謝 軍，房格莉，魏振國

(中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710038)

0 引言

近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對房屋的需求發(fā)生了改變，房屋建筑結(jié)構(gòu)不斷變化，產(chǎn)生的建筑垃圾數(shù)量不斷增加。據(jù)文獻(xiàn)[1]預(yù)測，當(dāng)建筑物壽命為設(shè)計(jì)使用年限時(shí)，拆除垃圾在2035年達(dá)到小峰值22.44億t，2084年達(dá)到大峰值41.1億t。西安市目前建筑垃圾的資源利用率約為20%，與發(fā)達(dá)國家90%的資源利用率相比仍有較大差距[2]。目前，傳統(tǒng)的建筑垃圾處理方式是露天堆放和地下埋填，這種方式不僅占用土地資源，還造成了環(huán)境污染。同時(shí)，天然路用材料非常緊缺，因此探索新的生產(chǎn)材料迫在眉睫。

Park[3]對比了干濕再生混凝土骨料和碎石骨料的壓實(shí)度、穩(wěn)定性及抗剪強(qiáng)度，采用落錘式撓度計(jì)，測量使用干濕混凝土骨料鋪筑路面基層撓度，結(jié)果與碎石骨料相似。Esfahani[4]將建筑廢棄物破碎為不同粒徑，進(jìn)行不同配合比設(shè)計(jì)，測試不同粒徑配合比下的壓實(shí)性能、加州承載比、彈性模量，結(jié)果表明，建筑廢棄物僅適用于底基層。代爾夫特理工大學(xué)以混凝土和磚塊為主要研究成分，研究了級配、組成、壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等因素對材料破壞特性、彈性模量、抗永久變形能力的影響，結(jié)果表明，相比于壓實(shí)度來說，級配、組成等因素對破壞特性的影響不顯著，且在實(shí)際施工過程中難以控制，而壓實(shí)度的控制更易實(shí)現(xiàn)[5]。樊興華等[6]以西禹高速公路工程為依托，介紹了建筑垃圾填筑路基的施工工藝。聶夢強(qiáng)等[7]以建筑垃圾代替碎石，將石灰、黏土、建筑垃圾按不同比例分別養(yǎng)護(hù)14，28d，進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，測試其抗壓強(qiáng)度，得出滿足路基墊層要求的最佳配合比。周文娟等[8]研究了不同水泥摻量、石灰摻量及混凝土含量對再生骨料力學(xué)性能和抗凍性能的影響，結(jié)果表明，提高水泥及混凝土含量可提高無機(jī)混合料的強(qiáng)度；降低石灰含量可提高混合料的強(qiáng)度；再生骨料無機(jī)混合料滿足路基底基層的技術(shù)要求。李行等[9]、霍凱成等[10]、張威等[11]、趙永柱[12]以實(shí)際工程為依托，進(jìn)行了建筑垃圾路基試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果可為以后的相關(guān)工程提供參考。賈淑明等[13]、王選富等[14]研究了建筑垃圾作為骨料制作的混凝土性能。文華等[15]、肖緒文等[16]總結(jié)了近年來我國關(guān)于建筑垃圾應(yīng)用的研究進(jìn)展。為加快西安市對建筑垃圾的再生利用，本文以西安外環(huán)高速公路工程為依托，將建筑垃圾作為路基填料開展試驗(yàn)研究，所得結(jié)果可為以后類似工程提供參考。

1 建筑垃圾填料的加工及基本性能

1.1 建筑垃圾加工

根據(jù)CJJ/T 134—2019《建筑垃圾處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，建筑垃圾是工程渣土、工程泥漿、工程垃圾、拆除垃圾和裝修垃圾等的總稱。再生粗骨料為采用破碎設(shè)備、篩分設(shè)備對建筑垃圾分揀后形成的粒徑>4.75mm的再生骨料，再生細(xì)骨料為采用專用設(shè)備對建筑垃圾破碎、篩分、分揀后形成的粒徑<4.75mm的再生骨料。

建筑垃圾成分復(fù)雜，試驗(yàn)前需對其進(jìn)行處理加工。先人工剔除大塊木材、塑料、鋼筋等雜質(zhì)，再利用磁選機(jī)去除鐵屑等雜質(zhì)，通過分選分離臺去除木屑、塑料等輕雜質(zhì)。將粒徑>40mm的顆粒通過顎式破碎機(jī)破碎，然后進(jìn)行篩分，得到0～5，5～40mm骨料。對5～40mm骨料采取沖洗工藝去除附著的黏土及泥漿，得到純凈的粗骨料。

1.2 建筑垃圾基本性質(zhì)

1)基本性能

本工程所用材料如圖1所示。由圖1可知，再生粗骨料表面粗糙、骨料邊緣圓潤、孔隙較多，且附著大量水泥砂漿，而天然骨料表面較光滑、骨料邊緣棱角分明。同時(shí)，針對再生骨料基本性能進(jìn)行了測試。建筑垃圾骨料堆積密度為1.419g/cm3，表觀密度為2.610g/cm3，含泥量3.2%，針片狀含量16.1%，壓碎值為15.3%，有機(jī)物含量2.04%，易溶鹽含量0.012 8%，液限20.9%，塑限8.1%，塑性指數(shù)為12.8。

圖1 建筑垃圾骨料

2)顆粒級配

建筑垃圾再生骨料組成均勻級配連續(xù)。根據(jù)填筑路基的不同部位，其級配和最大粒徑要求符合DB61/T 1149—2018《陜西省建筑垃圾再生材料路基施工技術(shù)規(guī)范》[17]的規(guī)定。

按規(guī)范取樣風(fēng)干，進(jìn)行篩分試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。通常采用不均系數(shù)Cu表示土顆粒級配曲線坡度，曲率系數(shù)Cc表示形狀。Cu越大，土的粒徑范圍越廣，級配越好。當(dāng)Cu<5時(shí)，級配不良，不利于壓實(shí)；Cu>15時(shí)，級配良好。路床材料的Cu=35.0，Cc=1.61。故本文選用的建筑垃圾骨料屬于級配良好(GW)。

表1 建筑垃圾再生材料顆粒篩分試驗(yàn)結(jié)果(0～60mm)

2 建筑垃圾用于路基的性能試驗(yàn)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)

采用建筑垃圾作為路基填料時(shí)，施工時(shí)應(yīng)采取夯打碾壓等工藝使骨料間空隙減小、密度增加，以保證路基結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和水穩(wěn)性。確定擊實(shí)能時(shí)，當(dāng)土體含水量達(dá)到某一最優(yōu)值時(shí)，土顆粒在擊實(shí)作用下才能達(dá)到最緊密狀態(tài)，通過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)可測得不同路基材料的最佳含水率和最大干密度，以此指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2.1.1試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用<5mm的細(xì)骨料和5～40mm的粗骨料，設(shè)計(jì)7種不同粗、細(xì)骨料配合比，研究不同配合比下建筑垃圾骨料的壓實(shí)特性，確定各配合比下混合料含水率與干密度的關(guān)系，繪制擊實(shí)曲線，分析粗骨料占比對建筑垃圾骨料最佳含水率和最大干密度的影響。設(shè)計(jì)的7種粗、細(xì)骨料配合比如表2所示。

表2 建筑垃圾路基骨料配合比

2.1.2試驗(yàn)儀器及方法

按JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[18]規(guī)定，建筑垃圾再生骨料最大粒徑>20mm且<40mm，采用重型擊實(shí)Ⅱ-2類試驗(yàn)方法，如表3所示。試驗(yàn)所用儀器為BKJ-Ⅱ型多功能電動(dòng)擊實(shí)儀。

表3 擊實(shí)試驗(yàn)方法

每組擬定10%，12%，14%，16%，18% 5個(gè)含水率。每個(gè)試樣質(zhì)量約為5kg，擊實(shí)前應(yīng)加水燜料24h。為避免浪費(fèi)材料，燜料時(shí)預(yù)先燜3～4個(gè)料，根據(jù)擊實(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整其余試樣的含水率。

2.1.3試驗(yàn)過程

根據(jù)配合比按如下步驟制備試樣：①配土 將建筑垃圾土料烘干，過5mm篩得到細(xì)骨料和粗骨料;取一定量細(xì)骨料和粗骨料按比例稱量，每份試樣質(zhì)量為5 000g。②潤濕 根據(jù)擬定含水率加水使每份含水率相差2%，拌合均勻后裝袋密封，潤濕時(shí)間為24h，溫度控制在25℃左右。③擊實(shí) 擊實(shí)試驗(yàn)分3層，每層98擊，根據(jù)擊實(shí)筒體積預(yù)估每層土的質(zhì)量，保證每層土質(zhì)量相同；擊實(shí)完成后將試件刮平，并測量土的含水率。當(dāng)擊實(shí)曲線不能繪制出峰值時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)。

2.2 CBR試驗(yàn)

一般來說土體的破壞屬于剪切破壞，而CBR貫入試驗(yàn)是在試件的部分土體上施加力使其與整體間發(fā)生相對位移，在剪切面上產(chǎn)生抗剪切力[19]。因此，CBR反映了土體的局部剪切強(qiáng)度。試驗(yàn)過程中將試件浸泡在水中4晝夜來模擬土體飽和狀態(tài)的不利影響，使試驗(yàn)值更安全。

1)試驗(yàn)方案 本試驗(yàn)是為研究粗骨料摻量為20%的建筑垃圾混合料在最佳含水率和最大干密度下的CBR值，分析建筑垃圾混合料在不同擊實(shí)功下的CBR值和干密度的變化。分別采用30，50，98次3種擊實(shí)次數(shù)。每種擊實(shí)次數(shù)需3個(gè)試樣，每種配合比需9個(gè)試樣，具體試驗(yàn)方案如表4所示。

表4 CBR試驗(yàn)方案

2)試驗(yàn)儀器 本試驗(yàn)以擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率為基礎(chǔ)，制備試樣。使用的擊實(shí)儀器與擊實(shí)試驗(yàn)相同。將擊實(shí)好的試件浸水4d后進(jìn)行CBR試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器為LD-20T型路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀。

3)試驗(yàn)過程 首先，將土料按粗、細(xì)骨料按一定比例稱量，稱取最佳含水率所需水分，拌合均勻，燜料24h待用。將土料按30，50，98次擊實(shí)次數(shù)分別制備3個(gè)試樣，然后將擊實(shí)筒固定于有孔底板上，并在擊實(shí)筒上、下表面鋪上濾紙。在試件頂面放置多孔頂板，再放上4塊荷載板。最后將試件放入水槽內(nèi)，安裝好千分表讀取初讀數(shù)。浸水4晝夜后進(jìn)行貫入試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)現(xiàn)象

對不同粗骨料含量的建筑垃圾混合料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，得到各不同配合比混合料的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，如表5所示。其中，粗骨料含量為20%的建筑垃圾土料在不同含水率時(shí)的擊實(shí)效果如圖2所示。

表5 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)效果

由圖2可知，當(dāng)含水率為12%時(shí)，含水率最低，脫模后試樣斷裂無法成型，試樣周圍有大量脫落的土體；當(dāng)含水率為14%時(shí)，含水率較低，試樣脫模后棱角處有稍許散落土體，表面土粒未被完全壓實(shí)，顆粒間存在孔隙；當(dāng)含水率為16%時(shí)，含水率適中，擊實(shí)效果較好，試樣脫模完好，表面光滑；當(dāng)含水率為18%時(shí)，含水率較高，試樣脫膜后易變形，表面附著水膜，試樣底部有水分滲出；當(dāng)含水率為20%時(shí)，含水率較高，試樣脫膜后無法保持原有形狀，有塌陷現(xiàn)象，底部滲出水分較多。在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制土體的含水率，以達(dá)到最好的壓實(shí)效果。

3.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

各配合比擊實(shí)曲線對比如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)粗骨料摻量一定時(shí)，建筑垃圾骨料的干密度隨著含水率的增大先增大后減小，呈拋物線形。當(dāng)含水率接近最優(yōu)含水率時(shí)，土顆粒形成一層水膜，水膜在顆粒間起潤滑作用，土顆粒在擊實(shí)作用下更易排列組合填充粗骨料空隙，故土體最大干密度有所提高。但當(dāng)含水率較高時(shí)，水膜的潤滑作用減弱，相反，過多的水分占據(jù)了土體體積，使最大干密度降低。進(jìn)行路基壓實(shí)時(shí)，為達(dá)到較好的壓實(shí)效果應(yīng)確保土體滿足最佳含水率要求。

圖3 各配合比擊實(shí)曲線對比

由表5可知，當(dāng)粗骨料含量為20%時(shí)，最佳含水率最大；當(dāng)粗骨料含量為80%時(shí)，最大干密度最大。各配合比混合料的粗骨料含量與最大干密度關(guān)系曲線如圖4所示，粗骨料含量與最佳含水率關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 粗骨料含量與最大干密度關(guān)系曲線

圖5 粗骨料含量與最佳含水率關(guān)系曲線

由圖4可知，粗骨料含量與最大干密度呈線性相關(guān)，最大干密度隨粗骨料含量的增加而增大。當(dāng)粗骨料含量較低時(shí)，粗骨料懸浮于土體中，骨架作用較弱。當(dāng)粗骨料含量增加時(shí)，粗骨料形成骨架，細(xì)骨料充分填充空隙，土體表現(xiàn)為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，此時(shí)土體的壓實(shí)特性最好。由圖5可知，當(dāng)粗骨料含量<50%時(shí)，最佳含水率隨粗骨料含量的增加而降低；當(dāng)粗骨料含量為50%～70%時(shí)，最佳含水率隨粗骨料含量的增加而增加；當(dāng)粗骨料含量>70%，最佳含水率隨粗骨料含量的增加呈下降趨勢。

3.2 CBR試驗(yàn)

3.2.1擊實(shí)功對CBR值的影響

在建筑垃圾骨料中摻入20%的粗骨料，并對樣品進(jìn)行不同擊實(shí)功的CBR試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示，繪制成曲線如圖6所示。

表6 不同配合比的CBR值

圖6 擊實(shí)次數(shù)與CBR值的關(guān)系曲線

由表6及圖6可知，當(dāng)粗骨料含量一定時(shí)，CBR值隨擊實(shí)功的增加呈上升趨勢。對于粗骨料含量為20%的試樣，當(dāng)擊實(shí)功由819.6kJ/m3增大到 1 314.9kJ/m3， CBR值提高1.003倍，當(dāng)擊實(shí)功由 1 314.9kJ/m3增大到2 677.2kJ/m3，CBR值提高1.75倍，表明擊實(shí)作用可明顯提高建筑垃圾骨料的CBR值。在現(xiàn)場施工過程中為達(dá)到路基要求的強(qiáng)度應(yīng)保證一定的擊實(shí)功。

3.2.2擊實(shí)功對膨脹量的影響

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的試驗(yàn)方法，獲得各配合比建筑垃圾骨料的膨脹量如表7所示，繪制曲線如圖7所示。

表7 粗骨料含量為20%不同擊實(shí)功下的膨脹量

由表7及圖7可知，在粗骨料的摻量為20%下，建筑垃圾骨料的膨脹量均隨擊實(shí)功的增加而增大，吸水量也隨擊實(shí)功的增大而增加。當(dāng)粗骨料摻量為20%時(shí)，骨料的膨脹量從0.005mm增加至0.110mm，吸水率從332g增加至427g。上述現(xiàn)象可解釋為：擊實(shí)功較小時(shí)，固定體積的擊實(shí)筒可容納的試樣質(zhì)量小、密度小。當(dāng)擊實(shí)功增大時(shí)，試樣趨于密實(shí)結(jié)構(gòu)，相同擊實(shí)筒體積所含土樣質(zhì)量大。吸水量增加，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生更大膨脹量。

圖7 擊實(shí)次數(shù)與膨脹量的關(guān)系曲線

4 工程實(shí)例

4.1 工程背景

西安外環(huán)高速公路K23+200—K23+400段采用建筑垃圾作為路基填料，粗、細(xì)骨料配合比為40∶60；壓實(shí)厚度為30cm，共需填料13 860m3。依據(jù)上述進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，從而確定了試驗(yàn)段建筑垃圾最大干密度為1.79g/cm3，最佳含水率為14.6%，經(jīng)上述CBR試驗(yàn)測試粗骨料含量為20%的建筑垃圾骨料CBR值遠(yuǎn)高于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]關(guān)于路基填料的技術(shù)要求。故本試驗(yàn)段采用40%含量粗骨料CBR值也滿足要求。

4.2 施工過程

首先，自線路中線用白灰畫出13m×10m方格線。以規(guī)定的路基最大壓實(shí)厚度為基礎(chǔ)，計(jì)算每個(gè)方格需要的建筑垃圾填料數(shù)量及卸車數(shù)量，松鋪厚度按30～35cm控制。然后，第1次灑水燜料，灑水燜料后3h采用2臺22t羊足碾以3km/h速度先弱振碾壓2遍，再強(qiáng)振碾壓2遍。碾壓的同時(shí)進(jìn)行建筑垃圾再生骨料含水率檢測，確保路基填料處于最佳含水率的-1%～4%范圍。第2次灑水燜料后采用2臺26t光輪壓路機(jī)以4km/h速度先弱振碾壓2遍，再強(qiáng)振碾壓2遍，橫向間距4m相互錯(cuò)開碾壓。最后，采用光輪壓路機(jī)以5km/h速度靜壓1～2遍進(jìn)行收面，直至路基頂面穩(wěn)定、無輪跡，表面平整。終壓完成后采用灌砂法進(jìn)行現(xiàn)場壓實(shí)度檢測，結(jié)果如表8所示。

表8 部分樁號壓實(shí)度檢測結(jié)果 %

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得，碾壓松鋪厚度為35cm，測得壓實(shí)厚度約為30cm，松鋪系數(shù)為1.16～1.20。

使用的壓實(shí)工藝為22t羊足碾碾壓4遍，26t單鋼輪壓路機(jī)碾壓4遍組合即可達(dá)到壓實(shí)度要求，符合建筑垃圾再生骨料填筑路基的設(shè)計(jì)要求，可用于路基工程。

4.3 質(zhì)量檢測

對現(xiàn)場碾壓收光完成后的路基進(jìn)行壓實(shí)效果檢測，利用貝克曼梁進(jìn)行彎沉值檢測，以此評價(jià)路基的整體剛度和強(qiáng)度。本試驗(yàn)路段彎沉值檢測結(jié)果如表9所示。

表9 項(xiàng)目路基彎沉檢測結(jié)果 mm

由表9可知，本試驗(yàn)段路基彎沉值滿足 <2.3mm 的設(shè)計(jì)要求。故當(dāng)建筑垃圾粗骨料含量為40%時(shí)，選擇相應(yīng)的機(jī)械選型和施工工藝，得到的建筑垃圾路基結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度較高，路基填筑效果較好。

5 結(jié)語

本文對建筑垃圾粗、細(xì)骨料進(jìn)行不同配合比設(shè)計(jì)，研究了不同粗骨料摻量下建筑垃圾骨料路用性能，得到以下結(jié)論。

1)試驗(yàn)段路基設(shè)計(jì)寬度為34.5m，設(shè)計(jì)橫坡為2%，最小填土高度為4.16m，消耗掉建筑垃圾填料13 860m3，社會(huì)效益明顯。

2)建筑垃圾骨料的干密度與含水率呈現(xiàn)拋物線關(guān)系。當(dāng)骨料含水率的沒有達(dá)到最佳含水率時(shí)，干密度隨含水率的增加而增大；當(dāng)含水率超過最佳含水率時(shí)，干密度隨含水率的增大而減小。施工過程中應(yīng)控制灑水量，使路基壓實(shí)性能達(dá)到最佳。

3)當(dāng)建筑垃圾粗骨料摻量一定時(shí)，CBR值隨擊實(shí)功的增加而增大，膨脹量隨擊實(shí)功的增加而增大。