废瓷砖用于道路路面路基的分析研究

赵维杰

（山西路桥第三工程有限公司，山西 忻州 034000）

0 引言

许多工业化国家都有大量粉煤灰、石粉、塑料、玻璃、橡胶、金属屑以及各种建筑和拆除废物等废料资源。瓷砖和其他陶瓷产品在内的陶瓷材料在建筑废料和拆除废料中占比最大。每年约有25万t瓷砖磨损，在住房领域会产生大量的废瓷砖，废瓷砖的堆放构成环境污染。当前废瓷砖的处置方法是填埋，造成难降解等问题，主要是缺乏标准及缺乏使用废瓷砖的经验和知识。实际上，瓷砖是由高百分比黏土矿物的天然材料制成的，在700°C至1 000°C的温度下烧制后，黏土矿物获得了烧制黏土的特性。因此，废瓷砖可以回收并在其他领域发挥积极作用[1-4]。

随着对建筑路基设计和建筑材料的需求不断增加，有必要从工业废料以及生活垃圾和可回收材料中探索建筑替代材料。因为路基材料通常是碎石，需耗人力进行开采，而且相对昂贵。尽管发现将再生瓷砖材料再利用来生产混凝土是废弃瓷砖可持续管理的可行替代方法，但尚无废弃瓷砖颗粒在道路路面路基设计中的研究[5-6]。本文旨在评估废弃的瓷砖颗粒与土壤的性能，以用作路基材料。这项研究的结果可能有助于增加废瓷砖的再利用量，减少废瓷砖的倾销率和不可再生资源的消耗，促进可持续建筑，从而减少对环境的污染。

1 试验研究

1.1 材料

用于测试的材料是低塑性黏土（CL）型土壤、废瓷砖和去离子水。土壤颗粒的比重为2.61，土壤的内摩擦角（φ）和内聚力（c）分别为22°和15 kPa。废瓷砖通过人工选择了介于19.0～0.075 mm之间等级的废瓷砖颗粒，颗粒的比重为2.42。D10、D30、D50和D60的大小分别约为1.0、3.8、7.5和9.5。均匀度系数和曲率系数分别为2.5和1.52。图1、图2显示了土壤颗粒的扫描电子显微照片（SEM）以及试验研究中使用的废瓷砖颗粒的照片。

图1 土壤的SEM图片

图2 废瓷砖颗粒的照片

1.2 测试仪器和样品制备

研究中使用的仪器有轴承比（CBR）测试仪、无侧限抗压强度仪（UCS）、压实度和里程表。不同尺寸的废瓷砖颗粒都遵循测试程序，以满足每个测试标准的要求。使用的CBR测试设备的测力环容量为28 kN，位移测量表精度为0.01 mm。在浸泡条件下，对土壤废瓷砖颗粒的混合物进行了CBR测试，并将结果与ASTM给出的测试结果进行了比较，以了解这种混合物作为具有变化的废瓷砖的路基材料的性能。用清洁土壤和具有废瓷砖颗粒的土壤以干重的5%、10%、15%、20%和30%的比率混合以研究样品的性能。在样品的底部和顶部放置两张滤纸，以防止在浸泡过程中细小材料从样品中流失。将样品在水浴中浸泡96 h以达到完全饱和，然后再进行CBR测量。通过标准活塞以1.25 mm/min的速率穿透2.54 mm、5.08 mm、7.62 mm、10.16 mm 和 12.70 mm的压力分散到压实的混合物中，获得混合物的CBR。

制备的混合物压制成直径为43.2 mm、高度为98.5 mm的两部分。通过施加压力来压实样品，该压力等于使用标准压实测试获得的压力。然后将样品从模具中取出，修整后放在UCS测试设备上，对每个样品进行实验室压实测试，以建立混合物的水分含量与单位重量关系。对每个样品进行里程表测试，以确定混合物中空隙率的变化。将干燥状态的混合物倒入具有薄层的模具中，然后将所需的水添加到样品池中使样品饱和。测试是在一系列配有外部线性位移传感器的常规里程表测试机中进行的。在研究过程中进行的固结测试方法是测量固结特性的标准方法，涉及试样的增量载荷（25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 和 800 kPa）。增量载荷是将垂直载荷的每日增量施加到刚性环中的浸没容器中，并通过底部和顶部的多孔石头进行排水。

2 结果和讨论

CL废瓷砖颗粒的性能受混合物中水量的影响极大。为了预测可能出现的故障，混合物中的水量对于道路建设非常重要。当将水添加到干燥混合物中时，每个颗粒都首先被吸附的水膜覆盖。继续加水时，水膜的厚度增加，颗粒彼此容易滑动。采用可塑性指数（PI）识别细粒土壤的行为。通过标准压实测试，研究不同含量废瓷砖的含水量与干重之间的重量关系。通过常规测试混合物的水含量与干燥单位重量的关系，测试的混合物的最大干燥重量从17 kN/m3增加到18.4 kN/m3，废瓷砖的含量从0%增加到30%。这是因为用比重相对较低的土壤颗粒代替了比重较高的废瓷砖颗粒。但随着废瓷砖的含量从0%增加到30%，最佳含水量值从17%降低到12.7%。图3、图4分别显示了最大干重和最佳含水量随废瓷砖量的变化。

图3 最大干重随废瓷砖颗粒含量的变化

图4 最佳含水量随废瓷砖颗粒含量的变化

图5显示了测试样品CBR值随含水量变化，废瓷砖的添加增加了废CL混合物的CBR值。最大干燥单位重量的增加使最大CBR值增大，从而导致用作路基材料的混合物的机械强度增加。这种压实混合物提供强度的原因还包括：废瓷砖与土壤之间的摩擦力、废瓷砖与土壤之间的互锁、废瓷砖具有较高的刚度、降低黏土的可塑性以及废瓷砖的级配。在含水量变化很小的情况下，废瓷砖含量较高的样品达到了最大CBR值。但是，废瓷砖含量少而含水量多的样品也达到了最大CBR值（图6）。主要是由于混合物中可用的CL颗粒具有出色的吸水能力。

图5 CBR值随含水量的变化

如果路基的CBR值小于2%，则通过将CBR值设为2%来进行人行道的设计，并在其中提供150 mm厚的覆盖层，除基地外使用最小CBR值为10%的材料。CL路基的CBR已被设计为8%。对于CBR值高于15%的路基，路基的厚度为150 mm。CL-废瓷砖颗粒混合物的复合基质也具有膨胀潜力。膨胀势用膨胀率表示，膨胀率定义为高度变化与样品原始高度的比率。在混合物中添加废瓷砖颗粒可有效控制溶胀潜力。各方向上产生的膨胀压力将调动CL和废瓷砖颗粒之间的界面力，进而抵消膨胀压力，从而降低了升沉。溶胀率从CL为2.69%降低到含有30%废瓷砖颗粒的土壤的1.48%。这是因为在更换非膨胀性的废瓷砖颗粒减少了膨胀性土壤中黏土的含量。

图6 废瓷砖含量对最大CBR值的影响

样品的初始刚度和峰值抗压强度值均随废瓷砖颗粒数量的增加而降低。黏土-废瓷砖颗粒混合物中相对较高的异质性导致强度降低，破坏面必须穿过试样中最薄弱的区域。此外，在混合物测试中，剪切过程中废瓷砖颗粒从侧面掉落。这种现象减少了可承受施加载荷的试样的横截面积，从而降低了强度。

土壤与水和废瓷砖之间的空隙率（e）的计示压力变化如图7所示。可以看出，由于样品的初始条件，其初始孔隙率值分散在相对较宽的谱带中。考虑到在里程表测试和文献研究中获得的测试结果，以这种方式制备的样品形成过程中，废瓷砖的物理特性可能导致较低的可压缩性。混合物中的CL颗粒和废瓷砖颗粒可以根据初始条件和外部施加的应力将它们重新排列为各种模式。混合物空隙的体积是由废瓷砖颗粒引起的空隙以及由于CL颗粒而引起的空隙。因此，晶间空隙率（es）可以表示晶间空隙的体积与废瓷砖颗粒的体积之比。当混合物的晶间空隙率等于废瓷砖颗粒的最大空隙率（即es=emax）时，可认为废瓷砖颗粒基体的直接颗粒-颗粒接触的建立。

图7 空隙率（e）随废瓷砖CL压力计的影响变化

3 结论

本文进行CBR、UCS、压实和固结测试等一系列深入的试验，探究了CL型土壤和废瓷砖混合物的性能变化。研究了掺有废瓷砖颗粒比例为0%、5%、10%、15%、20%的土壤性能。结果表明：样品最大干重随废瓷砖颗粒的增加而增加（从约17.3 kN/m3增至18.4 kN/m3），而最佳含水量则从约17%降至13%；废瓷砖的添加提高了混合物的CBR性能（从大约8%到14%），从而可使公路路面的设计厚度大幅度降低；样品的UCS峰值随废瓷砖颗粒含量的增加而降低（从540 kPa降至260 kPa）；溶胀率从CL为2.69%降低到含有30%废瓷砖颗粒的土壤的1.48%。这表明废瓷砖可用于路面路基层中。