作者簡介：易 超（1989—），碩士，工程師，主要從事水務(wù)建設(shè)管理、結(jié)構(gòu)試驗檢測工作。

摘要：為研究建筑垃圾再生黏土磚骨料在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用的可行性及其對力學(xué)性能的影響，文章通過無側(cè)限抗壓強度與間接拉伸強度試驗，評估不同再生黏土磚骨料替代率對水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度與間接拉伸強度等力學(xué)性能參數(shù)的影響，并與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石進行對比分析。結(jié)果表明：再生黏土磚細骨料替代率越高，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度越低；隨著養(yǎng)生時間的變化，再生黏土磚細骨料對水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度的負面影響逐漸減小。

關(guān)鍵詞：道路工程；建筑垃圾再生；黏土磚骨料；水泥穩(wěn)定碎石；力學(xué)性能

中圖分類號：U416.214

0 引言

隨著城市化進程的不斷加速，建筑垃圾產(chǎn)生量也在逐年增加。據(jù)統(tǒng)計，我國每年的建筑垃圾總量已經(jīng)超過10×10⁹t，其中大部分被填埋或者直接傾倒于環(huán)境中。這不僅浪費了寶貴的資源，而且對環(huán)境帶來了極大的危害與負擔^［1］。為了緩解這種局面，研究人員開始不斷探索建筑垃圾的再生利用方法以減輕建筑垃圾對環(huán)境的影響^［2］。

目前，建筑垃圾再生材料已逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域的重要研究方向之一。再生黏土磚骨料作為一種新型再生材料，具有較好的環(huán)保性能、可塑性以及較低的生產(chǎn)成本等優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用^［3］。然而，對于建筑垃圾再生黏土磚骨料在水泥穩(wěn)定碎石中的應(yīng)用研究還比較少。將建筑垃圾再生黏土磚骨料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石路面基層中，可以為建筑垃圾再生利用提供新的思路^［4］。水泥穩(wěn)定碎石是一種重要的路基材料，通過加入一定量的水泥和其他材料形成復(fù)合材料，具有較好的力學(xué)性能和耐久性，因此，在道路等工程中得到了廣泛的應(yīng)用^［5］。

本研究旨在探討建筑垃圾再生黏土磚骨料在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用的可行性及其對力學(xué)性能的影響。通過試驗測試，本研究將評估不同再生黏土磚骨料替代率對水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度與間接拉伸強度等力學(xué)性能參數(shù)的影響，并與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石進行對比分析。

1 試驗概況

1.1 原材料

本研究所用水泥為快硬硅酸鹽水泥（P·O 42.5R），并測試其凝結(jié)時間和強度，符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的規(guī)定。路面基層混合料中水泥用量定為5%。本研究中用于水泥穩(wěn)定碎石（CSM）的天然骨料類型為破碎玄武巖骨料（BA）。建筑垃圾再生黏土磚（RCB）從某棚戶區(qū)拆遷現(xiàn)場的建筑垃圾中收集得到。首先對建筑垃圾進行處理以清除廢電線、木框架、玻璃等雜物；其次，使用顎式破碎機將回收的廢黏土磚破碎成顆粒，最大尺寸控制在31.5 mm；最后對RCB骨料進行清潔和篩分。不同骨料BA與RCB的表觀比重、吸水率、針片狀含量、壓碎值、液限和塑限指數(shù)等技術(shù)指標見表1，符合《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20-2015）（以下簡稱《技術(shù)細則》）。

1.2 級配設(shè)計和試件制備

水泥穩(wěn)定碎石的級配差異是影響其力學(xué)性能的一個主要原因。參考《技術(shù)細則》，基于工程經(jīng)驗確定骨料級配范圍和CSM級配曲線，如下頁圖1所示?？紤]到RCB骨料具有吸水率高、密度低和顆粒軟等特點，分別用RCB細骨料按照0、20%、40%、50%、60%、80%6種比例替代BA細骨料，并將其命名為CSM-RCB、CSM-RCB20、CSM-RSB40、CSM-RCP50、CSM-RC60和CSM-RCB80。

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）（以下簡稱《試驗規(guī)程》）中的C級重型壓實試驗方法（T0804-1994），按照圖1所示的骨料級配進行6個含水量等級的標準壓實試驗。將骨料和水泥充分混合后，分三層倒入圓柱形壓實機中且每層擊實98次。根據(jù)得到的干密度和含水量結(jié)構(gòu)，使用二次多項式擬合方法便可確定不同RCB替代率下CSM的最佳含水量（OWC）和最大干密度（MDD），將結(jié)果匯總?cè)? 圖2所示。根據(jù)MDD和OWC結(jié)果，按照《試驗規(guī)程》中的T0843-2009方法制備壓實度為98%的CSM圓柱形試件（?150 mm×150 mm），以測量無側(cè)限抗壓強度和間接抗拉強度。

1.3 力學(xué)性能試驗方法

1.3.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

根據(jù)《試驗規(guī)程》中的T0805-1994方法，通過2 000 kN液壓萬能試驗機（如圖3所示），分別對養(yǎng)生7 d、28 d、90 d、180 d后的CSM圓柱形試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗。將CSM圓柱形試件和球形支座放置在垂直加載中心，并以1 mm/min的速度加載直到試件損壞，同時記錄其最大荷載（P_C）。無側(cè)限抗壓強度（R_C）可以通過公式（1）計算得到：

1.3.2 間接拉伸強度試驗

根據(jù)《試驗規(guī)程》中的T0806-1994方法，使用如圖3所示的液壓萬能試驗機對養(yǎng)生90 d的CSM圓柱形試件進行間接抗拉強度試驗。將CSM圓柱形試件水平放置在夾具上，確保兩個板條放置在試件橫截面兩端，并垂直于液壓試驗機的升降平臺，然后以1 mm/min的速度穩(wěn)定加載直到試件損壞。根據(jù)記錄的最大荷載（P_T），間接抗拉強度（R_T）可以通過式（2）計算得到：

2 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果與分析

2.1 再生黏土磚骨料替代率對無側(cè)限抗壓強度的影響分析

如圖4所示顯示了不同RCB替代率下CSM試件在不同養(yǎng)生時間的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。根據(jù)圖4結(jié)果來看，無側(cè)限抗壓強度（R_C）隨著RCB替代率的增加而降低，而R_C值隨著養(yǎng)生時間的增加而增加。如圖4所示，在同一養(yǎng)生時間下，隨著RCB替代率的增加，各CSM試件的無側(cè)限抗壓強度總體呈下降趨勢。這是由于采用RCB骨料替代BA骨料，將在CSM-RCB 試件中的側(cè)面部位形成薄弱區(qū)域，從而使含有RCB骨料的CSM試件無側(cè)限抗壓強度較低。同時，CSM試件的無側(cè)限抗壓強度不僅與骨料的力學(xué)強度有關(guān)，還與界面過渡區(qū)的力學(xué)性能有關(guān)。在無側(cè)限抗壓試驗過程中，CSM試件的破壞通常從混合料界面或結(jié)合面之間的過渡區(qū)開始，骨料本身很少被壓碎。本研究中使用的RCB細骨料是通過建筑垃圾破碎產(chǎn)生，與天然BA骨料相比，RCB骨料的棱角性不明顯。因此，水泥砂漿形成的混合料界面過渡區(qū)咬合力會變?nèi)?，這將不利于含有RCB骨料的CSM試件無側(cè)限抗壓強度。隨著RCB替代率的增加，CSM試件內(nèi)部的這種弱界面過渡區(qū)也會相應(yīng)增加，因此，含有RCB骨料的CSM試件的無側(cè)限抗壓強度隨著RCB替代率的增加而降低。

2.2 養(yǎng)生時間對無側(cè)限抗壓強度的影響分析

如圖5所示為不同養(yǎng)生時間下CSM的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。值得注意的是，CSM-RCB試件的無側(cè)限抗壓強度增長規(guī)律與不含RCB骨料的普通CSM-RCB試件相似，不同RCB替代率下CSM試件的無側(cè)限強度變化趨勢基本相同。所有CSM試件的無側(cè)限抗壓強度在養(yǎng)生7 d后急劇增加，然后從28 ～180 d，其增長速度逐漸放緩。不同RCB替代率下的CSM試件的無側(cè)極限抗壓強度增長速度也不同。這可能是因為水泥和水反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物包裹了未水化的成分，導(dǎo)致無側(cè)限抗壓強度增強的趨勢放緩?？傊?，大多數(shù)CSM試件的早期無側(cè)限抗壓強度基本上都是在養(yǎng)生7 d后形成，養(yǎng)生28 d的CSM試件無側(cè)限抗壓強度可以達到養(yǎng)生180 d的CSM試件無側(cè)限抗壓強度的70%左右。這一結(jié)果表明，雖然RCB骨料對CSM試件的早期無側(cè)限抗壓強度有一定影響，然而RCB骨料對CSM試件的無側(cè)限抗壓強度的負面影響會隨著養(yǎng)生時間的延長而逐漸減小。這是因為在CSM試件中RCB骨料具有的火山灰作用，通常發(fā)生在水泥水化反應(yīng)的后期，并且火山灰反應(yīng)速率慢于水化反應(yīng)速率。

2.3 基于無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果的回歸分析

考慮養(yǎng)生時間和RCB骨料替代率，CSM試件的無側(cè)限抗壓強度可以通過回歸方法進行分析，從而確定其擬合方程為：無側(cè)限抗壓強度=2.886 1+1.240 9×ln（x）-0.015 9×y（R²=0.980 1），其中y為RCB替代率?；跓o側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果的擬合系數(shù)還表明，RCB骨料替代率對CSM試件的無側(cè)限抗壓強度有負面影響，但養(yǎng)生時間對無側(cè)限抗壓強度具有積極影響。如圖6所示，比較了CSM試件的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果的試驗值和預(yù)測值，基于無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果的回歸分析可用于無側(cè)限抗壓強度預(yù)測。

3 間接拉伸強度試驗結(jié)果與分析

如圖7所示給出了養(yǎng)生90 d時不同RCB替代率下CSM試件的間接拉伸強度性能試驗結(jié)果及其變化情況。由圖7可知，隨著RCB替代率的增加，CSM試件的間接拉伸強度總體呈上升趨勢。顯然，當RCB替代率從0變化到50%時，加入RCB骨料可以顯著提高CSM試件的間接拉伸強度；RCB替代率持續(xù)增加，但CSM試件的間接拉伸強度增長趨勢變得緩慢，最后趨于穩(wěn)定。與不含RCB骨料的CSM試件相比，RCB替代率為20%至80%的CSM試件在養(yǎng)生90 d后，其間接拉伸強度分別提高了17.3%、35.3%、54.7%、60.4%和62.6%。此外，圖7的結(jié)果還清楚表明，CSM試件的間接拉伸強度增長速度逐漸放緩。這一結(jié)果可歸因于火山灰反應(yīng)通常發(fā)生在水泥水化后，其反應(yīng)速度相對較慢，多發(fā)生在養(yǎng)生中后期。因此，在養(yǎng)生后期階段，即養(yǎng)生90 d，摻入RCB骨料的CSM的間接拉伸強度將進一步提高。

4 結(jié)語

建筑垃圾再生黏土磚骨料應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施水泥穩(wěn)定碎石路面基層中，為建筑垃圾的處理及再生利用提供了新的思路與解決方案。本研究通過無側(cè)限抗壓強度與間接拉伸強度試驗，探討了建筑垃圾再生黏土磚骨料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層的可行性，并分析了不同再生黏土磚骨料替代率對其力學(xué)性能的影響。試驗結(jié)果和結(jié)論如下：

（1）再生黏土磚細骨料替代率越高，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度越低。隨著養(yǎng)生時間的變化，再生黏土磚細骨料對水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度的負面影響逐漸減小。

（2）再生黏土磚細骨料替代率越高，養(yǎng)生后期90 d時的水泥穩(wěn)定碎石的間接拉伸強度就越大。

（3）本研究結(jié)果表明，建筑垃圾再生黏土磚應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石中是可行的，并且由于火山灰反應(yīng)通常速度較慢，多發(fā)生在水泥水化后的養(yǎng)生中后期，可以進一步提高水泥穩(wěn)定碎石的后期力學(xué)性能。

本研究對建筑垃圾再生黏土磚骨料在水泥穩(wěn)定碎石路面基層中的應(yīng)用具有重要的理論和工程意義，為再生黏土磚骨料在道路工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。因此，建議繼續(xù)推廣和應(yīng)用建筑垃圾再生黏土磚骨料，有助于解決建筑垃圾處理問題，提高資源利用效率，并降低原材料成本，以實現(xiàn)更好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

參考文獻

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收稿日期：2023-03-10