，在室内试验的基础上，利用Midas GTX有限元软件建立三维道路结构模型，模拟再生砖混集料水稳基层在车辆荷载作用下，上述2组集料水稳基层路面的竖向位移、面层底部拉应力、基层底部拉应力。三维有限元模型长度为8 m、宽度为5 m、厚度为3.32 m，有限元模型见图4。结构层分布与本文提出的应用方案设计一致，各结构层材料均假设为弹性，组合1和组合2砖混集料再生基层的抗压回弹模量参照表7，其余参数采用文献[11]中的经验值，具体参数见表10。荷载采用BZZ-100 kN标准双轮组，接地压力为0.7 MPa，车轮荷载作用面等效为双矩形加载面，假定为均匀分布。

表10 道路结构层参数

图5为2组材料作为基层在标准荷载作用下的路面竖向位移云图见图5，拉应力云图见图6。

由图5可见，相同车辆荷载作用下，组合1的路面竖向位移大于组合2；两者路面竖向位移最大位移分别为0.113、0.110 mm。由图6可见，组合1作为基层的道路面层底部最大拉应力为193.7 kPa，基层底部最大拉应力为11.6 kPa；组合2作为基层的道路面层底部最大拉应力为179.3 kPa，基层底部最大拉应力为12.8 kPa。

通过有限元数值分析表明，组合1及组合2再生集料应用于水稳基层中时，道路路面竖向位移均能满足藕花洲大街东延工程上层面顶弯沉值<3 mm的要求，可在工程中应用。

3.4 基层中应用实测结果

本项目在藕花州大街选取2段各30 m长路段进行基层填筑，路段1基层再生砖粗集料占集料总质量的15%，再生混凝土粗集料占集料总质量的55%，再生混凝土细集料占集料总质量的30%；路段2再生砖细集料占集料总质量的15%，再生混凝土细集料占集料总质量的15%，再生混凝土粗集料占集料总质量的70%。再生水泥稳定基层材料采用搅拌站拌合，经摊铺机摊铺均匀后，压实机3次振动压实，基层铺设完成后洒水养护15 d。施工完成后进行基层压实度及基层顶面回弹模量测试。采用灌砂法进行基层压实度测试，采用贝克曼梁法进行基层顶面回弹弯沉值测试，结果如表11所示。

表11 现场基层压实度及试验段基层顶弯沉值与回弹模量

由表11可见，2组试验段基层压实度均符合CJJ 1—2008要求，路段1基层压实度较路段2大。已有研究表明[10]，再生砖粗集料强度较低，在振动压实过程中易被压碎，从而使路段1的基层压实度较路段2的大。2组试验段平均弯沉值均满足表8的要求。路段2实测抗压回弹模量较路段1提高了21.4%。表明当再生砖集料比例相同情况下，再生砖集料应用于细集料中时其路用性能更优。