甘曉潔 海南省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司

1.引言

隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、道路改擴(kuò)建產(chǎn)生的建筑垃圾日益俱增。近幾年年產(chǎn)量約為 18-26 億噸，而消耗量僅為0.8-1.3 億噸，資源利用率不足5%，目前的存量已達(dá)到200多億噸。占城市垃圾的比例約為40%，建筑垃圾主要有三類來源：舊建筑拆除（58%）、新建筑施工（3 6%）、新建筑裝修（6%）。因缺乏完善的管理辦法和有效可行的處置技術(shù)，絕大部分建筑垃圾被露天堆放或簡易填埋，影響城市環(huán)境、破壞生態(tài)環(huán)境，造成嚴(yán)重的社會問題。

水工結(jié)構(gòu)建設(shè)對于土石等原材料存在巨大需求。但出于環(huán)保的要求，政府對開山采石做出了嚴(yán)格限制?？梢灶A(yù)見，未來水工結(jié)構(gòu)建設(shè)所需的土石等原材料將面臨嚴(yán)重短缺。因此，將建筑垃圾經(jīng)處理后補(bǔ)充或替代天然土石料用于水工結(jié)構(gòu)填筑既能緩解垃圾圍城的問題，又能有效解決開山采石導(dǎo)致的環(huán)境污染等問題，是促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施綠色化和固廢資源化的有力舉措。基于此，以海南省海口市拆除建筑垃圾為研究對象，在分析建筑垃圾再生材料基本性質(zhì)的基礎(chǔ)上，將建筑垃圾再生材料作為水工結(jié)構(gòu)骨料，在考慮研究區(qū)域氣候特征的條件下，研究不同含水率條件下建筑垃圾骨料的力學(xué)特性。

再生骨料的性能在一定程度上決定了其用途，部分學(xué)者已對再生骨料的性能進(jìn)行了相關(guān)研究。徐亦冬等采用試驗研究了再生骨料的物理指標(biāo)，與傳統(tǒng)天然骨料對比發(fā)現(xiàn)再生骨料的吸水率與壓碎值均較大。郭遠(yuǎn)臣等研究了再生骨料的表觀密度、壓碎值、吸水率等性質(zhì)，并證明了再生骨料的質(zhì)量在一定程度上取決于原生建筑材料的強(qiáng)度。李瀅等將再生骨料與天然骨料進(jìn)行比較分析，分別對比了顆?？紫堵省⑽屎蛪核橹?。范煒等通過試驗得出再生骨料的磨耗值，并分析了表觀密度、吸水率、壓碎值和磨耗值四個指標(biāo)方面。Hasaba研究發(fā)現(xiàn)再生骨料的吸水率，通過試驗證明了再生骨料的吸水率約為 11%。Arisha等研究了建筑垃圾用于路基骨料的可行性，研究發(fā)現(xiàn)與原始骨料相比，再生骨料具有更好的性能。Kolay等指出當(dāng)再生材料和原生材料的級配相同時，具有相似的物理力學(xué)性能，說明了將再生骨料作為基層骨料，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

本文通過擊實試驗、壓縮試驗、直剪試驗等方法研究建筑垃圾再生骨料，分析不同工況下建筑垃圾再生骨料的物理力學(xué)特征。

2.試驗概況

2.1 試驗材料

建筑垃圾再生材料物質(zhì)組成復(fù)雜，主要包括混凝土塊、磚塊、石塊、水泥砂漿、木屑等。本文所用的建筑垃圾再生材料為海南省海口市城市改造產(chǎn)生的拆除建筑垃圾，多為磚混結(jié)構(gòu)。拆除建筑垃圾首先進(jìn)行消毒和人工初步分揀出雜物，接著用篩選設(shè)備進(jìn)行初篩，然后用破碎機(jī)進(jìn)行破碎，最后過篩后分別存放。其基本物理性能見表1，顆粒級配曲線如圖1。

表1 基本物理性能

圖1 建筑垃圾再生骨料顆粒級配曲線

2.2 試驗方案

1）擊實試驗。通過擊實試驗，研究不同含水率的建筑垃圾再生骨料的擊實特性，分別制備含水率為10%、12%、14%、16%、18%的再生骨料。試驗儀器采用ZLJ-I型擊實儀，擊實筒的直徑為100mm，高為127mm。先制備干燥土樣，并配置不同的含水率；反復(fù)攪拌使不同粒徑的顆?；旌暇鶆?，覆上保鮮膜，靜置24 h；將擊實筒內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，稱量擊實筒的質(zhì)量；將試樣均勻分3層進(jìn)行擊實，每層錘擊25下，每層擊實完畢需對試樣表面刮毛，在第3次裝樣前需安裝套環(huán)；擊實完畢后，取下護(hù)筒，刮除超出筒壁部分的土，將擊實筒外壁清理干凈，稱取質(zhì)量；在試樣的中心處取2點，收集土樣，質(zhì)量為20g，用于測量試樣的實際含水率w，計算試樣干密度，并將最大干密度對應(yīng)的含水率定義為最優(yōu)含水率。

2）壓縮試驗。分別對干燥狀態(tài)、最優(yōu)含水率狀態(tài)和飽和狀態(tài)的建筑垃圾再生骨料試樣進(jìn)行壓縮試驗，分析干濕狀態(tài)對骨料壓縮特性的影響，所用儀器為WG-1C型單杠桿中壓固結(jié)儀。圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8mm和20mm，控制試樣的壓實度為90%，對于不同的工況，分3層擊實制樣，將制備后的試樣直接安裝到固結(jié)儀里，調(diào)平后按照12.5、25、50、100、200、400、800 kPa順序分級加載，每一級加載24h后開始下一級加載，直至試驗完成。

3）直接剪切試驗。分別對干燥狀態(tài)、最優(yōu)含水率狀態(tài)和飽和狀態(tài)的建筑垃圾再生骨料試樣進(jìn)行直接剪切試驗，分析干濕狀態(tài)對骨料抗剪特性的影響，直剪試驗所用儀器為Z J型應(yīng)變控制式直剪儀，圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8mm 和20mm?？刂圃嚇拥膲簩嵍葹?0%，對于不同的工況，分4層擊實制樣，將制備后的試樣直接安裝到剪切儀里，施加2.4mm/min的剪切變形，當(dāng)剪切應(yīng)力出現(xiàn)峰值或剪切位移達(dá)到6mm停止加載，取剪應(yīng)力-剪切位移曲線中的剪應(yīng)力峰值作為試樣的剪切強(qiáng)度。試驗設(shè)置了4組正應(yīng)力：100、200、300、400kPa。

（2）不同狀態(tài)下的試樣的壓縮特性均表現(xiàn)出前期迅速增長、后期增速減慢的變形發(fā)展模式；飽和試樣的豎向變形顯著大于干燥試樣的豎向變形，最優(yōu)含水率的豎向變形處于飽和試樣與干燥試樣的豎向變形之間。

（3）內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢，試樣的內(nèi)摩擦角隨著含水率增大而減小，但粘聚力隨著含水率增大而減小。

3.試驗結(jié)果

3.1 擊實試驗結(jié)果

建筑垃圾再生骨料的擊實曲線如圖2，可以發(fā)現(xiàn)：骨料的最優(yōu)含水率約為14%，對應(yīng)的最大干密度為1.6g/cm。并且含水率較低時，試樣的干密度隨含水率升高而逐漸增大，表明試樣的擊實效果逐步提升；含水率達(dá)到最優(yōu)含水率之后，隨著含水率的進(jìn)一步升高，試樣干密度逐漸降低，即試樣的擊實效果逐步減弱，由此說明含水率可以明顯改變骨料的擊實特性。

圖2 建筑垃圾再生骨料擊實曲線

3.2 壓縮試驗結(jié)果

圖3給出了不同工況下試樣的壓縮曲線，可以發(fā)現(xiàn)：不同狀態(tài)下的試樣的壓縮特性均表現(xiàn)出前期迅速增長、后期增速減慢的變形發(fā)展模式；在其他試驗條件相同時，干燥狀態(tài)、最優(yōu)含水率狀態(tài)、飽和狀態(tài)試樣的豎向變形依次增大，即含水，這是因為飽和試樣顆粒表面水膜潤滑作用效果明顯，增加了試樣的可變形性能和適應(yīng)變形能力。

圖3 建筑垃圾再生骨料固結(jié)壓縮曲線

3.3 直剪試驗結(jié)果

圖4為試樣的抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)：在同一干濕狀態(tài)，試樣的抗剪強(qiáng)度隨著豎向正應(yīng)力的增大而線性增大。在相同正應(yīng)力作用下，含水率越大，抗剪強(qiáng)度越小，這表明水的存在可以顯著降低建筑垃圾再生骨料的抗剪強(qiáng)度。

圖4 建筑垃圾再生骨料直剪強(qiáng)度

為了進(jìn)一步分析含水狀態(tài)對建筑垃圾再生骨料抗剪特性的影響，依據(jù)圖4所示的抗剪強(qiáng)度與豎向正應(yīng)力的線性關(guān)系，根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計算得到試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力和內(nèi)摩擦角，如圖5所示?？梢钥闯觯簝?nèi)摩擦角、粘聚力與含水率狀態(tài)的關(guān)系表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢，試樣的內(nèi)摩擦角隨著含水率增大而減小，但粘聚力隨著含水率增大而減小，說明孔隙水對抗剪強(qiáng)度有一定的影響。這是因為，含水率增大，在骨料顆粒之間形成了水膜，顯著降低了試樣的內(nèi)摩擦角。另一方面，由于建筑垃圾再生骨料顆粒包裹的黏土遇水增大了顆粒間的黏性，一定程度提升了建筑垃圾再生骨料的粘聚力。

圖5 建筑垃圾再生骨料粘聚力和內(nèi)摩擦角

4.結(jié)論

針對不同工況下建筑垃圾再生骨料，通過擊實試驗、壓縮試驗、直剪試驗等方法研究骨料物理性質(zhì)，主要結(jié)論如下：

（1）骨料的最優(yōu)含水率約為14%，并且含水率可以明顯改變骨料的擊實特性。