趙維杰

（山西路橋第三工程有限公司，山西 忻州 034000）

0 引言

許多工業(yè)化國(guó)家都有大量粉煤灰、石粉、塑料、玻璃、橡膠、金屬屑以及各種建筑和拆除廢物等廢料資源。瓷磚和其他陶瓷產(chǎn)品在內(nèi)的陶瓷材料在建筑廢料和拆除廢料中占比最大。每年約有25萬(wàn)t瓷磚磨損，在住房領(lǐng)域會(huì)產(chǎn)生大量的廢瓷磚，廢瓷磚的堆放構(gòu)成環(huán)境污染。當(dāng)前廢瓷磚的處置方法是填埋，造成難降解等問(wèn)題，主要是缺乏標(biāo)準(zhǔn)及缺乏使用廢瓷磚的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。實(shí)際上，瓷磚是由高百分比黏土礦物的天然材料制成的，在700°C至1 000°C的溫度下燒制后，黏土礦物獲得了燒制黏土的特性。因此，廢瓷磚可以回收并在其他領(lǐng)域發(fā)揮積極作用[1-4]。

隨著對(duì)建筑路基設(shè)計(jì)和建筑材料的需求不斷增加，有必要從工業(yè)廢料以及生活垃圾和可回收材料中探索建筑替代材料。因?yàn)槁坊牧贤ǔＪ撬槭?，需耗人力進(jìn)行開(kāi)采，而且相對(duì)昂貴。盡管發(fā)現(xiàn)將再生瓷磚材料再利用來(lái)生產(chǎn)混凝土是廢棄瓷磚可持續(xù)管理的可行替代方法，但尚無(wú)廢棄瓷磚顆粒在道路路面路基設(shè)計(jì)中的研究[5-6]。本文旨在評(píng)估廢棄的瓷磚顆粒與土壤的性能，以用作路基材料。這項(xiàng)研究的結(jié)果可能有助于增加廢瓷磚的再利用量，減少?gòu)U瓷磚的傾銷率和不可再生資源的消耗，促進(jìn)可持續(xù)建筑，從而減少對(duì)環(huán)境的污染。

1 試驗(yàn)研究

1.1 材料

用于測(cè)試的材料是低塑性黏土（CL）型土壤、廢瓷磚和去離子水。土壤顆粒的比重為2.61，土壤的內(nèi)摩擦角（φ）和內(nèi)聚力（c）分別為22°和15 kPa。廢瓷磚通過(guò)人工選擇了介于19.0～0.075 mm之間等級(jí)的廢瓷磚顆粒，顆粒的比重為2.42。D10、D30、D50和D60的大小分別約為1.0、3.8、7.5和9.5。均勻度系數(shù)和曲率系數(shù)分別為2.5和1.52。圖1、圖2顯示了土壤顆粒的掃描電子顯微照片（SEM）以及試驗(yàn)研究中使用的廢瓷磚顆粒的照片。

圖1 土壤的SEM圖片

圖2 廢瓷磚顆粒的照片

1.2 測(cè)試儀器和樣品制備

研究中使用的儀器有軸承比（CBR）測(cè)試儀、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀（UCS）、壓實(shí)度和里程表。不同尺寸的廢瓷磚顆粒都遵循測(cè)試程序，以滿足每個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求。使用的CBR測(cè)試設(shè)備的測(cè)力環(huán)容量為28 kN，位移測(cè)量表精度為0.01 mm。在浸泡條件下，對(duì)土壤廢瓷磚顆粒的混合物進(jìn)行了CBR測(cè)試，并將結(jié)果與ASTM給出的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較，以了解這種混合物作為具有變化的廢瓷磚的路基材料的性能。用清潔土壤和具有廢瓷磚顆粒的土壤以干重的5%、10%、15%、20%和30%的比率混合以研究樣品的性能。在樣品的底部和頂部放置兩張濾紙，以防止在浸泡過(guò)程中細(xì)小材料從樣品中流失。將樣品在水浴中浸泡96 h以達(dá)到完全飽和，然后再進(jìn)行CBR測(cè)量。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)活塞以1.25 mm/min的速率穿透2.54 mm、5.08 mm、7.62 mm、10.16 mm 和 12.70 mm的壓力分散到壓實(shí)的混合物中，獲得混合物的CBR。

制備的混合物壓制成直徑為43.2 mm、高度為98.5 mm的兩部分。通過(guò)施加壓力來(lái)壓實(shí)樣品，該壓力等于使用標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)測(cè)試獲得的壓力。然后將樣品從模具中取出，修整后放在UCS測(cè)試設(shè)備上，對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室壓實(shí)測(cè)試，以建立混合物的水分含量與單位重量關(guān)系。對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行里程表測(cè)試，以確定混合物中空隙率的變化。將干燥狀態(tài)的混合物倒入具有薄層的模具中，然后將所需的水添加到樣品池中使樣品飽和。測(cè)試是在一系列配有外部線性位移傳感器的常規(guī)里程表測(cè)試機(jī)中進(jìn)行的。在研究過(guò)程中進(jìn)行的固結(jié)測(cè)試方法是測(cè)量固結(jié)特性的標(biāo)準(zhǔn)方法，涉及試樣的增量載荷（25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 和 800 kPa）。增量載荷是將垂直載荷的每日增量施加到剛性環(huán)中的浸沒(méi)容器中，并通過(guò)底部和頂部的多孔石頭進(jìn)行排水。

2 結(jié)果和討論

CL廢瓷磚顆粒的性能受混合物中水量的影響極大。為了預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障，混合物中的水量對(duì)于道路建設(shè)非常重要。當(dāng)將水添加到干燥混合物中時(shí)，每個(gè)顆粒都首先被吸附的水膜覆蓋。繼續(xù)加水時(shí)，水膜的厚度增加，顆粒彼此容易滑動(dòng)。采用可塑性指數(shù)（PI）識(shí)別細(xì)粒土壤的行為。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)測(cè)試，研究不同含量廢瓷磚的含水量與干重之間的重量關(guān)系。通過(guò)常規(guī)測(cè)試混合物的水含量與干燥單位重量的關(guān)系，測(cè)試的混合物的最大干燥重量從17 kN/m3增加到18.4 kN/m3，廢瓷磚的含量從0%增加到30%。這是因?yàn)橛帽戎叵鄬?duì)較低的土壤顆粒代替了比重較高的廢瓷磚顆粒。但隨著廢瓷磚的含量從0%增加到30%，最佳含水量值從17%降低到12.7%。圖3、圖4分別顯示了最大干重和最佳含水量隨廢瓷磚量的變化。

圖3 最大干重隨廢瓷磚顆粒含量的變化

圖4 最佳含水量隨廢瓷磚顆粒含量的變化

圖5顯示了測(cè)試樣品CBR值隨含水量變化，廢瓷磚的添加增加了廢CL混合物的CBR值。最大干燥單位重量的增加使最大CBR值增大，從而導(dǎo)致用作路基材料的混合物的機(jī)械強(qiáng)度增加。這種壓實(shí)混合物提供強(qiáng)度的原因還包括：廢瓷磚與土壤之間的摩擦力、廢瓷磚與土壤之間的互鎖、廢瓷磚具有較高的剛度、降低黏土的可塑性以及廢瓷磚的級(jí)配。在含水量變化很小的情況下，廢瓷磚含量較高的樣品達(dá)到了最大CBR值。但是，廢瓷磚含量少而含水量多的樣品也達(dá)到了最大CBR值（圖6）。主要是由于混合物中可用的CL顆粒具有出色的吸水能力。

圖5 CBR值隨含水量的變化

如果路基的CBR值小于2%，則通過(guò)將CBR值設(shè)為2%來(lái)進(jìn)行人行道的設(shè)計(jì)，并在其中提供150 mm厚的覆蓋層，除基地外使用最小CBR值為10%的材料。CL路基的CBR已被設(shè)計(jì)為8%。對(duì)于CBR值高于15%的路基，路基的厚度為150 mm。CL-廢瓷磚顆?；旌衔锏膹?fù)合基質(zhì)也具有膨脹潛力。膨脹勢(shì)用膨脹率表示，膨脹率定義為高度變化與樣品原始高度的比率。在混合物中添加廢瓷磚顆?？捎行Э刂迫苊洕摿?。各方向上產(chǎn)生的膨脹壓力將調(diào)動(dòng)CL和廢瓷磚顆粒之間的界面力，進(jìn)而抵消膨脹壓力，從而降低了升沉。溶脹率從CL為2.69%降低到含有30%廢瓷磚顆粒的土壤的1.48%。這是因?yàn)樵诟鼡Q非膨脹性的廢瓷磚顆粒減少了膨脹性土壤中黏土的含量。

圖6 廢瓷磚含量對(duì)最大CBR值的影響

樣品的初始剛度和峰值抗壓強(qiáng)度值均隨廢瓷磚顆粒數(shù)量的增加而降低。黏土-廢瓷磚顆?；旌衔镏邢鄬?duì)較高的異質(zhì)性導(dǎo)致強(qiáng)度降低，破壞面必須穿過(guò)試樣中最薄弱的區(qū)域。此外，在混合物測(cè)試中，剪切過(guò)程中廢瓷磚顆粒從側(cè)面掉落。這種現(xiàn)象減少了可承受施加載荷的試樣的橫截面積，從而降低了強(qiáng)度。

土壤與水和廢瓷磚之間的空隙率（e）的計(jì)示壓力變化如圖7所示。可以看出，由于樣品的初始條件，其初始孔隙率值分散在相對(duì)較寬的譜帶中。考慮到在里程表測(cè)試和文獻(xiàn)研究中獲得的測(cè)試結(jié)果，以這種方式制備的樣品形成過(guò)程中，廢瓷磚的物理特性可能導(dǎo)致較低的可壓縮性。混合物中的CL顆粒和廢瓷磚顆?？梢愿鶕?jù)初始條件和外部施加的應(yīng)力將它們重新排列為各種模式?；旌衔锟障兜捏w積是由廢瓷磚顆粒引起的空隙以及由于CL顆粒而引起的空隙。因此，晶間空隙率（es）可以表示晶間空隙的體積與廢瓷磚顆粒的體積之比。當(dāng)混合物的晶間空隙率等于廢瓷磚顆粒的最大空隙率（即es=emax）時(shí)，可認(rèn)為廢瓷磚顆?；w的直接顆粒-顆粒接觸的建立。

圖7 空隙率（e）隨廢瓷磚CL壓力計(jì)的影響變化

3 結(jié)論

本文進(jìn)行CBR、UCS、壓實(shí)和固結(jié)測(cè)試等一系列深入的試驗(yàn)，探究了CL型土壤和廢瓷磚混合物的性能變化。研究了摻有廢瓷磚顆粒比例為0%、5%、10%、15%、20%的土壤性能。結(jié)果表明：樣品最大干重隨廢瓷磚顆粒的增加而增加（從約17.3 kN/m3增至18.4 kN/m3），而最佳含水量則從約17%降至13%；廢瓷磚的添加提高了混合物的CBR性能（從大約8%到14%），從而可使公路路面的設(shè)計(jì)厚度大幅度降低；樣品的UCS峰值隨廢瓷磚顆粒含量的增加而降低（從540 kPa降至260 kPa）；溶脹率從CL為2.69%降低到含有30%廢瓷磚顆粒的土壤的1.48%。這表明廢瓷磚可用于路面路基層中。