席丹妮， 劉之葵， 李善梅， 倪 喆， 譚明燦， 曹賢發(fā)

(桂林理工大學 土木與建筑工程學院， 廣西 桂林 541004)

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計[1]，目前我國每年建筑垃圾的產(chǎn)量約為55億t，僅建(構(gòu))筑物拆除所產(chǎn)生的建筑垃圾就有約15億t，其中廢棄磚占比60%[2]。國外的一些發(fā)達國家，包括德國、日本等已經(jīng)將建筑垃圾視為 “資源”的一種，建筑垃圾的資源化率已經(jīng)達到 85% 以上，甚至接近 100%，而我國的建筑垃圾的資源化率還不足5%[3-4]。在國內(nèi)建筑垃圾的常用處理方式，是填埋或者露天堆存，不僅浪費了大量土地資源、污染環(huán)境，還阻礙了建筑廢垃圾成為再次利用資源。廢棄磚骨料可以作為路基填料，通過研究不同擊實功對廢棄磚骨料的變化影響，判斷擁有合理粒組的廢棄磚骨料，其具有顆粒形狀規(guī)則、內(nèi)部孔隙少，具有級配良好、密實度高、破碎率低、抗壓性能好等特點；這些特點可以滿足路基填料的要求。隨著國民環(huán)保意識的增強，有人提出建筑廢棄磚骨料可應(yīng)用在路基中，并取得了不少研究成果。李行[5]等針對建筑垃圾細集料應(yīng)用于路基回填材料的路用性能進行密度試驗、液塑限測定和擊實試驗，試驗結(jié)果表明混凝土塊和磚混結(jié)構(gòu)細集料的粒徑、液限、塑性指數(shù)等指標均能滿足路基回填材料的規(guī)范要求。朱鑫[6]提出在路基中應(yīng)采用合理而經(jīng)濟的填料，可以起到事半功倍的效果。要求用于公路路基的填料需挖取方便，壓實容易，強度高，水穩(wěn)定性好。其中強度要求是按CBR的強度試驗確定，應(yīng)通過取土試驗確定填料最小強度和最大粒徑。王蒙[7]等利用數(shù)值模擬分析了采用建筑垃圾在公路路基中的力學性能，結(jié)果表明:對路基的剛度進行增強，能夠有效改善路面結(jié)構(gòu)抗拉能力。李東[8]借鑒了一些路基填方材料的相關(guān)研究成果，通過類比分析，提出了將磚混類建筑垃圾與高液限土2種“非適用材料”摻配作為路基填料的技術(shù)方法，為磚混類建筑垃圾與高液限土資源化利用提供了新思路。劉建鑫[9]對建筑垃圾骨料用于路基回填土的密實度控制試驗進行了研究，將經(jīng)過加工篩分之后的建筑垃圾骨料通過不同的配比情況，進行相關(guān)的試驗，得到最佳含水率、最大干密度、最大壓實度，結(jié)果表明，各項均符合公路的相關(guān)要求。鄭英琴[10]通過分析影響路基壓實的因素，結(jié)合實際工程的應(yīng)用，闡明路基壓實時控制填料含水率的重要性。張杰[11]對高速公路路基填料的最大干密度的確定方法(剔除超粒徑法、相似級配法、等量代替法)進行了分析，按照《公路土工試驗規(guī)程》確定擬用路基填料的最大干密度。根據(jù)試驗結(jié)果的比較，得出等量代替法較適合這種填料的結(jié)論，并分析了這幾種方法的適用性。MOHAMMED[12]等對將廢棄磚破碎成粗骨料進行回收，測試再生骨料的比重、吸收能力和耐磨性能，結(jié)果表明各項性能指標均符合規(guī)范要求，可以再次利用；孟慶虎[13]提到了在選擇填石路基材料時需要側(cè)重于選擇粒徑較大的材料。粒徑較大的填石路基材料可以減少與彼此間的黏聚力，可以提高強度，具有良好的抗剪力。劉喜[14]通過標準擊實試驗和承載比試驗，對建筑垃圾作為路基填料的性能進行研究。結(jié)果表明:當建筑垃圾的摻量為 30%～40% 時，再生路基填料的干密度和CBR值均較大，再生填料的密實度高，可以作為公路路基使用。材料的力學性能與其顆粒級配密切相關(guān)，但是目前尚未研究廢舊磚骨料在不同的擊實功作用下粒徑組的變化規(guī)律。本試驗對廢棄磚骨料在不同擊實功作用下的變化影響進行分析和討論，通過篩分、擊實等試驗分析其穩(wěn)定的粒徑組，對于建筑垃圾的資源化利用具有積極意義，也為在后面的實際工程中使用提供了有益的參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及制樣

本次研究所用的原材料主要是建筑場地拆遷過后的廢棄普通黏土磚。收集廢棄黏土磚后，首先將廢棄磚用大錘敲打進行初次破碎，如圖1所示。初次破碎的廢棄磚塊直徑較大，棱角顯明，形狀不規(guī)則，不符合試樣要求。因此需要放入破碎機進行二次破碎。再使用標準篩進行篩分，分為5個粒組，其粒組分別為0.6～1.18、1.18～2.3、2.3～4.75、4.75～9.5、9.5～13.2 mm，如圖2所示。每個粒組的樣品準備等質(zhì)量3份，質(zhì)量分別為3651.47、3730.83、3576.57、3540.8、3552.07g。

圖1 廢磚骨料破碎

圖2 廢磚骨料粒組直徑

1.2 試驗過程

為了得到不同直徑的粒組在相同擊實功下的顆粒破碎情況和相同直徑粒組在不同擊實功下百分含率的關(guān)系，根據(jù)規(guī)范《擊實試驗SL237-011-1999》對0.6 mm以上的粒組進行擊實試驗。試驗儀器有重型擊實儀、天平(稱量200g，分度值0.1g)、臺秤(稱量10kg，分度值5g)、標準篩(孔徑為0.015～13.2 mm方孔標準篩)。取0.6～1.18、1.18～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5、9.5～13.2mm這5組粒組的每粒組約2000g的樣品，對其分別進行擊實，首次擊實20錘，然后稱重，篩分出不同直徑組顆粒，稱重并記錄數(shù)據(jù)，再進行混合，隨后裝入擊實桶中擊實10錘，步驟同上，經(jīng)過5次10擊，每組粒組共進行70次的擊實。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 擊實試驗結(jié)果

a.破碎率。由表1可以看出磚骨料的破碎率是隨著粒組的直徑減小而減??；9.5～13.2 mm破碎率達到50%，其穩(wěn)定性低；0.6～1.18 mm破碎率僅有11%，磚骨料的直徑越小越難以被破碎。

表1 相同擊實功各組磚骨料粒組的破碎率Table 1 The crushing rate of the brick aggregate group with the same compaction work粒組直徑/mm初始質(zhì)量/g剩余質(zhì)量/g破碎率/% 9.5～13.22 028.91 011.7504.75～9.5 2 006.81 298.6352.36～4.752 006.71 486.5261.18～2.362 006.81 742.713 0.6～1.182 006.81 782.911

b.顆粒級配。如圖3～圖7所示，根據(jù)5組磚骨料的顆粒級配曲線圖得到各粒組的相對含量，粒組的磚骨料隨著擊實功的增加，篩分出的各粒徑級累計百分率是逐漸增多的；而在擊實功增加的同時，隨著粒組直徑的減小，篩分的累計百分率增長的幅度有所下降。

圖3 不同擊實功下的顆分曲線(9.5～13.2 mm)

圖4 不同擊實功下的顆分曲線(4.75～9.5 mm)

圖5 不同擊實功下的顆分曲線(2.36～4.75 mm)

圖6 不同擊實功下的顆分曲線(1.18～2.36 mm)

圖7 不同擊實功下的顆分曲線(0.6～1.18 mm)

c.顆粒組成是研究磚骨料特性的主要依據(jù)，根據(jù)曲線的坡度和曲率，以及不均勻系數(shù)可以判斷粒組磚骨料的級配是否良好，為了更好地描述不同直徑磚骨料顆粒級配的好壞，常用Cu和Cc來進行顆粒分析，其表達式為：

(1)

(2)

式中：d10為非均粒土累積曲線含量10%，又稱為有效粒徑；d30為非均粒土累積曲線含量30%，又稱為有效粒徑；d60為非均粒土累積曲線含量60%，又稱為有效粒徑。

根據(jù)圖8可以看出每個粒組的不均勻系數(shù)是隨著擊實功的增加而上升的，直徑為9.5～13.2 mm的粒組磚骨料的不均勻系數(shù)明顯大于直徑為9.5mm以下的粒組磚骨料。根據(jù)圖9可以看出當擊實到1917.79kJ時，直徑為9.5～13.2mm的粒組磚骨料的曲率系數(shù)最大，再增加擊實功曲率系數(shù)趨向平穩(wěn)；相比較9.5mm以下的粒組，磚骨料的曲率系數(shù)變化不大。

圖8 擊實功與各粒組不均勻系數(shù)的關(guān)系

圖9 擊實功與各粒組曲率系數(shù)的關(guān)系

d.不同擊實功下各粒組磚骨料分計篩余百分率。根據(jù)圖3～圖8可以看出從粒組9.5～13.2 mm到粒組0.6～1.18 mm的直線斜率越來越大；在經(jīng)過擊實功958.9～3356.13kJ的擊實后，粒組9.5～13.2mm還剩余50%左右，粒組4.75～9.5 mm剩余70%左右，粒組2.36～4.75 mm剩余75%左右，粒組1.18～2.36 mm和0.6～1.18 mm剩余90%左右；可以分析出直徑較大的磚骨料隨著擊實功的增大，各粒徑組分計篩余百分率增加，而直徑較小的磚骨料篩分出的各粒組篩余百分率無太大變化；其次,每粒組擊實后主要是破碎到下一級，例如粒組9.5～13.2 mm的磚骨料經(jīng)過擊實功為3356.13kJ的擊實后，還剩余50%左右，那么下一級粒組4.75～9.5mm的篩余百分率約為25%，而4.75mm以下的粒組篩余百分率就很??；以此類推，其他4組粒組的磚骨料也一樣。所以直徑最大的粒組斜率變化最大，而直徑最小的粒組斜率變化最小。見圖10～圖15。

圖10 擊實功為958.9 kJ時各粒組的分計篩余百分率

圖11 擊實功為1 438.34 kJ時各粒組的分計篩余百分率

圖12 擊實功為1 917.79 kJ時各粒組的分計篩余百分率

圖13 擊實功為2 397.23 kJ時各粒組的分計篩余百分率

圖14 擊實功為2 876.68 kJ時各粒組的分計篩余百分率

圖15 擊實功為3 356.13 kJ時各粒組的分計篩余百分率

2.2 討論

a.根據(jù)曲線的坡度和曲率，以及不均勻系數(shù)可判斷磚骨料的級配狀況。不均勻系數(shù)Cu越大表示磚骨料越不均勻。工程上把Cu<5的土視為級配不良的土，Cu>10的土視為級配良好的土。隨著擊實功的增加直徑為9.5～13.2 mm的粒組磚骨料的不均勻系數(shù)Cu>10，曲率系數(shù)曲線由陡變?yōu)槠骄?，說明磚骨料在擊實功的作用下，級配變?yōu)榱己?。由于擊實功的增加對磚骨料進行的破碎增加，與此同時，顆粒與顆粒之間也有摩擦作用，顆粒直徑變小到了9.5 mm以下，級配重組，使得顆粒的內(nèi)部孔隙打開，顆粒與顆粒之間的外部空隙也得到了填充。

b.擊實對磚骨料粒組變化的影響，說明了每組磚骨料粒組被擊實后下一級粒組顆粒的百分含量所占比例較大，而隨著粒組直徑的減小,下一級粒組顆粒的半分含量也在減小，因此破碎率是隨著磚骨料粒組的直徑減小而減??；所以直徑為9.5～13.2 mm粒組的磚骨料易破碎；0.3～0.6 mm的粒組已經(jīng)屬于砂礫，擊實過后變化不大；4.75～9.5、2.3～4.75、1.18～2.36 mm的粒組破碎率降低并且都到達了下一級，使得級配變得更加良好，以及在原有粒組的磚骨料中一些形狀不規(guī)則易折易斷的顆粒經(jīng)過擊實過后形狀變得規(guī)則，減少了顆粒與顆粒之間的空隙，提高了密實度，增加了壓實度，從而表現(xiàn)出該直徑范圍的粒組磚骨料的物理力學性能穩(wěn)定。

3 結(jié)論

a.擊實功對粒組的影響較明顯，對于直徑為4.75～9.5 mm的粒組，大部分破碎為2.36～4.75、1.18～2.36 mm；直徑為2.36～4.75 mm的粒組被擊實后，大部分破碎為1.18～2.36 mm，所以粒組破碎成為直徑小的顆粒，它填充了直徑較大顆粒之間的空隙，使得磚骨料粒組的級配變得良好；直徑為2.36～1.18 mm的粒組因為本身粒徑已經(jīng)很小，很難再往更小的直徑粒組破碎，所以擊實功對其影響甚微。

b.路基的壓實度要求不應(yīng)低于94%。在滿足壓實度94%的條件下，經(jīng)過擊實儀對各粒組所作的擊實功，得到直徑為4.75～9.5、2.3～4.75、1.18～2.36 mm的廢棄磚骨料，它們粒組中顆粒內(nèi)部孔隙少，而外部顆粒與顆粒之間空隙小，堆積密實，從而總結(jié)直徑在1.18～9.5 mm范圍內(nèi)的磚骨料級配良好。

c.在擊實過后，粒組的粒徑在1.18～9.5 mm范圍內(nèi)，直徑越大，在施工時越方便，也會減少揚塵；超過9.5 mm的粒組磚骨料，存在顆粒形狀不規(guī)則的情況，在施工過程中可能會出現(xiàn)沉降與變形等其他物理力學性能不穩(wěn)定的情況；低于1.18 mm的粒組磚骨料，堆積密度小、級配不良好、易損耗能源，使用過程中容易產(chǎn)生大量揚塵，不利于環(huán)保。因此磚骨料粒組的直徑應(yīng)控制在1.18～9.5mm之間。