红砖建筑固废路基填料的路用性能研究

王 勇，时成林*，张 健，宋文祝

1 吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118 2 吉林省高速公路管理局长春管理分局,长春 130031 3 吉林省公路管理局,长春 130021

0 引言

资源紧缺、环境污染已成为制约我国可持续发展的重要因素.目前对于建筑固废的主要处理方法是露天堆积或填埋于地下，这不仅占用了大量的土地资源,对周边环境也造成了一定的影响.因此,利用建筑固废作为路基填料是资源化利用的一个重要方面.

姚志雄[1]、王新宇[2]、黄开正等[3]人在对建筑固废进行分析时,分别对其进行了击实和CBR等室内试验.结果表明，CBR值符合路基填料要求,且最佳含水率和最大干密度与粗颗粒含量有关.李少康[4]首先利用建筑固废的来源、物理性和可利用性对其进行分类,对建筑固废进行击实、CBR试验结果说明建筑固废是很好的路基填筑材料.韩保刚[5]、刘阳[6]、张威等[7]人研究发现原始建筑固废的级配不符合路基填料的要求,但是击实后的级配符合要求.商晓儒[8]对建筑固废分拣,将其分为砖和混凝土,之后对这两种材料进行性能研究,结果表明，建筑固废可以用于路基填筑且路用性能良好.

本文通过研究和总结国内外已有技术和成果,结合红砖建筑固废路基的室内试验,提出关于红砖建筑固废的技术指标;采用不均匀系数Cu和曲率系数Cc,对红砖建筑固废原始级配以及击实前后颗粒粒径的变化进行评价.

1 红砖建筑固废填料技术要求

1.1 材料加工

由于红砖建筑固废组成较为复杂,其中内部含有很多对工程不利的杂物,如塑料、木板、钢筋以及泡沫等,这些都需要通过人工和机器方式去除[9-11].对去除杂物后的建筑固废采用固定式鄂式破碎机进行破碎,即可满足路基施工的要求.根据建筑固废用于路基层位的要求,通过一定尺寸的筛孔进行溜筛处理,加工后最大粒径应符合红砖建筑固废对应路基不同层位的设计要求.

1.2 单质技术

在利用红砖建筑固废填筑路基时,需要了解关于红砖建筑固废单质材料各个物理性能指标,如吸水率、密度、承载比等，这些指标在室内试验和路基施工质量控制中发挥着重要的作用,为了更好地将建筑固废用于公路路基,首先进行了单质材料试验,结果见表1.

表1 红砖建筑固废材料的检测结果Table 1 Test results of red brick building solid waste materials

由表1可以看出，红砖建筑固废具有颗粒内部孔隙较大、吸水性高等特点,这是由于红砖建筑固废中含有棱角的废砖块以及废砂浆,砖块源于粘土烧制而成,各层红砖间的砌筑泥浆或砂浆的强度偏低,且砖的表面粗糙,内部含有许多大小尺寸的空隙,吸水能力强.红砖建筑固废的CBR值为132.79远大于规范对高速公路上路床承载比不得小于8 %的要求.可见,用现有的规范评价红砖建筑固废路基的承载比存在不合理性.因此,需要提出新的关于红砖建筑固废路基填料最小承载比指标.

2 红砖建筑固废室内试验分析

红砖建筑固废的颗粒组成对于路基的稳定性起到很重要的作用,需要研究不同级配对其路用性能的影响,同时为了满足土工室内试验中击实试验、CBR试验等对于材料粒径的要求,将室内试验所用的试样风干,之后进行破碎,破碎后的最大粒径不超过40 mm,根据粒径的大小分为大、中、小3种颗粒类型.对红砖建筑固废路基填料在不同配比下分别进行击实试验,了解其最佳含水率和最大干密度的变化情况.

2.1 筛分试验

首先对红砖建筑固废中大(≤40 mm)、中(≤19 mm)和小(≤13.2 mm)各档料进行初步筛分,其级配如图1所示.然后对比例为大∶中∶小=0∶2∶8,2∶0∶8,1∶2∶7,0∶4∶6,1∶3∶6,4∶0∶6的红砖建筑固废进行筛分,了解级配情况,试验结果如图2所示.

图1 各档料的筛分曲线Fig.1 Screening curves of each material

图2 不同配比下的筛分曲线Fig.2 Screening curves under different ratios

通过图1可以得出,红砖建筑固废中大颗粒与中、小颗粒的粒径相比差别较大,3种颗粒粒径之间没有出现断档现象,可以组成满足基层规范要求的级配曲线.通过对不同配比下红砖建筑固废的不均匀系数Cu与曲率系数Cc来对图2中的颗粒级配进行评价,结果见表2.

表2 各配比下的红砖建筑固废的级配情况Table 2 Gradation of red brick building solid waste under different proportions

根据表2发现红砖建筑固废中,大、中、小不同颗粒比例下的曲率系数均不满足Cc=1～3,说明其级配不良.这是由于红砖填料中粗颗粒偏多，其中比例为大∶小=4∶6的红砖建筑固废中小于4.75 mm的颗粒含量为28.1 %，属于骨架空隙结构[12],在实际填筑红砖建筑固废路基时,粗颗粒在碾压的情况下易碎;为了模拟现场碾压状况,对比例为大∶小=4∶6红砖建筑固废进行击实，前后级配变化的对比分析如图3所示.

2.2 击实试验

为了解粗颗粒含量对红砖建筑固废的最佳含水率以及最大干密度的影响,选用粗颗粒占比较大的比例大∶小=4∶6,以及粗颗粒占比较小的比例中∶小=2∶8的填料进行击实试验,结果见表3.

表3 红砖建筑固废的击实试验结果Table 3 Compaction test results of red brick building solid waste

根据表3的结果,可以得到中∶小=2∶8的最佳含水率为15.38 %,最大干密度为1.75 g/cm3；大∶小=4∶6的最佳含水率为15.14 %,最大干密度为1.77g/cm3,这两种比例的最佳含水率以及最大干密度的变化范围和差异性都较小.这是由于在击实时大、中颗粒的砖块极易被击碎,在击实完成后不同比例的红砖建筑固废填料中,其大、中、小颗粒的比例含量基本相同,导致了不同级配下红砖建筑固废的最佳含水率与最大干密度值变化不大.

2.2.1 击实前后颗粒分析

红砖填料中含有大量的大颗粒砖块,作为填筑路基的材料,受到外面的压力碾压和撞击时,颗粒很容易被破碎,其颗粒的形状以及大小极易发生改变，导致红砖的大、中、小颗粒的比例也会发生变化.因此,只对比例为大∶小=4∶6的红砖建筑固废进行击实试验,来分析级配的变化即可,试验结果如图3所示.

由图3可知,红砖材料在击实后,总体上颗粒的级配发生明显的变化,击实前小于4.75 mm的细集料通过率在28.1 %,击实后小于4.75 mm的细集料通过率在45.2 %,细集料在击实前后增长了61.5 %,其结构由骨架空隙转变为骨架密实.说明了通过击实,粒径较大的颗粒很容易转化为粒径小的颗粒,颗粒的总体粒径在减小.对击实前后的红砖建筑固废级配进行不均匀系数和曲率系数计算,计算结果见表4.

表4 红砖击实前后级配情况Table 4 Gradation of red brick before and after compaction

根据表4,能够发现在击实前红砖建筑固废中,大小颗粒之比为4∶6的曲率系数不满足Cc=1～3的要求.而击实后的红砖级配由不良状况转化为良好,大颗粒被击碎转化为小颗粒,小颗粒充分将粗颗粒间的空隙填满使填料总体变得更加的密实,对应的强度与稳定性也会提高.在进行实际路基填筑时，红砖建筑固废最大颗粒不易超过40 %；路基填料按照相应的比例，利用推土机进行充分搅拌后装车运送到施工现场；整平之后的路基表面若出现粗集料集中，应采用人工的方式进行细料填充.红砖建筑固废路基填料需要根据路基的不同层位进行分层填筑，并对每层容许的最大粒径进行相应的控制，使其在进行碾压后能够达到良好的压实效果；为了说明不同层位的压实状态，利用灌砂法和沉降差法对其进行压实度测量.

图3 红砖击实前后级配曲线Fig.3 Grading curves of red brick before and after compaction

图4 贯入量与CBR关系Fig.4 Relationship between penetration and CBR

2.3 CBR试验

CBR值是表达路基强度的一个重要指标,CBR也称为加州承载比, 是选择路基填料的一个重要依据.根据击实得出的最佳含水率和最大干密度,进行不同级配下的红砖建筑固废CBR试验.通过控制压实度来进行承载比试验,压实度的控制参数分别是96 %,93 %,90 %,分别代表路床、上路堤和下路堤,分析在路基填筑不同部位的控制参数.试验过程中同时记录两个贯入量的百分表,为了更准确地表达承载比值,当贯入量达到5 mm时,并未停止试验,而是继续记录贯入量,对红砖比例为大∶小=4∶6的填料进行CBR试验结果如图4所示.为了表述方便将压实度为96 %,93 %和90 %分别用A,B,C表示.

通过图4可知,在相同贯入量下,CBR值最大是A,其次是B,最小是C.红砖建筑固废的CBR值开始随着贯入量的增加而增大,在5 mm左右处不论A,B还是C,都有下降的趋势.因此,在5 mm左右时红砖建筑固废的CBR能够达到最大值.根据《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)可知,当贯入量为2.5 mm和5 mm时计算承载比,最终取较大者作为该材料的CBR值.通过试验证明红砖建筑固废的CBR最大值在贯入量达到5 mm左右取得,因此在进行承载比试验时,使读数能够到500×10-2mm(5 mm)即可,最后结果见表5.

表5 红砖建筑固废的CBR值、干密度以及膨胀量Table 5 CBR value, dry density and expansion of red brick building solid waste

从表5可以得出，随着压实度的增加,CBR值和膨胀量也随之增大.其中CBR值最小为33.69 %,因此不能用现有的规范来对此进行评价,需要提出新的关于红砖建筑固废路基填料最小承载比指标.膨胀量增大的原因是相同体积下,随着压实度的增加,质量变大,密度也增大.利用红砖建筑固废进行吸水率试验时,由于填料中砖含量较多使其吸水率增大,但填料总体吸水膨胀率小,仅仅介于2.3×10-4～3.1×10-4之间，原因在于和粘性土路基相比最佳含水率偏小,且红砖建筑固废属于骨架结构,骨架颗粒吸水没有膨胀，所以总体红砖建筑固废吸水膨胀量小.

3 结语

通过大量的室内试验分析，总结出关于红砖建筑固废填筑路基时的路用性能和设计指标,得出如下结论：

(1) 通过密度、吸水率以及液塑限等室内试验，表明红砖建筑固废具有颗粒内部孔隙较大,吸水性高等特点.

(2) 随着红砖大、中、小颗粒比例的变化,其最佳含水率变化范围并不是太大,差异性较小.其中小颗粒越多，其含水率越高,干密度减小.通过Cu和Cc能够发现比例为大∶小=4∶6的红砖建筑固废在击实前后级配由不良转化为良好.

(3) 承载比试验表明,红砖建筑固废的CBR值随压实度的增加而增加,且利用现有的规范评价红砖建筑固废路基的承载比存在不合理性.因此,提出新的关于红砖建筑固废路基填料最小承载比指标值不得低于30 %.