施戈亮 （湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰 442000）

1 引言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展和城市化步伐的加快，城市中大量的老舊建筑被拆除，產(chǎn)生大量的建筑廢棄物。我國(guó)建筑垃圾的產(chǎn)生量已占到城市固體廢棄物總量的30%～40%。拆除1m2的建筑物將產(chǎn)生0.5～1.0m2的建筑垃圾廢物[1]，每1萬(wàn)m2的施工過(guò)程將產(chǎn)生500～600t 的建筑垃圾廢物。2013-2021 年期間，我國(guó)建筑垃圾廢物的平均年產(chǎn)生量約為23.6 億t[2]。建筑垃圾廢物主要由金屬、混凝土、灰漿、磚塊、木材和塑料組成。理論上，與其他類(lèi)型的城市垃圾相比，建筑垃圾廢物具有很高的回收和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其中80%可以再利用。然而，迄今為止，中國(guó)生產(chǎn)的大部分建筑垃圾廢物都是通過(guò)簡(jiǎn)單的填埋或傾倒來(lái)處理[3]。其中唐博[4]在調(diào)整建筑垃圾的含水量和顆粒級(jí)配的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一系列抗剪強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)將這些材料應(yīng)用于混凝土路面基層/底基層是可行的。李小龍[5]發(fā)現(xiàn)，用作底基層材料的回收拆建廢料的最佳含水量高于天然骨料。牟春龍等[6]評(píng)估了水泥處理的建筑垃圾廢骨料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)彈性模量和間接抗拉強(qiáng)度，并得出該材料用作道路基層時(shí)具有良好的力學(xué)性能。侯夢(mèng)飛等[7]重點(diǎn)評(píng)估了使用建筑垃圾廢骨料作為瀝青混凝土底基層和基層的可行性。

以前的大多數(shù)研究都通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來(lái)分析建筑垃圾廢物的物理和機(jī)械性能，并證明其作為道路基層或底基層的可行性。迄今為止，關(guān)于建筑垃圾廢物用作城市道路路基材料的研究很少。此外，不同地區(qū)建筑垃圾廢棄物的力學(xué)性質(zhì)和工程特性不同，能否利用室內(nèi)試驗(yàn)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，尚需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文結(jié)合某市東部的三環(huán)路項(xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓實(shí)測(cè)試，以徹底評(píng)估建筑垃圾廢物作為城市道路路基材料的工程性質(zhì)。

2 工程概況

本研究中調(diào)查的拆建廢料來(lái)自某市東三環(huán)路中點(diǎn)附近的一個(gè)住宅拆遷點(diǎn)。最初估計(jì)拆建廢料的數(shù)量約為30 萬(wàn)m3，長(zhǎng)度約為700m。拆除后，拆建廢料表面的平均厚度約為3.0m。根據(jù)施工圖的設(shè)計(jì)要求，廢料處理區(qū)的道路設(shè)計(jì)為路堤結(jié)構(gòu)，填土高度為2.5～4.0m。為了減少環(huán)境污染和降低成本，本項(xiàng)目充分利用建筑垃圾廢料作為路堤填料。

3 結(jié)果與討論

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為了分析建筑垃圾填充料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后路堤的整體穩(wěn)定性，進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。本次試驗(yàn)共選取6 個(gè)試件，每個(gè)試件尺寸為150mm×150mm。試驗(yàn)時(shí)，填料含水率控制為最佳含水率（15.5%）。隨后將模型置于振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)，使最大干密度與現(xiàn)場(chǎng)碾壓后的最大干密度（1.81 g/cm3）一致。試件的壓實(shí)度控制在97%左右。最后，在恒定濕度條件下對(duì)成型試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。為了分析飽和水條件下路基的強(qiáng)度，在飽和狀態(tài)下進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.2 CBR試驗(yàn)

CBR 試驗(yàn)是一種應(yīng)用廣泛且適用于工程材料的滲透試驗(yàn)方法。本文對(duì)壓實(shí)后的路堤填料進(jìn)行了CBR 試驗(yàn)。壓實(shí)試驗(yàn)分為三層，每層壓實(shí)98 次。CBR試驗(yàn)是在試樣在水中浸泡4d 后進(jìn)行的，試驗(yàn)結(jié)果匯總在表2 中?？梢钥闯觯?dāng)貫入度為2.5mm 時(shí)，試樣1、2 和3 的CBR 值分別為38.6%、24.1%和41.4%。平均值為34.7%，貫入度為5.0mm 時(shí)，樣品平均值為43.0%。因此，建筑垃圾廢料強(qiáng)度填料符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2004）[8]的要求。

表2 CBR試驗(yàn)結(jié)果

3.3 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)

對(duì)地基的壓實(shí)度進(jìn)行嚴(yán)格控制，對(duì)提高路基的整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性具有十分重要的意義。壓實(shí)度應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，這是確保充分壓實(shí)和避免過(guò)度使用壓實(shí)能量的必要條件，以確保粒徑不會(huì)變得太小而無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)級(jí)配或阻止填料的最終壓實(shí)度滿(mǎn)足要求。在現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的固化，使復(fù)合材料達(dá)到中等含水量，然后使用尖頭壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)。先沿兩測(cè)再向中間進(jìn)行碾壓，碾壓速度控制在大約3km/h。車(chē)輪重疊0.4～0.5m、當(dāng)建筑垃圾被碾壓10次時(shí)，根據(jù)目視檢查，顆粒尺寸更大，如圖1（a）所示。垃圾碾壓18遍后，建筑垃圾粒徑小于3cm，如圖1（b）所示。確定了少量未破碎的鋼筋混凝土砌塊，并對(duì)其進(jìn)行了兩次平輪碾壓，路堤填料總共碾壓了20次，如圖1（c）所示。

圖1 碾壓后路基試驗(yàn)段的變化

3.4 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)和篩分試驗(yàn)

第2～5 層骨料用于篩分試驗(yàn)，每層填料均來(lái)自碾壓10～18 次的材料，測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。可以看出，在不同碾壓次數(shù)下，四層填料的組成基本相同，粒徑為0.07～4.00mm，級(jí)配曲線一致，說(shuō)明各粒徑組分的百分比相近。此外，振動(dòng)碾壓過(guò)程中的建筑垃圾廢渣中含有破碎顆粒。隨著碾壓次數(shù)的增加，級(jí)配曲線逐漸變陡，晶粒直徑分布更加均勻。此時(shí)粒徑尺寸增加到1.1～1.3mm，說(shuō)明建筑垃圾廢棄物中細(xì)小材料含量增加，路用性能提高。

圖2 級(jí)配曲線

3.5 建筑垃圾廢物的顆粒組成與壓實(shí)的關(guān)系

圖3為壓實(shí)度與拆建廢料顆粒組成之間的關(guān)系。當(dāng)壓實(shí)度低于88%，即在現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備的作用下，碾壓次數(shù)少于13 次時(shí)，拆建廢料的顆粒組成變化不顯著。當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到88%時(shí)，隨著碾壓次數(shù)的增加，顆粒組成發(fā)生變化，粗骨料被壓碎，細(xì)料含量顯著增加。

圖3 顆粒組成隨壓實(shí)度變化

上述現(xiàn)象主要是因?yàn)樵诘兔軐?shí)度下，建筑垃圾自身具有較大的孔徑，而孔隙體積的減少會(huì)導(dǎo)致建筑垃圾的壓縮；微粒自身的破裂和損壞不顯著。此外，當(dāng)壓實(shí)度較大時(shí)，隨著機(jī)械碾壓次數(shù)的增加，顆粒之間的接觸越來(lái)越緊密，粗骨料中的填料逐漸被破壞。

3.6 壓實(shí)度與含水量的關(guān)系

壓實(shí)度與含水量變化之間的關(guān)系如圖4 所示。由圖可知，當(dāng)含水量較低時(shí)，由于顆粒之間的摩擦較大，壓實(shí)度也較低。當(dāng)含水量在14.8%～16.0% 之間時(shí)，填料的壓實(shí)度在97%～99%之間，表明現(xiàn)場(chǎng)填料的最佳含水量為14.8%～16.0%，這也證實(shí)了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的正確性。當(dāng)含水量較高時(shí)，孔隙水會(huì)消耗部分壓實(shí)功，壓實(shí)效果也不明顯。

圖4 含水量變化

3.7 壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系

圖5為壓實(shí)度與試驗(yàn)路段碾壓次數(shù)之間的關(guān)系。第二層填料的厚度為30 cm，當(dāng)碾壓15～17 次時(shí)，壓實(shí)度仍然較小，機(jī)械力相對(duì)較弱，壓實(shí)效果不明顯。直到機(jī)器碾壓24 次才達(dá)到壓實(shí)要求。由此可知，這種方法效率低下，無(wú)法有效提高施工質(zhì)量。相同碾壓次數(shù)下，第3～6 層填料層的壓實(shí)度基本相同。在碾壓初期，填料的干密度迅速增加。例如，當(dāng)碾壓約10 次時(shí)，填料的壓實(shí)度約為78.5%；碾壓13次后，填料的壓實(shí)度提高到88%。然而，隨著碾壓次數(shù)的不斷增加，壓實(shí)度的增加速率有所下降。當(dāng)碾壓次數(shù)達(dá)到20 次時(shí)，填料的壓實(shí)度達(dá)到97%或以上；當(dāng)碾壓次數(shù)大于20 次時(shí)，壓實(shí)度沒(méi)有明顯變化。在實(shí)際施工條件下，間隔和壓實(shí)度要求不同，當(dāng)壓實(shí)度為93%時(shí)，可以滿(mǎn)足規(guī)范要求，此時(shí)的碾壓次數(shù)可以設(shè)置為15 次。如果壓實(shí)度要求為95%，則隨后可將碾壓次數(shù)設(shè)置為17 次。因此，在壓實(shí)機(jī)的情況下，合理控制碾壓次數(shù)具有重要的工程意義。

圖5 壓實(shí)次數(shù)與壓實(shí)度變化曲線

3.8 撓度變形和彈性模量分析

撓度和回彈模量是路基質(zhì)量評(píng)估的重要指標(biāo)。因此，在每層路堤最終填充后需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)撓度試驗(yàn)，并使用現(xiàn)場(chǎng)撓度試驗(yàn)獲得的撓度值獲得回彈模量。路基回彈模量和撓度值的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：E′0為非負(fù)季節(jié)性回彈模量（MPa）；E0為彈性模量（MPa）；k1是季節(jié)影響系數(shù)。土基沉降的回歸方程和回彈模量為：

式中：l0為土基頂部彈性模量的計(jì)算值，為0.01mm。因此，可以使用式（3）來(lái)估算路堤的彈性模量：

圖6為第2～20 層的場(chǎng)撓度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果。除第一層和第二層填料外（由于試驗(yàn)厚度的變化而改變了結(jié)果），撓度值較大，彈性模量值較低，其余各層厚度均為20cm，試驗(yàn)撓度值主要在 0.6～0.7mm 之間，平均值為0.66mm，變異系數(shù)為0.036，標(biāo)準(zhǔn)差為8.19。彈性模量主要在155～174MPa之間，平均為162.69MPa，變異系數(shù)為0.038，標(biāo)準(zhǔn)差為6.12，各試驗(yàn)段施工中撓度值和彈性模量較為穩(wěn)定。另外，考慮到目前對(duì)于建筑垃圾作為路堤填料的應(yīng)用研究較少，沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可參考。與碎石填料的彈性模量相比，該方法可以滿(mǎn)足路基施工的要求。

圖6 撓度和彈性模量變化曲線

4 結(jié)論

室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)建筑垃圾的含水量控制在15%～16%，碾壓前后建筑垃圾的細(xì)料和粗料質(zhì)量比分別為0.328 和1.1～1.2 時(shí)，壓實(shí)效果最好。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后，細(xì)集料含量大幅度提高，路用性能得到改善。

試樣在最佳含水量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值在0.85～0.62MPa 之間，平均值為0.74MPa。試樣的平均CBR 值為34.7%，滿(mǎn)足路基平整度的要求。

隨著碾壓遍數(shù)的增加，路堤填料的壓實(shí)度逐漸增大，壓實(shí)速率在初期增大，后期逐漸減小。在松散層厚度為20 cm時(shí)，建議壓實(shí)遍數(shù)控制在15～20 遍，可滿(mǎn)足壓實(shí)要求。