范勁松, 柳炳康, 扈惠敏
(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)
隨著當前我國各地舊城區(qū)改造步伐不斷加快,城市道路翻新擴建過程中產(chǎn)生了大量的建筑渣土。這種道路建筑渣土是一種典型的路基雜填土,屬于淺層地表覆蓋土,一般混雜有數(shù)量不等的建筑廢棄物和生活垃圾,如混凝土與砂漿碎塊、碎磚塊、碎石塊、木屑及塑料等建筑材料[1]。其化學成分主要是硅酸鹽、氧化物、氫化物、碳酸鹽、硫化物、硫酸鹽及少量的金屬和有機物等[2]。構成土粒與石塊主體結構的硅酸與碳酸化合物性質通常較為穩(wěn)定,即使在潮濕、高壓環(huán)境下,其中的無機化學反應也不明顯,工程性質也較為優(yōu)良。但因處置或堆積地點不利而可能引起的滲流物對環(huán)境的污染,諸如重金屬污染或有機物發(fā)酵等卻不應被忽視。
同時,此類雜填土亦具有組成不均勻、強度低、壓縮性大、欠密實且具有濕陷性等特點[3-4],工程指標難以控制,因而實際工程通常對其進行外運丟棄并置換新土。這一處置過程不僅提高了建設成本,還衍生出一系列的環(huán)境問題。其實這類建筑渣土亦具有較好的物理及化學穩(wěn)定性[5],如遇水不凍漲、不收縮、土體顆粒大、比表面積小、含薄膜水少、透水性好,能夠阻斷毛細水上升等。在潮濕狀態(tài)和潮濕環(huán)境下,建筑渣土強度變化不大,可作基礎墊層。國內(nèi)外相關研究表明[6],此類建筑渣土經(jīng)分揀處理并加入適當改性材料如石灰、粉煤灰改良后,可達到相關規(guī)范中的路用性能指標,從而成為理想的路基填筑材料。
若要經(jīng)濟、合理、高效地再利用此類建筑渣土,就需要選取合適的分類指標對不同地區(qū)道路建筑渣土進行適當分類以便評價其路用價值,同時確定可加入的改性材料、施工器械及工序。鑒于土體自身的不均勻性,長期以來相關領域一直缺少全面、系統(tǒng)和便于實際操作的分類體系。本文針對建筑渣土自身材料特性,通過對本地區(qū)具有典型代表性的路基開挖中產(chǎn)生的雜填土進行多項性能試驗,結合現(xiàn)行的公路土工試驗規(guī)程[7]建立了一套較為實用的三級分類體系。
此類建筑渣土分類指標的選取需要充分考慮到土體自身的特性以及實際工程取用土的特點。分類指標應當緊密聯(lián)系道路建設規(guī)范,選取較為直觀便捷且具有廣泛適用性的的測試項目,適應不同地域及現(xiàn)場條件,同時由分類指標得出的測試結果應當精確有效且可以直接指導工程應用。另外,分類體系的確定也應具有層遞性,各級分類體系要有明確的目的與指導意義。
通過現(xiàn)場走訪調查和實際觀察,可按產(chǎn)生位置與來源對其進行分類,如混凝土板,瀝青混合料,路面磚、路緣石及砂漿塊,沙石,土,生活垃圾等。具體可分為:以建筑垃圾為主的雜填土(代號J);以生活垃圾為主的雜填土(代號S);以工業(yè)垃圾為主的雜填土(代號G);前三者的混合(代號H)。一級分類體系可以大致區(qū)分某類雜填土的組成,進而粗略評估其再利用價值。
在一級體系的基礎上,按照塊狀物(石塊、混凝土塊、砂漿塊等)與土的比例將其劃分為2類:以塊狀物為主的雜填土(w塊狀物≥50%)(代號SK);以土為主的雜填土(w塊狀物<50%)(代號TT)。塊狀物的分揀處理是此類雜填土循環(huán)再利用的關鍵步驟,了解塊狀物所占比例將有助于確定破碎器械種類,進而分析再利用的成本。
三級分類體系包含一系列具體的土體材料性能指標,按照土的物理力學性質分類,即依據(jù)天然含水率、粒徑、液塑限、塑性指數(shù)、最佳含水量、CBR值等指標,結合路用性能對其進行工程分類。
具體的測試結果將可以直觀揭示各類雜填土的路用性能,以幫助工程人員進一步判定其是否達到道路建設所用路基填土的相關規(guī)范要求,確定再次使用的具體位置以及在未能達到應用要求時需采用何種改性措施對其進行處理、改良。
本文選取合肥地區(qū)幾處具有代表性的道路翻新過程中產(chǎn)生的渣土,通過實地走訪調查、取樣初處理和實驗室測試分析,依據(jù)所提出的三級分類指標,建立了一套較為具體、客觀的分類體系。該分類體系對不同地區(qū)同類型建筑渣土的回收再利用將具有一定指導意義。
在4處取土地點采取渣土土樣,均為城市道路改擴建過程產(chǎn)生的建筑垃圾與土體的混雜物,其外觀與組成描述見表1所列。
表1 土樣組成外觀描述
按照產(chǎn)生的來源與位置劃分,4種土樣均屬于混雜有建筑垃圾的城市道路雜填土,其分類代號為J,通常此種雜填土填料的物質成分不一,所含的雜質較多,堆積分布也不均勻。
二級體系分類采用篩分法獲取雜填土中土和塊狀垃圾的比例。篩分結果見表2所列。其中粒徑大于6cm的塊狀石塊或垃圾(依據(jù)文獻[7]將其列入巨粒組范圍),由于對土體性質影響有限,為方便試驗,將其棄除。
表2 雜填土成分
由表2中4組土樣分揀結果可以看出:B、D土樣中土的含量較多,均可達到95%,塊狀物的含量極少;A土樣土含量也較大,但所含塊狀雜物不可忽略,3種土樣均屬于TT類,其分類代號為J-TT;C土樣塊狀物比例超過50%,素土的含量較少,基本屬于SK類,其分類代號為J-SK。同時各組土樣中塊狀垃圾和土的比例分布較離散,說明雜填土堆積組分及分布具有顯著不均勻性。
對于劃歸SK類的土體,因塊狀垃圾所占比例較大,其工程性質更加難以把握。在實際工程中,對于磚塊、混凝土塊等密實度較大的物塊通常采取機械破碎的方式對其進行回收利用。
按照材料物理性質建立第3級分類體系,通過篩分后粒徑小于6cm剩余土體的實驗數(shù)據(jù)得出具體的第3級分類指標,用以指導其在路基填土工程中應用。本試驗采用的第3級指標有:天然含水率、自由膨脹率、土樣的液塑限、粒徑及CBR值等。4種土樣的部分實驗室測試結果見表3所列。
圖1為利用甲種密度計對去除粒徑大于6cm塊狀物后剩余土體測得的粒徑分配曲線。
表3 土樣分析測試結果
圖1 土樣粒徑分配曲線
(1)依據(jù)文獻[8]的相關規(guī)定,利用膨脹率建立第3級分類體系。4類土樣均屬于弱膨脹潛勢土(自由膨脹率<65%)[9],不需進行特殊處理。針對多雨地區(qū)或重載交通路段,應摻加水泥或石灰做改性處理,以改變土的脹縮性能,提高土體強度,增加路基穩(wěn)定性。
(2)依據(jù)文獻[7]中塑性圖的劃分標準,利用土樣的液塑限值建立第3級分類體系。A、B、C土樣屬于低液限范疇(自由膨脹率≤50%),可稱為低液限黏土,記為CL。D土樣屬于高液限范疇(自由膨脹率>50%),可稱為高液限黏土,記為CH。
(3)依據(jù)文獻[7]中相關標準,利用土樣粒徑分布建立第3級分類體系。4種土樣均可判別為細粒粉質土或黏質土。4種土樣在各粒徑范圍內(nèi)分配較為均勻,其中原狀土樣C中因為含有較大比例的塊狀垃圾,使得利用現(xiàn)行土工試驗標準對其進行精確分析歸類具有一定難度,本試驗僅考慮其中素土部分的工程性質。
(4)依據(jù)文獻[10]中對路基填料的控制指標,利用CBR值建立第3級分類體系。B、C土樣(CBR>8%)可滿足公路上路堤或路床填料控制指標,屬于高承載力土,可直接應用于實際工程;D土樣(CBR≥5%)基本滿足公路上路堤或路床填料控制指標,屬于中承載力,可直接應用于實際工程,或進行適當改性處理后投入實際工程;A土樣(CBR<5%)不能滿足控制指標,屬于低承載力土,必須采取適當改性措施[11]或冷再生技術[12]。
該三級分類體系自身是一個整體,每一級分類的目的與分類指標各不相同但又相互協(xié)調。應用各級分類指標不僅可以對現(xiàn)場土樣進行快速定性命名,還能夠提供較為精確的材料性質與路用性能檢測內(nèi)容,從而為現(xiàn)場踏勘、取樣分析、工程評估和后期施工各階段提供詳實、直觀、準確的分類判據(jù)。
當前各地舊路改擴建工程日漸增多,合理選取分類體系及其技術指標,對其中產(chǎn)生的建筑渣土的回收再利用將具有重大工程實踐價值和指導意義。本文確定的三級分類體系及其技術指標能夠緊密結合現(xiàn)場工程實際,根據(jù)相關工程規(guī)范要求確定具體檢測項目及判斷標準,具有較強的適用性和規(guī)范性。本文通過測試、分析對選取土樣進行三級分類,過程清晰,結論明確,證實該分類體系簡便易行。
[1]萬惠文,楊淑雁,潘智生.建筑廢棄物再生工藝及在路基中的應用研究[J].國外建材科技,2007,28(6):47-50.
[2]楊定國,吳瑞潛,王秋蘋.雜填土地基的評價與利用[J].紹興文理學院學報:自然科學版,2005,25(8):68-71.
[3]Frempong E M,Yanful E K.Interactions between three tropical soils and municipal solid waste landfill leachate[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2009,134(3):379-396.
[4]Chen Y M,Zhan T L T,Wei H Y,et al.Aging and compressibility of municipal solid wastes[J].Waste Management,2009,29(1):86-95.
[5]Stark T D,Huvaj-Sarihan N,Li Guocheng.Shear strength of municipal solid waste for stability analyses[J].Environmental Geology,2009,57(8):1911-1923.
[6]李 寧.建筑渣土作為路基填料的改性實驗研究[J].山西建筑,2005,31(5):105-106.
[7]JTGE 40-2007,公路土工試驗規(guī)程[S].
[8]GBJ 112-87,膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范[S].
[9]陳新苗.引江濟淮膨脹土工程特性研究[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2009,32(7):1072-1075.
[10]JTGF 10-2006,公路路基施工技術規(guī)范[S].
[11]陳淵召,劉曉南,閆婷婷.二灰混合料組成設計研究及強度形成機理分析[J].徐州工程學院學報,2007,22(4):60-65.
[12]張鐵志,宋力和,費永亮.就地冷再生技術在舊路改造中的應用[J].鞍山科技大學學報,2007,30(1):49-52.