对建筑废弃物再利用的土体力学性能研究

魏文博 李建峰 黄笑蕴 梅海荣

(张家口市建设工程质量监督站,河北 张家口 075000)

0 引 言

张家口地区多山地,城市建设因地形受到较大影响,而且该地区存在黏土,在建设工程施工工程中表现出较多的问题,造成建筑不均匀沉降等引起的砌体开裂、楼板裂缝、门窗局部変形等影响,设计过程中应充分考虑地基承载力,对工程中地基土改良以及化学方法进行加强多有学者进行研究.赵润涛[1]采用化学改良剂对黏土进行改良通过添加不同比例水泥和石灰达到改良效果,结果表明改良效果明显.王丙杰[2]等通过对软黏土添加石膏和水泥进行改良,探究在干湿循环条件下改良土的含水率和干密度的变化,该方法提高黏土的水稳定性.吴家琪[3]等对近海口软黏土进行研究,对龄期和水泥掺量进行分析水泥改良软黏土的无侧限抗压强度进行研究,刘朋飞[4]采用液塑限研究不同改良剂对液塑限的影响程度,确定改良剂的地层适用性.朱莹莹[5]等通过水泥粉煤灰进行固化黏土提高力学性能,研究结果显示抗剪强度显著提升.学者对黏土的改良经常采用化学试剂及传统改良剂进行改良固化,效果均优于原状黏土.

本文采用建筑垃圾碎渣进行改良原状软黏土,通过添加不同掺量的建筑碎渣及石灰粉进行研究,对地区软黏土的开挖利用改良进行试验研究,推动地区经济发展,更好服务地方建设.

1 试验材料

试验采用取自张家口某建设工程项目施工开挖现场,对土样进行整理记录,采用烘干设备对土样进行烘干,确定土样基本力学参数如表1.试验用建筑碎渣取自某拆除施工现场,对建筑垃圾用碎渣进行粉碎研磨过4.75mm洗筛进行筛分,保留过孔颗粒并对区成分进行分析,如表2所示.石灰采用某品牌碳酸钙,试验前对石灰粉的组成成分进行测定,如表3所示.

表1 取样黏土力学参数

表2 建筑碎渣颗粒成分

表3 石灰粉成分测定

2 试验过程

试验采用无侧限抗压强度试验仪,试件制作过程中对试验方案进行确定,对不同掺量的配合比进行确定,对试件进行编号,对不同龄期的试件进行标养室养护,无侧限抗压强度试验参照规范[6],压力机制作50mm(直径)×50mm(高度)试件,脱模后放入标准养护室内(温度20±2℃,湿度≥95%)进行养护,标准养护7天.养护期最后一天将试件取出,然后放置于温度20±2℃的水中,水平面高于试件表面2.5cm,进行浸水试验,将试件浸水,24小时后取出,去除表面水分.为降低含水率对试验结果的影响,以最优含水率作为试验含水率;固化剂掺量会对最优含水率及最大干密度产生影响,确定最优掺量减小含水率及干密度对试验结果的影响,分别对掺量各混合料进行击实试验,由试验结果可知当掺量为8%～12%时干密度值变化范围较小.试验过程严格按照实验操作手册进行,过程如图1所示.

图1 无侧限抗压强度试验过程

3 试验结果分析

3.1 掺入建筑垃圾对土体的影响

通过对建筑垃圾碎渣的添加量进行对比分析(如图2),建筑垃圾碎渣轴向应力随着轴向应变的增加呈现增长趋势,达到最高峰值时呈下降趋势,随着建筑垃圾掺量的增加轴向应变亦在增加,并不呈现逐步增长趋势,当建筑垃圾碎渣掺量达到15%时轴向应力应变达到最大值,故当建筑垃圾碎渣达到15%时可以实现较好的应力效果.

图2 建筑垃圾对土体轴向应力应变影响

当建筑垃圾碎渣掺量不变的情况下,探究龄期对强度的影响,采用无侧限抗压强度试验对不同养护龄期试件进行强度试验,强度结果如图3所示.建筑垃圾碎渣掺量在养护龄期增加的情况下,抗压强度增加,而且掺量不同养护龄期对抗压强度的影响呈现正相关,呈增长趋势.当掺量为15%时,随着养护龄期的增长土体抗压强度增幅较大,表现最明显,养护龄期不同的情况下,掺量为15%可以到达最优的效果.建筑垃圾碎渣加入到软黏土中,建筑垃圾碎渣包括的小颗粒物质填充到软黏土中提高软黏土的粘结力和摩擦力,抑制土体变形的发展,提高土体的力学性能.

图3 养护龄期对强度影响

3.2 掺入石灰粉对土体的影响

探究石灰粉对软黏土的影响,将试件放置标养室7d,经过养护后的试件轴向应力应变试验,试验结果如图4所示.石灰粉对土体的影响随着轴向应力的增大先升高后降低,且随着石灰粉掺量的增加,土体能够承受的轴向应力也不断升高,其中添加5%石灰粉的土体最为显著;而随着石灰粉掺量的增加,土体承受轴向应变的能力减弱,且在下降阶段速率增快,掺量为5%的土体最为明显,说明在掺入石灰粉后虽然土体承受轴向应力更强,但土体延性降低,土体的脆性破坏更加明显.

图4 石灰粉对土体轴向应力应变影响

为探究掺入石灰粉后土体养护龄期对抗压强度的影响,采用无侧限抗压强度试验对不同养护龄期试件进行强度试验,试验结果如图5所示.掺入石灰粉的土体随养护龄期增加,抗压强度增加,且随着掺量百分比含量的增加,在相同养护龄期下,土体的抗压强度有所提高.当掺量为5%时,养护龄期对抗压强度的影响最大.在养护龄期不同的情况下,掺量为5%能够承受最大的抗压强度.因此在土体中适当掺入石灰粉可以有效提高土体抗压能力,提高土体力学性能.

图5 养护龄期对强度的影响

3.3 两种掺料对土体的综合影响

结合上述内容分析土体混合建筑垃圾和掺入石灰粉对应力应变的影响,控制土样养护龄期为七天,分析结果如图6.由图6可知,土样养护期为七天时,混合建筑垃圾和掺入石灰粉的土样轴向应力均大于素土.由(a)、(b)、(c)三图分别可知,当土体掺入石灰粉为5%,加入10%建筑垃圾时,土体能够承受的轴向应力最大;当土体掺入石灰粉为5%,加入15%建筑垃圾时,土体能够承受的轴向应力最大;当土体掺入石灰粉为4%,加入20%建筑垃圾时,土体能够承受的轴向应力最大.当建筑垃圾掺入比例为10%时,加入石灰粉的土样达到轴向应力的峰值速率要明显快于素土,之后下降趋势也更加快速,当建筑垃圾掺入比例为15%时,这种趋势减缓,当建筑垃圾掺入比例为20%时,这种趋势几乎不存在,但总体来说达到轴向应力极限值所用时间高于素土.且三图对比发现,当土体掺入石灰粉为4%,加入20%建筑垃圾时,土体能够承受的轴向应力最大.

(a)10%建筑垃圾混合土 (b)15%建筑垃圾混合土

(c)20%建筑垃圾混合土图6 7天养护龄期下不同比例建筑垃圾和石灰粉混合土样的应力应变曲线

图7综合分析在不同养护龄期下在土体中掺入相同比例的建筑垃圾与石灰粉时土样的应力应变变化规律.分别分析(a)、(b)、(c)三张图发现,当建筑垃圾掺入比例一定时,掺入石灰粉含量越高,土体抗压强度越高,但当建筑垃圾掺入比例达到20%时,掺入4%的石灰粉含量土体抗压强度大于掺入5%石灰粉的抗压强度.而当土体掺入建筑垃圾比例一定时,随着掺入石灰粉含量的增加,土体抗压强度有所提升,但提升并不明显.养护龄期在一定程度上确实可以提升土体的无侧限抗压强度,但掺入一定比例的建筑垃圾和石灰粉后能够提升土体更多的无侧限抗压强度.总体分析发现,当掺入20%建筑垃圾以及4%石灰粉时,土体抗压强度提升最多.

(a)10%建筑垃圾掺入石灰粉 (b)15%建筑垃圾掺入石灰粉

(c)20%建筑垃圾掺入石灰粉图7 两种掺入物在不同养护龄期下对土样无侧限抗压强度的影响

综上所述,在土体中同时掺入一定比例的建筑垃圾和石灰粉,能够有效提升土体的无侧限抗压强度,并且当掺入20%建筑垃圾以及4%石灰粉时,土体抗压强度提升最多,可以作为最优方案.加入石灰粉能够提升土体极限抗压强度,但会降低土体延性.掺入建筑垃圾不能明显提升土体抗压强度,但可以弥补掺入石灰粉带来的不足,两者相结合能够发挥更好作用.

4 结 论

(1)将建筑垃圾掺入土体中不能有效提升土体抗压强度,但有助于提高土体延性.

(2)将石灰粉掺入土体能够有效提升土体无侧限抗压强度,但会削弱土体延性.

(3)将建筑垃圾和石灰粉共同掺入到土体中,二者掺料能够互补,提升土体无侧限抗压强度.

(4)当掺入20%建筑垃圾以及4%石灰粉时,土体抗压强度提升最多,若能够适当延长养护龄期则能够达到最好效果.

综上可知,在黏土中掺入一定比例的建筑垃圾和石灰粉,能够提升黏土的力学性能,也为建筑垃圾的处理提供了新的研究方向.但考虑到实际工程各种复杂的环境因素以及工期进度,工程造价等人为因素,本研究仅提出一种新的方向,具体效果还需进一步在工程实践中验证.