改性建筑废渣在路基工程中的应用

熊山铭， 贾彦武

（1.江西省赣南公路勘察设计院，江西 赣州 341000；2.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安 710065）

0 引 言

随着我国经济的快速发展，城市建设步伐的不断加快，大量废旧的建筑物面临被拆除，不可避免的产生了建筑废渣.据不完全统计，每年我国产生的建筑废渣超过20亿t[1]，建筑废渣的数量已占到城市垃圾总量的30%～40%.建筑废渣主要由混凝土、砂浆、砖块、木材和塑料等组成，与其他城市垃圾相比，其具有量大、无毒无害和可回收率高的特点.然而我国的建筑废渣绝大部分采用填埋的方式进行处理，在占用大量土地的同时也污染了环境.相比国外发达国家，我国建筑废渣的再生利用率仅为5%[2-4].

目前国内外专家学者对建筑废渣的回收和再利用问题进行了广泛研究，并已成功应用在道路路面或路基中.EKanayak等调查表明美国有超过20个州的公路修建使用了建筑废渣[5].Park T对建筑废渣应用于道路基层进行了大量试验，认为不同压实度、不同级配以及再生集料里掺入不同种类的混合料都对道路基层的粘结力和回弹模量等影响较大，而对填料的压实度影响相对较大，对级配则影响最小[6]；Poon等通过对建筑废渣含水量、颗粒级配和再生集料断裂能进行调整，并测其抗剪切力和抗压强度等指标，得出建筑废渣用于混凝土路面基层和底基层完全满足规范要求[7].齐善忠等以徐州市郭庄路工程为依托，通过现场碾压试验、弯沉试验和沉降观测等对建筑废渣应用于市政道路进行研究，并提出建筑废渣合理利用的结构形式和施工工艺[8-9].李少康提出了建筑渣土的分类方法和标准，同时结合西宝高速公路路基填筑工程，对应用建筑废渣的可行性进行研究，路基填筑完成后进行工后沉降观测，获得了建筑废渣路基的沉降规律[10].

城市在快速发展的同时也产生了大量的建筑废渣，如何有效地回收和再利用建筑废渣是当前环境可持续发展的途径之一.文章以陕西西咸北环线高速公路路基填筑试验段为依托，分析了建筑废渣的颗粒组成及最佳含水率等物理特性，通过使用石灰对建筑废渣进行改性，将其应用于路基后进行现场弯沉和回弹模量测试，论证了建筑废渣作为路基填料的可行性[11-13].

1 建筑废渣室内试验

1.1 筛分试验

工程现场的建筑废渣主要由砖块与灰浆组成，砖为普通MU10#红砖，规格以24 cm×11.5 cm×5.5 cm为主，灰浆为水泥、石灰和砂的拌和物.经现场取样3组进行测试，灰浆与砖块的体积平均比约为15.7%.由此可见建筑废渣中原有灰浆的含量相对较少，且灰浆破碎而产生的填料已丧失活性，即使砖渣在碾压破碎过程中还会产生少量细小颗粒，但细料的比例依然还是非常有限的.在对建筑废渣现场取样后进行了试样筛分试验，建筑废渣筛分结果如图1所示，可以看出渣土颗粒中小粒径的较少，细料含量少.因此需对其进行一定的处理待细料含量到一定程度时才能满足路用要求.

图1 建筑废渣筛分曲线

1.2 击实试验

对含水量不同的建筑废渣进行击实试验，得出干密度随含水率变化的规律.试验中严格按照《公路土工试验规程》中确定的参数进行试验操作，即首先选取击实次数为98次，击实层数为3层的方法制备试件[14]，进一步的可测得试件的干密度以及含水率.最终可确定建筑渣土经击实后含水率与干密度的关系.根据含水率与干密度的曲线变化关系进而确定最大干密度对应的含水率即为最佳含水率.经测试后建筑废渣的最佳含水率在15%～16%之间，施工中可按此含水率进行初步压实.

1.3 加州承载比试验

为合理的评价建筑废渣作为路基填料时的强度，本次进行了加州承载比试验.按照击实试验参考的方法在最佳含水率条件下将试样压实成型，试样浸水96 h后进行加载试验，得到建筑废渣的加州承载比值.本次共选取3个试样，在针入度为2.5mm时其值分别为39.6%，23.1%和39.4%，平均值为34%；当针入度为5.0 mm时其值分别为48.3%，37.7%和43.0%，平均值为43.0%.可以看出将建筑废渣作为路基填料时强度远远高于满足道路的相关规范要求[15].另外浸水96 h后试样的膨胀率仅为0.017%.可见建筑废渣的强度和水稳定性能满足路基填料要求.

2 石灰改性建筑废渣试验分析

2.1 改性方案

在建筑废渣现场取样，并以4.75mm为限将建筑废渣土样分为粗料和细料两部分.试验选取石灰与建筑废渣细料的配比为8%、10%、12%和14%，在4种配比下分别研究干密度随含水率变化的规律，从而确定最佳含水率和最大干密度.制备尺寸为Φ×h=50mm×50mm的试件，进行加载测试其7 d和28 d的浸水无侧限抗压强度，获得石灰的最佳掺入比值.最后将掺有石灰的建筑废渣细料和粗料按 3∶7、4∶6 和 5∶5 进行不同配合， 制备尺寸为Φ×h=100mm×100 mm的试件，再次测试试件7 d和28 d无侧限抗压强度，最终确定建筑废渣细料和粗料的最佳配比.

2.2 试验结果分析

由于本工程试验参考了类似工程中改性材料的配比经验[7]，因此初步选取了掺灰比例为8%、10%、12%和14%四组试验进行分析.表1为建筑渣废渣细料掺不同比例石灰的最佳含水率及最大干密度的试验结果，由表1可以看出建筑废渣细料的最佳含水率随石灰比例的增大而增大，而其最大干密度的值则随石灰比例的增大而减小.当掺灰比例为8%时密度虽然较大但含水率较低；当掺灰比例为14%时，含水率较高但密度较小，可能导致强度不足.而当掺灰比例为10%和12%时试件的含水率相对较高且密度较大，因此可初步选取掺加10%和12%两种比例石灰的试件分别测其7 d和28 d的抗压强度，从而确定石灰的最佳用比.

表1 不同石灰比例试最佳含水量和最大干密度

针对石灰比例为10%和12%两种工况分别进行三组试验，当比例为10%时，3个试件的7 d无侧限抗压强度平均值为0.993 MPa，28 d抗压强度均值为2.128 MPa.当比例为12%时，3个试件的7 d无侧限抗压强度平均值为0.994 MPa，28 d抗压强度均值为2.660 MPa.由试验数据可知，建筑废渣细料中掺加不同比例的石灰时，无侧限抗压强度不同，石灰比例为12%的试件，其7 d和28 d抗压强度均高于比例为10%的试件，因此选取石灰比例为12%建筑渣土细料为改性材料.

在石灰比例为12%的条件下将建筑废渣细料与粗料按 3∶7、4∶6 和 5∶5 进行配比.制备试件的尺寸为Φ×h=100mm×100mm.待养护成型后，进行无侧限抗压强度试验.试验结果发现，当配合比为3∶7时，试件1#、2#和3#的7 d抗压强度平均值为0.556MPa，28 d抗压强度平均值为1.149MPa（以下配比所得抗压强度值均为平均值）.当配比为4∶6时，试件1#、2#和3#的7 d无侧限抗压强度为0.610 MPa，28 d无侧限抗压强度1.084 MPa.当配比为5∶5时，试件1#、2#和3#的7 d无侧限抗压强度为0.488 MPa，28 d无侧限抗压强度1.067 MPa.上述分析可以看出当石灰比例为12%，建筑废渣填料试件的7 d无侧限抗压强度在配比为4∶6时最高，平均值为0.61 MPa，试件28 d的抗压强度在3∶7时，强度平均值为1.149 MPa.参考公路路基设计规范，填筑材料的强度完全满足各等级公路要求[15].从以上数据看，实际中采用3∶7的配比是最为合适的.

3 工程应用

3.1 工程概况

陕西西咸北环线高速公路，全长约122 km，路线起止点为临潼区零口镇和于户县谷子硙.该工程是国内首次大规模综合利用建筑垃圾再生材料到高速公路的项目.全线填方设计段总填方1333.41万m3，而周边建筑废渣储量约903万m3.在工程建设时选取了西吴枢纽立交匝道作为试验段进行分析，同时选用上述石灰与建筑废渣细料与粗料的研究配比进行路基的填筑压实.路基填筑完成后进行了回弹模量和弯沉测试分析，用以评价建筑废渣及经石灰改性后渣土填料的路用性能.路基现场的建筑废渣如图2所示.

图2 路基现场的建筑废渣

3.2 施工工艺及控制

路基的压实度及压实效果与填料特性、压实机具的选择以及压实遍数和松铺厚度等有关，因此结合工程现场合理选择施工工艺及施工参数，严格控制施工中各阶段的循环节点是保证路基施工质量的重要手段.经现场试验段进行试验后，同时考虑到平整度检测、相对沉降值观测等，最终路基施工采用羊角碾为主，配以光轮压路机进行组合碾压.路基现场首先进行焖料，后待含水量适中时，羊角碾继续碾压，碾压时由两边向中间碾压，碾压速度控制在3 km/h，轮迹重叠0.4～0.5m.碾压10遍后用平地机粗平，继续碾压，碾压18遍，待建筑垃圾颗粒直径基本小于3 cm后，按照路面横坡平地机精平，平轮压路机碾压2遍.此外路基松铺厚度控制为20 cm.施工过程中严格控制质量，待上一层填土层达到填筑要求后方可进入下一步施工[16-18].

3.3 弯沉测试

试验段各层土基顶面现场弯沉测试现场及结果如图3和图4所示.测试共选取第二层至第二十层填料层进行分析，第二、三层松铺厚度为30 cm，其它各层松铺厚度均设为20 cm，现场测试的弯沉值主要介于0.6～0.7mm之间，平均值为0.66mm，变异系数相对较小，表明各填料层在填筑完成后较为稳定.而第二、三层土松铺厚度较大，因此弯沉值较大.

图3 现场弯沉测试

图4 弯沉测试结果

3.4 回弹模量测试

回弹模量可通过现场弯沉值换算得到，根据公路路面基层施工技术规范规定，土基回弹模量和弯沉值的经验关系式如下[16]:

式（1）中：E′0为非不利季节回弹模量，MPa；E0为回弹模量，MPa；K1为季节影响系数，不同地域取值范围为 1.2～1.4，文中取 1.2；

土基弯沉与回弹模量回归方程为：

式（2）中：l0为土基顶面的回弹弯沉计算值，0.01mm；所以路堤回弹模量E0可近似取:

另一方面为探明路基填筑完成后的压实度情况，分析回弹模量随压实度变化的规律.由图5可知随着压实度的增大，回弹模量有增大的趋势，这也反映了现场路基压实度越大回弹模量越高，土基的弹性性能越好.从数据来看，土基的回弹模量介于 155～170 MPa，平均值为 160.84 MPa，压实度介于97.87%～98.5%，平均值为98.13%.

图5 压实度与回弹模量的关系

综上所述，各填土层在施工完成后其弯沉值较小、回弹模量较大且趋于稳定.此外由于建筑废渣作为路基填料目前应用的较少，无相关规范标准进行参考，参照碎石填料回弹模量，建筑废渣的强度能满足路基施工要求，建筑废渣作为路基填料是可行的.

4 结 论

1）通过室内试验分析，建筑废渣中细料含量相对较少，主要为骨架空隙结构；最佳含水率为15%～16%，加州承载比为43%时，强度较高，完全满足路用要求.

2）不同比例的石灰改性建筑渣土对土的特性影响较大.随着石灰比例的增大，渣土细料最佳含水率增大而最大干密度减小；确定了石灰改性建筑渣土的最佳配合比，即石灰剂量为12%，渣土细料与粗料比为3∶7时试件的28 d无侧限抗压强度达到1.149 MPa，此时填料强度最大，稳定性最好.

3）路基填筑完成后，现场弯沉试验表明路基的弯沉平均为0.66mm，回弹模量为160.84 MPa，压实度平均值为98.13%.其满足相关规范要求，说明建筑渣土作为路基填料具有可行性.今后可将建筑渣土进行广泛应用和推广.