应用于水工结构的建筑垃圾再生骨料力学性能研究

甘晓洁 海南省水利水电勘测设计研究院有限公司

1.引言

随着我国城市化进程的快速发展，城市基础设施建设、道路改扩建产生的建筑垃圾日益俱增。近几年年产量约为 18-26 亿吨，而消耗量仅为0.8-1.3 亿吨，资源利用率不足5%，目前的存量已达到200多亿吨。占城市垃圾的比例约为40%，建筑垃圾主要有三类来源：旧建筑拆除（58%）、新建筑施工（3 6%）、新建筑装修（6%）。因缺乏完善的管理办法和有效可行的处置技术，绝大部分建筑垃圾被露天堆放或简易填埋，影响城市环境、破坏生态环境，造成严重的社会问题。

水工结构建设对于土石等原材料存在巨大需求。但出于环保的要求，政府对开山采石做出了严格限制。可以预见，未来水工结构建设所需的土石等原材料将面临严重短缺。因此，将建筑垃圾经处理后补充或替代天然土石料用于水工结构填筑既能缓解垃圾围城的问题，又能有效解决开山采石导致的环境污染等问题，是促进基础设施绿色化和固废资源化的有力举措。基于此，以海南省海口市拆除建筑垃圾为研究对象，在分析建筑垃圾再生材料基本性质的基础上，将建筑垃圾再生材料作为水工结构骨料，在考虑研究区域气候特征的条件下，研究不同含水率条件下建筑垃圾骨料的力学特性。

再生骨料的性能在一定程度上决定了其用途，部分学者已对再生骨料的性能进行了相关研究。徐亦冬等采用试验研究了再生骨料的物理指标，与传统天然骨料对比发现再生骨料的吸水率与压碎值均较大。郭远臣等研究了再生骨料的表观密度、压碎值、吸水率等性质，并证明了再生骨料的质量在一定程度上取决于原生建筑材料的强度。李滢等将再生骨料与天然骨料进行比较分析，分别对比了颗粒孔隙率、吸水率和压碎值。范炜等通过试验得出再生骨料的磨耗值，并分析了表观密度、吸水率、压碎值和磨耗值四个指标方面。Hasaba研究发现再生骨料的吸水率，通过试验证明了再生骨料的吸水率约为 11%。Arisha等研究了建筑垃圾用于路基骨料的可行性，研究发现与原始骨料相比，再生骨料具有更好的性能。Kolay等指出当再生材料和原生材料的级配相同时，具有相似的物理力学性能，说明了将再生骨料作为基层骨料，具有一定的经济效益。

本文通过击实试验、压缩试验、直剪试验等方法研究建筑垃圾再生骨料，分析不同工况下建筑垃圾再生骨料的物理力学特征。

2.试验概况

2.1 试验材料

建筑垃圾再生材料物质组成复杂，主要包括混凝土块、砖块、石块、水泥砂浆、木屑等。本文所用的建筑垃圾再生材料为海南省海口市城市改造产生的拆除建筑垃圾，多为砖混结构。拆除建筑垃圾首先进行消毒和人工初步分拣出杂物，接着用筛选设备进行初筛，然后用破碎机进行破碎，最后过筛后分别存放。其基本物理性能见表1，颗粒级配曲线如图1。

表1 基本物理性能

图1 建筑垃圾再生骨料颗粒级配曲线

2.2 试验方案

1）击实试验。通过击实试验，研究不同含水率的建筑垃圾再生骨料的击实特性，分别制备含水率为10%、12%、14%、16%、18%的再生骨料。试验仪器采用ZLJ-I型击实仪，击实筒的直径为100mm，高为127mm。先制备干燥土样，并配置不同的含水率；反复搅拌使不同粒径的颗粒混合均匀，覆上保鲜膜，静置24 h；将击实筒内壁均匀涂抹凡士林，称量击实筒的质量；将试样均匀分3层进行击实，每层锤击25下，每层击实完毕需对试样表面刮毛，在第3次装样前需安装套环；击实完毕后，取下护筒，刮除超出筒壁部分的土，将击实筒外壁清理干净，称取质量；在试样的中心处取2点，收集土样，质量为20g，用于测量试样的实际含水率w，计算试样干密度，并将最大干密度对应的含水率定义为最优含水率。

2）压缩试验。分别对干燥状态、最优含水率状态和饱和状态的建筑垃圾再生骨料试样进行压缩试验，分析干湿状态对骨料压缩特性的影响，所用仪器为WG-1C型单杠杆中压固结仪。圆柱形试样的直径和高度分别为61.8mm和20mm，控制试样的压实度为90%，对于不同的工况，分3层击实制样，将制备后的试样直接安装到固结仪里，调平后按照12.5、25、50、100、200、400、800 kPa顺序分级加载，每一级加载24h后开始下一级加载，直至试验完成。

3）直接剪切试验。分别对干燥状态、最优含水率状态和饱和状态的建筑垃圾再生骨料试样进行直接剪切试验，分析干湿状态对骨料抗剪特性的影响，直剪试验所用仪器为Z J型应变控制式直剪仪，圆柱形试样的直径和高度分别为61.8mm 和20mm。控制试样的压实度为90%，对于不同的工况，分4层击实制样，将制备后的试样直接安装到剪切仪里，施加2.4mm/min的剪切变形，当剪切应力出现峰值或剪切位移达到6mm停止加载，取剪应力-剪切位移曲线中的剪应力峰值作为试样的剪切强度。试验设置了4组正应力：100、200、300、400kPa。

（2）不同状态下的试样的压缩特性均表现出前期迅速增长、后期增速减慢的变形发展模式；饱和试样的竖向变形显著大于干燥试样的竖向变形，最优含水率的竖向变形处于饱和试样与干燥试样的竖向变形之间。

（3）内摩擦角与含水率的关系表现出不同的发展趋势，试样的内摩擦角随着含水率增大而减小，但粘聚力随着含水率增大而减小。

3.试验结果

3.1 击实试验结果

建筑垃圾再生骨料的击实曲线如图2，可以发现：骨料的最优含水率约为14%，对应的最大干密度为1.6g/cm。并且含水率较低时，试样的干密度随含水率升高而逐渐增大，表明试样的击实效果逐步提升；含水率达到最优含水率之后，随着含水率的进一步升高，试样干密度逐渐降低，即试样的击实效果逐步减弱，由此说明含水率可以明显改变骨料的击实特性。

图2 建筑垃圾再生骨料击实曲线

3.2 压缩试验结果

图3给出了不同工况下试样的压缩曲线，可以发现：不同状态下的试样的压缩特性均表现出前期迅速增长、后期增速减慢的变形发展模式；在其他试验条件相同时，干燥状态、最优含水率状态、饱和状态试样的竖向变形依次增大，即含水，这是因为饱和试样颗粒表面水膜润滑作用效果明显，增加了试样的可变形性能和适应变形能力。

图3 建筑垃圾再生骨料固结压缩曲线

3.3 直剪试验结果

图4为试样的抗剪强度关系曲线，可以发现：在同一干湿状态，试样的抗剪强度随着竖向正应力的增大而线性增大。在相同正应力作用下，含水率越大，抗剪强度越小，这表明水的存在可以显著降低建筑垃圾再生骨料的抗剪强度。

图4 建筑垃圾再生骨料直剪强度

为了进一步分析含水状态对建筑垃圾再生骨料抗剪特性的影响，依据图4所示的抗剪强度与竖向正应力的线性关系，根据Mohr-Coulomb强度准则计算得到试样的抗剪强度指标粘聚力和内摩擦角，如图5所示。可以看出：内摩擦角、粘聚力与含水率状态的关系表现出不同的发展趋势，试样的内摩擦角随着含水率增大而减小，但粘聚力随着含水率增大而减小，说明孔隙水对抗剪强度有一定的影响。这是因为，含水率增大，在骨料颗粒之间形成了水膜，显著降低了试样的内摩擦角。另一方面，由于建筑垃圾再生骨料颗粒包裹的黏土遇水增大了颗粒间的黏性，一定程度提升了建筑垃圾再生骨料的粘聚力。

图5 建筑垃圾再生骨料粘聚力和内摩擦角

4.结论

针对不同工况下建筑垃圾再生骨料，通过击实试验、压缩试验、直剪试验等方法研究骨料物理性质，主要结论如下：

（1）骨料的最优含水率约为14%，并且含水率可以明显改变骨料的击实特性。