水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用性能探究

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摘要：經(jīng)過一系列的試驗(yàn)，對水泥穩(wěn)定建筑垃圾的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性、水穩(wěn)定性等路用性能進(jìn)行了研究，并分析了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的最大干密度與最佳含水量間的關(guān)系，以及水泥含量對水泥穩(wěn)定建筑垃圾各項(xiàng)路用性能的影響。結(jié)果表明：水泥穩(wěn)定建筑垃圾的強(qiáng)度和剛度較高、抗凍性與水穩(wěn)定性較好，各項(xiàng)路用指標(biāo)均滿足規(guī)范對輕交通二級以下公路基層及底基層的材料要求。

關(guān)鍵詞：公路工程；建筑垃圾；路用性能；水泥；基層

1引言

目前，我國正處在城市建設(shè)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國目前因此產(chǎn)生的建筑垃圾約為25億t，這些數(shù)量巨大的建筑垃圾大多被簡單的露天堆放或是填埋處理后，不僅占據(jù)著有限的土地空間，又對環(huán)境產(chǎn)生較大的污染[1]。在建筑垃圾的再生利用方面，我國雖然取得了一系列的研究成果，但是建筑垃圾再生利用的標(biāo)準(zhǔn)不夠成熟[2]。國外對建筑垃圾再利用的研究比較早，美國的相關(guān)研究表明，建筑垃圾再生骨料的粒徑是影響建筑垃圾性能最主要的因素，當(dāng)存在較多的大粒徑再生骨料時(shí)，空隙較多導(dǎo)致再生骨料制成的混凝土強(qiáng)度較低[2]；日本在建筑垃圾利用方面，以“誰生產(chǎn)，誰負(fù)責(zé)”為原則，建筑垃圾的利用率在97%以上，同時(shí)日本對建筑垃圾制成混凝土的配合比、強(qiáng)度、耐久性，施工工藝等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[3]；德國針對建筑垃圾，開發(fā)了一種蒸餾燃燒工藝，將其中的各有效成分分離出來，并分別加以利用，產(chǎn)生的燃?xì)庥脕戆l(fā)電，剩下的破碎建筑垃圾物用于填筑道路路基以及人造景觀物[4]。本文通過一系列的試驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析了建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性能、水穩(wěn)定性能等路用技術(shù)指標(biāo)，為建筑垃圾在道路上的的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)上的支撐。

2原材料性質(zhì)

2.1水泥

水泥采用32.5＃的普通硅酸鹽水泥。

2.2建筑垃圾

建筑垃圾的路用性能主要由建筑垃圾的成分所決定，本文所采用的建筑垃圾主要來源于舊建筑物拆遷，建筑垃圾成分主要包括泥土、碎磚瓦、混凝土塊、砂漿、木材、鋼材等。在生產(chǎn)建筑垃圾再生集料的現(xiàn)場，一般設(shè)備主要有：風(fēng)選除雜設(shè)備、篩分設(shè)備、磁吸分揀設(shè)備、反擊式破碎機(jī)以及其他設(shè)備。對建筑垃圾中的混凝土塊、碎磚瓦等進(jìn)行破碎、篩分后，按規(guī)范要求的級配進(jìn)行摻配。建筑垃圾的壓碎值大于26%，所以不能直接用于高速公路、一級公路路面的基層，但可作為二級及二級以下公路路面的基層或底基層[5]。建筑垃圾再生集料與一般的天然集料相比，再生集料表面吸附著較多的水泥砂漿，并且表面上的開孔空隙比較明顯，同時(shí)在生產(chǎn)建筑垃圾再生集料時(shí)，對集料產(chǎn)生較大的沖擊作用，致使再生集料內(nèi)部有一定數(shù)量的微小裂紋，從而降低了集料的強(qiáng)度。但建筑垃圾再生集料中的微粉含量比天然集料高，并且微粉中有未水化的水泥顆粒和一些活性物質(zhì)，而這些物質(zhì)能夠在一定程度上改善了再生集料的路用性能。

3水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用性能

3.1標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)

當(dāng)建筑垃圾混合料中有較少的細(xì)顆粒時(shí)，混合料形成的結(jié)構(gòu)是骨架密實(shí)型，細(xì)顆粒懸浮在骨架空隙中，此時(shí)建筑垃圾混合料的干密度較小。當(dāng)細(xì)顆粒含量較多時(shí)，混合料難以形成骨架，此時(shí)混合料的強(qiáng)度較小。標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)的主要目的是確定水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生集料的配合比，即在最大干密度的情況，確定水泥穩(wěn)定建筑垃圾的最佳含水量，最終確定其配合比。在含水量比較小時(shí)，再生集料的干密度會隨著含水量的增大而增大。在含水量增大到一定程度時(shí)，干密度開始下降，含水量—干密度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)拐點(diǎn)處的干密度稱為最大干密度，拐點(diǎn)處的的含水量稱為最佳含水量[6]。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[6]中的方法，先確定水泥劑量，再取5~6份建筑垃圾再生集料，然后依據(jù)不同的含水量制備出再生集料混合料試樣，再按照規(guī)定的擊實(shí)功在試筒內(nèi)對混合料試樣進(jìn)行擊實(shí)，然后對擊實(shí)完成后的混合料試樣進(jìn)行稱重并測定其含水量，計(jì)算出干密度，最后在含水量—干密度坐標(biāo)系中依次描繪出各點(diǎn)，并連接成圓滑的曲線，曲線最高點(diǎn)對應(yīng)的含水量為最佳含水量，曲線最高點(diǎn)對應(yīng)的干密度為最大干密度。本文選取3%、4%、5%、6%、7%不同的五組水泥含量，分別測得在不同的水泥含量時(shí)，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的最佳含水量和最大干密度。水泥含量越大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的最佳含水量越大，而最大干密度變化不大。這主要是因?yàn)閾饺虢ㄖ械乃嗯c水反應(yīng)需要消耗一定量的水，又因?yàn)樗嘣诮ㄖ械暮亢苌伲越ㄖ淖畲蟾擅芏茸兓淮蟆?/p>

3.2水泥穩(wěn)定建筑垃圾無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范[7]中對水泥穩(wěn)定類材料基層或底基層的強(qiáng)度要求,當(dāng)水泥穩(wěn)定類材料作為輕交通瀝青路面底基層時(shí),其7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值應(yīng)大于或等于1.5MPa；而當(dāng)作為特重交通瀝青路面的基層時(shí),其7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值應(yīng)大于或等于3.5MPa。參照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程[8]，利用靜壓法來成型圓柱體試件，并使試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下濕養(yǎng)6d，在水中養(yǎng)護(hù)24h，最后進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)的前一天，先將試件置于水中24h，然后在試驗(yàn)前，將試件從水中取出，用濕潤的毛巾把試件表面的水分吸干，最后把試件放在萬能壓力試驗(yàn)機(jī)的升降臺上，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)控制加荷時(shí)的荷載速度為0.1kN/s~0.2kN/s,為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每一組采用9個(gè)試件，最終以9個(gè)試件測值的平均值作為每一組確定水泥含量下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。本文選取3%、4%、5%、6%、7%不同的5組水泥含量，分別測得水泥穩(wěn)定建筑垃圾在7d、28d、90d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，水泥劑量越大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，這是因?yàn)檩^多的水泥與水反應(yīng)產(chǎn)生了較多的水泥水化產(chǎn)物，與建筑垃圾集料一起逐漸形成一個(gè)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水泥漿體，這些水泥漿體最終將直接影響著水泥穩(wěn)定建筑垃圾的強(qiáng)度，同時(shí)隨著齡期的不斷延長，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的強(qiáng)度不斷增大，直至趨于穩(wěn)定。

3.3水泥穩(wěn)定建筑垃圾劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程[8]中的試驗(yàn)方法,將不同水泥含量3%、4%、5%、6%、7%的水泥穩(wěn)定建筑垃圾材料分別制作成標(biāo)準(zhǔn)試件,并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)生至90d齡期，最終測得試件的劈裂強(qiáng)度如表6所示。由劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)可以看出，二灰土的劈裂強(qiáng)度（一般為0.25MPa[9]）小于水泥穩(wěn)定建筑垃圾，而水泥穩(wěn)定建筑垃圾的劈裂強(qiáng)度小于水泥穩(wěn)定碎石（一般為0.5MPa），這是因?yàn)榻ㄖ旧砭哂幸欢ǖ膹?qiáng)度，水泥劑量越大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的劈裂強(qiáng)度越大，并且水泥含量增加1%，劈裂強(qiáng)度提高約8%~18%，這是因?yàn)檩^多量的水泥反應(yīng)產(chǎn)生了較多的水泥水化產(chǎn)物，而這種水泥水化產(chǎn)物對水泥穩(wěn)定建筑垃圾的劈裂強(qiáng)度有較大的影響。

3.4水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗壓回彈模量試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定建筑垃圾作為公路的基層及底基層材料時(shí)，承受著由路面面層傳遞下來的荷載作用，此時(shí)，水泥穩(wěn)定建筑垃圾不僅應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，也要有一定的抵抗基層及底基層變形的剛度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的試驗(yàn)要求，測得水泥穩(wěn)定建筑垃圾在不同水泥劑量下的抗壓回彈模量值。水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗壓回彈模量值與石灰碎石土（一般為700MPa~1100MPa[9]）相差不大，而比二灰砂礫的抗壓回彈模量值小（一般為1100MPa~1500MPa[9]）小。水泥含量越大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾抗壓回彈模量值越大。這是因?yàn)檩^多的水泥水化產(chǎn)生較多的具有膨脹結(jié)構(gòu)的水化產(chǎn)物，這些膨脹的水化產(chǎn)物填充于建筑垃圾的空隙之中，最終使得建筑垃圾再生集料具有一定的抵抗變形的能力[10]。

3.5水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗凍性能

位于寒冷地區(qū)的路面基層以及底基層不僅承受著荷載的作用，同時(shí)也承受著環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的影響，所以當(dāng)水泥穩(wěn)定建筑垃圾用于寒冷地區(qū)的路面基層及底基層時(shí)，還需要具有一定的抗凍性能。依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程[8]中的試驗(yàn)方法,測得水泥穩(wěn)定建筑垃圾在水泥含量分別為3%、4%、5%、6%、7%時(shí)的抗凍系數(shù)。水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗凍系數(shù)均大于60%，具有一定的抗凍性能，所以在修建中等以下寒冷地區(qū)的公路時(shí)，可以使用水泥穩(wěn)定建筑垃圾作為基層或底基層材料。水泥含量越大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗凍性能越好，且水泥含量每增加1%，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗凍系數(shù)約提高9.6%~13.0%。這是因?yàn)樗嗨a(chǎn)生的較多水化產(chǎn)物將建筑垃圾再生集料中的孔隙填充滿，從而使得水分難以進(jìn)入到建筑垃圾內(nèi)部中去，最終使水泥穩(wěn)定建筑垃圾具有一定的抗凍性能。

3.6水泥穩(wěn)定建筑垃圾的水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是公路路用性能的一個(gè)重要指標(biāo)，一般用水穩(wěn)定系數(shù)表示。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程[8]中的試驗(yàn)方法,一般先將水泥穩(wěn)定建筑垃圾試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d，其中包括最后1d的浸水時(shí)間，再經(jīng)過5次48h的自然風(fēng)干，然后又浸水24h的干濕循環(huán)，最后測得試件的抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d齡期測得試件的抗壓強(qiáng)度的比值。依據(jù)試驗(yàn)方法測得在水泥含量分別為3%、4%、5%、6%、7%時(shí)。水泥穩(wěn)定建筑垃圾的水穩(wěn)定系數(shù)越大，水泥含量每增加1%，水穩(wěn)定系數(shù)增大3%~6%。

4結(jié)語

本文經(jīng)過對水泥穩(wěn)定建筑垃圾進(jìn)行一系列系統(tǒng)的研究，得出了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性、水穩(wěn)定性等一系列的路用性能試驗(yàn)結(jié)果。①水泥穩(wěn)定建筑垃圾的強(qiáng)度和剛度均較高，在修建輕交通二級以下公路時(shí)，可以作為路面的底基層材料，如果要作為路面的基層材料時(shí)，水泥在水泥穩(wěn)定建筑垃圾混合料中的含量應(yīng)大于或等于6%。②水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗凍性與水穩(wěn)定性均較好，且水泥劑量越大，其抗凍性能與水穩(wěn)定性能均越好，水泥含量每增加1%，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗凍系數(shù)約提高9.6%~13.0%，水穩(wěn)定系數(shù)約提高3%~6%，且試驗(yàn)中的水泥穩(wěn)定建筑垃圾抗凍系數(shù)均大于50%，所以在修建中等以下寒冷地區(qū)的公路時(shí)，可以將水泥穩(wěn)定建筑垃圾用作基層及底基層材料。

參考文獻(xiàn)

[1]侯月琴，紀(jì)小平，張文剛，等.含建筑垃圾再生骨料的瀝青穩(wěn)定碎石的性能研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（10）:60－64．

[2]楊艷梅.國外城市垃圾處理經(jīng)驗(yàn)及對我國的啟示[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2014，（04）:15-18.

作者：游世驕 岳朋超 駱釩 王航 徐安 單位：長安大學(xué)公路學(xué)院