李 強(qiáng)，徐怡紅，童顏泱，杲加俊，徐 輝

(1.浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312369；2.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

近年來，我國建筑垃圾產(chǎn)量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年9月已經(jīng)達(dá)到了20億t，其中，舊建筑物拆除產(chǎn)生的建筑垃圾占58%～60%，新建筑施工產(chǎn)生的建筑垃圾占32%～36%，建筑裝修產(chǎn)生的建筑垃圾占6%～8%[1]。目前，我國的建筑垃圾資源化利用率不足10%[2]，大量建筑垃圾處置不當(dāng)帶來的安全隱患及環(huán)境問題日益凸顯[3]。

建筑垃圾組分復(fù)雜，其中的廢棄混凝土、碎磚等循環(huán)再生后可作為工程建筑材料使用[4- 5]。臧朋[6]對廢棄混凝土碎塊進(jìn)行破碎、篩選，以其代替天然骨料制備再生混凝土樁，發(fā)現(xiàn)當(dāng)再生骨料取代率為75%時，再生混凝土的強(qiáng)度最大；楊銳等[7]將建筑垃圾處理后作為樁基填料，通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)建筑垃圾再生骨料樁的承載力可達(dá)到500～1100kN；鞠興華等[8]用建筑垃圾再生粗骨料代替碎石，細(xì)骨料代替中粗砂制備成的再生骨料混凝土樁加固軟土地基，結(jié)果表明單樁極限承載力為487.7kPa，較天然軟土地基承載力提高了3.8倍；李海濱等[9]將廢棄混凝土再生骨料與水泥、粉煤灰等膠凝材料按一定比例混合制成水泥粉煤灰再生骨料樁進(jìn)行地基處理，結(jié)果表明處理后的地基承載力顯著提高，工后沉降降低；Zhao[10]等研究了建筑垃圾夯擴(kuò)樁在沿海軟土地基加固中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)的最小側(cè)向位移在2m左右，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；Ridzuan[11]對再生混凝土進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)相同配合比的再生混凝土試件抗壓強(qiáng)度較普通混凝土有所提高，提高幅度最大接近20%；Hansen[12]、Saiem[13]同樣也發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度要高于普通混凝土。綜上可知，現(xiàn)有研究多集中于再生粗骨料混凝土的強(qiáng)度性能上，對于再生粗骨料力學(xué)性質(zhì)的研究較少。當(dāng)再生粗骨料作為主體材料時，其力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的選取將直接影響結(jié)構(gòu)體的整體穩(wěn)定性。

有鑒于此，本文通過大型直剪試驗(yàn)對再生混凝土粗骨料和再生磚混粗骨料的抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，并與天然粗骨料進(jìn)行對比，以期為再生粗骨料在再生混凝土、再生樁等設(shè)計(jì)中提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料取自于浙江省杭州市某拆遷工程產(chǎn)生的建筑垃圾，經(jīng)破碎、篩分等處理后得到粒徑范圍為0～37.5mm的再生骨料，如圖1(a)及圖1(b)所示。將再生骨料運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，置于干燥箱中烘干，冷卻至室溫后，對再生骨料再次進(jìn)行篩分，最后獲得粒徑范圍為4.75～37.5mm的粗骨料。天然粗骨料采用試驗(yàn)室采購的碎石骨料，粒徑范圍為4.75～37.5mm，如圖1(c)所示。

圖1 骨料取樣圖

1.2 試驗(yàn)儀器

基本物理特性試驗(yàn)采用的主要儀器設(shè)備包括干燥箱、振篩機(jī)、比重瓶、壓碎指標(biāo)測定儀等。抗剪強(qiáng)度測試設(shè)備采用STYE- 2000F型全自動大型直剪儀，其中剪切盒由上盒和下盒組成，盒高度均為200mm，試樣倉直徑620mm；水平及豎向伺服加載系統(tǒng)加載范圍為0～600kPa，控制精度1.0kPa；水平剪切速率為6.2mm/min，內(nèi)置LVDT位移監(jiān)測傳感裝置，運(yùn)行位移最大值為100mm。

1.3 試驗(yàn)方案

為研究再生粗骨料的抗剪強(qiáng)度性能，設(shè)計(jì)了3組共計(jì)12個大型直剪試驗(yàn)，并以天然粗骨料作為對照組，見表1。法向應(yīng)力設(shè)置為4個等級，100、200、300、400kPa，剪切速率控制為6.2mm/min。

表1 試驗(yàn)方案表

1.4 試驗(yàn)方法

參照GB/T 14685—2011《建設(shè)用碎石、卵石》[14]對粗骨料進(jìn)行顆粒級配、表觀密度、吸水率及壓碎指標(biāo)測試；參照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]對粗骨料進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。其中抗剪強(qiáng)度的具體測試方法如下：首先，將一定量的骨料倒入剪切盒內(nèi)，采用分層壓實(shí)的方法，直到填滿剪切盒；隨后，通過起吊裝置放置荷載板，調(diào)整LVDT并記錄初始讀數(shù)；然后開始剪切，直到試樣破壞為止。試驗(yàn)期間，通過數(shù)據(jù)采集器記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 骨料基本物理特性

3種粗骨料的顆粒級配曲線如圖2所示，橫坐標(biāo)為篩孔孔徑，縱坐標(biāo)為對應(yīng)孔徑下再生骨料的累計(jì)篩余百分比，虛線為GB/T 14685—2011中規(guī)定的卵石和碎石的上下限。從圖2中可以看到，天然粗骨料、再生混凝土粗骨料和再生磚混粗骨料的級配良好，在規(guī)范規(guī)定的上下限范圍內(nèi)。

圖2 粗骨料粒徑級配曲線

3種粗骨料基本物理指標(biāo)見表2。與GB/T 14685—2011中卵石、碎石的表觀密度應(yīng)不小于2600kg/m3的一般要求相比，再生混凝土粗骨料以及再生磚混粗骨料的表觀密度偏小。天然粗骨料、再生混凝土粗骨料以及再生磚混粗骨料的平均吸水率分別為1.32%、6.13%、9.72%，壓碎值分別為4.72%、11.19%、19.92%。

表2 粗骨料基本物理指標(biāo)

2.2 剪應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線

圖3為不同豎向壓力下3種粗骨料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，3種粗骨料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，當(dāng)上覆應(yīng)力為100、200kPa時，剪應(yīng)力隨著剪切應(yīng)變的增大快速上升后趨于平緩，峰值不明顯；當(dāng)上覆應(yīng)力增加至300、400kPa時，剪應(yīng)力隨著剪切應(yīng)變的增大快速上升，達(dá)到峰值后逐漸下降，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征。此外，3種骨料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均出現(xiàn)了不同程度的波動。在相同豎向應(yīng)力下，峰值剪應(yīng)力大小順序?yàn)椋禾烊淮止橇?再生混凝土粗骨料>再生磚混粗骨料。

圖3 不同粗骨料應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

根據(jù)圖3，得到3種類型粗骨料的抗剪強(qiáng)度與豎向應(yīng)力的關(guān)系，如圖4所示。隨著上覆應(yīng)力的增大，3種粗骨料的抗剪強(qiáng)度均呈明顯的線性增長趨勢。利用庫倫抗剪強(qiáng)度理論對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，見表3。天然粗骨料、再生混凝土粗骨料、再生磚混粗骨料的黏聚力分別為9.3、14.6、21.55kPa，內(nèi)摩擦角分別為49.3°、45.2°、41.8°。

表3 抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線擬合公式

圖4 不同粗骨料抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

3 再生粗骨料剪切過程作用機(jī)理分析

圖5為再生粗骨料剪切過程機(jī)理圖，從圖5中可以看到：

圖5 再生粗骨料剪切過程示意圖

(1)由于粗骨料顆粒多呈棱角狀，顆粒間的摩擦并不是簡單沿表面的滑動摩擦，在受到剪切作用時骨料出現(xiàn)破碎，部分破碎的骨料粒徑較小，經(jīng)滑移、翻滾、重排等一系列過程填充了大粒徑骨料之間的空隙，這就使得骨料之間的摩擦咬合增強(qiáng)[16- 17]，因此在剪切過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線會出現(xiàn)小幅波動。

(2)再生粗骨料表面多附著砂漿，在剪切作用下，表面砂漿的脫落也會填充于骨料之間的縫隙，從而增加骨料之間的咬合摩擦[18- 19]，這也會導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線在剪切過程發(fā)生波動現(xiàn)象。

(3)剪切過程中，再生混凝土粗骨料的破壞以表面砂漿的脫落破碎為主，再生磚混粗骨料的破壞除了表面砂漿的脫落破碎之外，還有磚骨料的破碎，因此，再生磚混粗骨料在受到剪切作用時會產(chǎn)生較多的細(xì)粒料，再生混凝土粗骨料次之，天然骨料粗最少。細(xì)粒料越多黏聚力就越大，而且碎磚細(xì)粒的黏聚力大于砂漿顆粒的黏聚力[16]，因此3種粗骨料的黏聚力大小順序?yàn)椋涸偕u混粗骨料>再生混凝土粗骨料>天然粗骨料。

(4)由于粗骨料形態(tài)不規(guī)則，所以顆粒之間主要以嵌鎖咬合接觸為主，以此來平衡外部施加的作用力[20]。粗骨料的壓碎值越高，其抵抗外力的能力就越弱，骨料間的嵌鎖咬合作用就越低，從而內(nèi)摩擦角就越小。因此3種粗骨料的內(nèi)摩擦角大小順序?yàn)椋涸偕u混粗骨料<再生混凝土粗骨料<天然粗骨料。

4 結(jié)論

(1)天然粗骨料、再生混凝土粗骨料、再生磚混粗骨料表觀密度分別為2738、2550、2460kg/m3，吸水率分別為1.32%、6.13%、9.72%，壓碎值分別為4.72%、11.19%、19.92%。

(2)在相同豎向應(yīng)力下，天然粗骨料的峰值剪應(yīng)力最大，再生混凝土粗骨料次之，再生磚混粗骨料最小。天然粗骨料、再生混凝土粗骨料、再生磚混粗骨料的黏聚力分別為9.3、14.6、21.55kPa，內(nèi)摩擦角分別為49.3°、45.2°、41.8°。

(3)本文采用的再生粗骨料來自房屋拆除垃圾，研究成果能夠?yàn)閼?yīng)用類似骨料的再生混凝土、再生樁等工程的設(shè)計(jì)提供參考。在后續(xù)研究中，作者將深入分析其它來源的再生粗骨料以及再生細(xì)骨料的抗剪強(qiáng)度特性。