建筑垃圾再生粗骨料大型直剪试验研究

李 强，徐怡红，童颜泱，杲加俊，徐 辉

(1.浙江理工大学科技与艺术学院，浙江 绍兴 312369；2.浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310018)

近年来，我国建筑垃圾产量巨大。据统计，截至2020年9月已经达到了20亿t，其中，旧建筑物拆除产生的建筑垃圾占58%～60%，新建筑施工产生的建筑垃圾占32%～36%，建筑装修产生的建筑垃圾占6%～8%[1]。目前，我国的建筑垃圾资源化利用率不足10%[2]，大量建筑垃圾处置不当带来的安全隐患及环境问题日益凸显[3]。

建筑垃圾组分复杂，其中的废弃混凝土、碎砖等循环再生后可作为工程建筑材料使用[4- 5]。臧朋[6]对废弃混凝土碎块进行破碎、筛选，以其代替天然骨料制备再生混凝土桩，发现当再生骨料取代率为75%时，再生混凝土的强度最大；杨锐等[7]将建筑垃圾处理后作为桩基填料，通过有限元分析，发现建筑垃圾再生骨料桩的承载力可达到500～1100kN；鞠兴华等[8]用建筑垃圾再生粗骨料代替碎石，细骨料代替中粗砂制备成的再生骨料混凝土桩加固软土地基，结果表明单桩极限承载力为487.7kPa，较天然软土地基承载力提高了3.8倍；李海滨等[9]将废弃混凝土再生骨料与水泥、粉煤灰等胶凝材料按一定比例混合制成水泥粉煤灰再生骨料桩进行地基处理，结果表明处理后的地基承载力显著提高，工后沉降降低；Zhao[10]等研究了建筑垃圾夯扩桩在沿海软土地基加固中的应用，发现基础的最小侧向位移在2m左右，表现出良好的稳定性；Ridzuan[11]对再生混凝土进行了抗压试验，研究发现相同配合比的再生混凝土试件抗压强度较普通混凝土有所提高，提高幅度最大接近20%；Hansen[12]、Saiem[13]同样也发现再生混凝土的抗压强度要高于普通混凝土。综上可知，现有研究多集中于再生粗骨料混凝土的强度性能上，对于再生粗骨料力学性质的研究较少。当再生粗骨料作为主体材料时，其力学强度参数的选取将直接影响结构体的整体稳定性。

有鉴于此，本文通过大型直剪试验对再生混凝土粗骨料和再生砖混粗骨料的抗剪强度特性进行了研究，并与天然粗骨料进行对比，以期为再生粗骨料在再生混凝土、再生桩等设计中提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

试验原材料取自于浙江省杭州市某拆迁工程产生的建筑垃圾，经破碎、筛分等处理后得到粒径范围为0～37.5mm的再生骨料，如图1(a)及图1(b)所示。将再生骨料运至实验室，置于干燥箱中烘干，冷却至室温后，对再生骨料再次进行筛分，最后获得粒径范围为4.75～37.5mm的粗骨料。天然粗骨料采用试验室采购的碎石骨料，粒径范围为4.75～37.5mm，如图1(c)所示。

图1 骨料取样图

1.2 试验仪器

基本物理特性试验采用的主要仪器设备包括干燥箱、振筛机、比重瓶、压碎指标测定仪等。抗剪强度测试设备采用STYE- 2000F型全自动大型直剪仪，其中剪切盒由上盒和下盒组成，盒高度均为200mm，试样仓直径620mm；水平及竖向伺服加载系统加载范围为0～600kPa，控制精度1.0kPa；水平剪切速率为6.2mm/min，内置LVDT位移监测传感装置，运行位移最大值为100mm。

1.3 试验方案

为研究再生粗骨料的抗剪强度性能，设计了3组共计12个大型直剪试验，并以天然粗骨料作为对照组，见表1。法向应力设置为4个等级，100、200、300、400kPa，剪切速率控制为6.2mm/min。

表1 试验方案表

1.4 试验方法

参照GB/T 14685—2011《建设用碎石、卵石》[14]对粗骨料进行颗粒级配、表观密度、吸水率及压碎指标测试；参照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[15]对粗骨料进行抗剪强度试验。其中抗剪强度的具体测试方法如下：首先，将一定量的骨料倒入剪切盒内，采用分层压实的方法，直到填满剪切盒；随后，通过起吊装置放置荷载板，调整LVDT并记录初始读数；然后开始剪切，直到试样破坏为止。试验期间，通过数据采集器记录试验数据。

2 试验结果分析

2.1 骨料基本物理特性

3种粗骨料的颗粒级配曲线如图2所示，横坐标为筛孔孔径，纵坐标为对应孔径下再生骨料的累计筛余百分比，虚线为GB/T 14685—2011中规定的卵石和碎石的上下限。从图2中可以看到，天然粗骨料、再生混凝土粗骨料和再生砖混粗骨料的级配良好，在规范规定的上下限范围内。

图2 粗骨料粒径级配曲线

3种粗骨料基本物理指标见表2。与GB/T 14685—2011中卵石、碎石的表观密度应不小于2600kg/m3的一般要求相比，再生混凝土粗骨料以及再生砖混粗骨料的表观密度偏小。天然粗骨料、再生混凝土粗骨料以及再生砖混粗骨料的平均吸水率分别为1.32%、6.13%、9.72%，压碎值分别为4.72%、11.19%、19.92%。

表2 粗骨料基本物理指标

2.2 剪应力-剪切应变曲线

图3为不同竖向压力下3种粗骨料的应力-应变曲线。从图中可以看出，3种粗骨料的应力-应变曲线呈现出相似的规律，当上覆应力为100、200kPa时，剪应力随着剪切应变的增大快速上升后趋于平缓，峰值不明显；当上覆应力增加至300、400kPa时，剪应力随着剪切应变的增大快速上升，达到峰值后逐渐下降，表现为应变软化特征。此外，3种骨料的应力-应变曲线均出现了不同程度的波动。在相同竖向应力下，峰值剪应力大小顺序为：天然粗骨料>再生混凝土粗骨料>再生砖混粗骨料。

图3 不同粗骨料应力应变曲线

2.3 抗剪强度包络线

根据图3，得到3种类型粗骨料的抗剪强度与竖向应力的关系，如图4所示。随着上覆应力的增大，3种粗骨料的抗剪强度均呈明显的线性增长趋势。利用库伦抗剪强度理论对试验数据进行拟合，得到相应的抗剪强度参数，见表3。天然粗骨料、再生混凝土粗骨料、再生砖混粗骨料的黏聚力分别为9.3、14.6、21.55kPa，内摩擦角分别为49.3°、45.2°、41.8°。

表3 抗剪强度包络线拟合公式

图4 不同粗骨料抗剪强度包络线

3 再生粗骨料剪切过程作用机理分析

图5为再生粗骨料剪切过程机理图，从图5中可以看到：

图5 再生粗骨料剪切过程示意图

(1)由于粗骨料颗粒多呈棱角状，颗粒间的摩擦并不是简单沿表面的滑动摩擦，在受到剪切作用时骨料出现破碎，部分破碎的骨料粒径较小，经滑移、翻滚、重排等一系列过程填充了大粒径骨料之间的空隙，这就使得骨料之间的摩擦咬合增强[16- 17]，因此在剪切过程中应力-应变曲线会出现小幅波动。

(2)再生粗骨料表面多附着砂浆，在剪切作用下，表面砂浆的脱落也会填充于骨料之间的缝隙，从而增加骨料之间的咬合摩擦[18- 19]，这也会导致应力-应变曲线在剪切过程发生波动现象。

(3)剪切过程中，再生混凝土粗骨料的破坏以表面砂浆的脱落破碎为主，再生砖混粗骨料的破坏除了表面砂浆的脱落破碎之外，还有砖骨料的破碎，因此，再生砖混粗骨料在受到剪切作用时会产生较多的细粒料，再生混凝土粗骨料次之，天然骨料粗最少。细粒料越多黏聚力就越大，而且碎砖细粒的黏聚力大于砂浆颗粒的黏聚力[16]，因此3种粗骨料的黏聚力大小顺序为：再生砖混粗骨料>再生混凝土粗骨料>天然粗骨料。

(4)由于粗骨料形态不规则，所以颗粒之间主要以嵌锁咬合接触为主，以此来平衡外部施加的作用力[20]。粗骨料的压碎值越高，其抵抗外力的能力就越弱，骨料间的嵌锁咬合作用就越低，从而内摩擦角就越小。因此3种粗骨料的内摩擦角大小顺序为：再生砖混粗骨料<再生混凝土粗骨料<天然粗骨料。

4 结论

(1)天然粗骨料、再生混凝土粗骨料、再生砖混粗骨料表观密度分别为2738、2550、2460kg/m3，吸水率分别为1.32%、6.13%、9.72%，压碎值分别为4.72%、11.19%、19.92%。

(2)在相同竖向应力下，天然粗骨料的峰值剪应力最大，再生混凝土粗骨料次之，再生砖混粗骨料最小。天然粗骨料、再生混凝土粗骨料、再生砖混粗骨料的黏聚力分别为9.3、14.6、21.55kPa，内摩擦角分别为49.3°、45.2°、41.8°。

(3)本文采用的再生粗骨料来自房屋拆除垃圾，研究成果能够为应用类似骨料的再生混凝土、再生桩等工程的设计提供参考。在后续研究中，作者将深入分析其它来源的再生粗骨料以及再生细骨料的抗剪强度特性。