再生建筑集料公路路基建设适用性分析

闫立来

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032)

随着我国城镇化建设的加快，废弃建筑材料急剧增加，大量的建筑垃圾废弃一方面导致资源的严重浪费，另一方面建筑垃圾处置不当也将带来严重的环境污染隐患.因此，是否存在合理的建筑垃圾再生处置方案成为当前循环经济的热点议题之一[1,2].废弃建筑材料包括城镇化改造与建设中产生的废弃房建材料、废弃道路建筑材料等，主要包括废弃砖、废弃墙柱混凝土以及废弃钢筋、防水材料等.目前对于道路材料的再生利用已有了广泛的探讨，如陈峰等对水泥稳定碎石基层再生应用进行了研究，分析表明，只要经过适当改良，再生水稳集料可以满足道路水泥稳定碎石填筑要求[3]；侯劲汝等对道路水泥混凝土再生应用进行了研究，结果表明其具有较好的经济性和发展潜力[4]；王军龙、顾万等对城市道路上、下面层沥青混合料再生应用进行了研究，室内试验及工程应用表明旧沥青路面铣刨料再生利用科学可行[5-7].但相对上述研究而言，如何对废弃建筑材料进行再生的研究相对较少.公路路基作为道路工程的基础，一方面所需筑路材料使用量较大，另一方面比较其他结构层，材料性能指标要求相对较低，若可将上述废弃建筑材料再生应用于路基工程，将具有很好的经济及环保价值.由于废弃建筑材料组成成分的复杂性，使得对废弃材料的筛选、加工以及使用方式的研究具有重要意义[8,9].

研究拟先对再生建筑集料进行基本性能指标测试，然后设计不同掺配比例路基填筑混合集料，并采用重型击实试验以及CBR试验进行性能表征，进而得出相关结论，为再生建筑集料在公路路基建设中的应用提供参考.

再生建筑集料一般来源于房建工程、道路工程拆除过程，常与废弃水泥混凝土块(含砂浆)、废弃砖以及钢筋、防水材料等其他各种建筑废弃物混合.上述建筑废弃物中只有废弃水泥混凝土块(含砂浆)、废弃砖可用于公路工程路基建设中，为保证使用效果，需先将建筑废弃物进行分拣，取出不可用杂物.分拣完成后，对集料进行破碎加工制备再生建筑集料，为保证路基填筑效果，破碎粒径最大值应小于等于37.5mm.

参照填石路基集料划分标准，将再生建筑集料按公称最大粒径划分为粗集料(>4.75mm)、细集料(<4.75mm).随机各选取3组再生建筑粗集料、细集料及常规石灰岩路基集料，参照《公路路基施工技术规范(JTG F10-2015)》进行密度、吸水率试验，试验结果取3组平均值，测试结果如表1所示.

表1 再生建筑集料与常规路基填料技术指标

上述测试结果显示，再生建筑集料与常规路基填料性能指标差异较大，其细、粗集料表观密度分别为常规路基填料的71%、81%，而吸水率则分别为常规路基填料的7.4、13.5倍.这一方面是由于再生混凝土集料加工破碎后，破碎面存在大量疏松、多孔水泥砂浆物，且再生建筑集料粒径越小，破碎面附着物比例相对越大，导致密度显著减小、吸水率急剧增大.另一方面，再生砖自身即为疏松多孔材料，密度更小、吸水率更大，其与再生混凝土集料混合后将进一步减小再生建筑集料密度、增大含水率，以上二者混合导致再生建筑集料尤其是再生建筑细集料性能发生较大改变.

1 试验方案设计

1.1 掺配比例设计

由表1分析可知，再生建筑集料较常规路基填料性能出现较大衰减，其中细集料性能指标衰减更加显著.根据摩尔-库伦理论，路基混合料抗剪强度由粘聚力和摩擦力组成，其中摩擦力主要由粗集料提供，粘聚力主要由细集料提供.由于再生建筑细集料性能衰减过大，过大的吸水率及过小的密度将导致路基填筑质量难以保障，试验设计时不考虑使用再生建筑细集料，而采用0～4.75mm素填土替代.其中素填土统一采用粉质黏土，密度为2.326g/cm3，含水率为2.1%，级配良好.

为研究再生建筑集料比例、再生建筑集料中再生砖与再生混凝土比例(以下简称砖混比)对路基集料性能的影响，采用4种再生建筑集料比例(15%、30%、45%、60%)、3种再生砖与再生混凝土比例(1∶2、1∶1、2∶1)进行掺配设计，具体设计方案如表2所示.

表2 掺配比例设计方案

1.3 性能试验表征

为分析再生建筑集料比例以及砖混比对路基填料性能的影响，采用相关试验对上述各掺配方案进行表征，具体试验方案为：

(1)击实试验：为分析各掺配方案对路基填料最佳含水率与最大干密度影响，对不同含水率路基填料进行击实试验.击实试验选取重型击实法(Ⅱ型)，分3层击实，每层锤击98次.

(2)CBR试验：作为室内试验强度表征重要指标，试验将上述各方案按98%压实度进行掺配计算，试样制作完成后将其浸水4d，最终进行强度检测.

2 试验结果与分析

2.1 击实试验结果与分析

对上述12组不同掺配比例路基混合料进行重型击实试验，试验结果按再生建筑集料比例划分如图1至图4所示.

由图1到图4的击实试验结果可知：整体而言，在再生建筑集料掺量相同条件下，随着砖混比减小，混合料最大干密度增大、最佳含水率减小，且当砖混比为2∶1时，混合料密度曲线较其他两个掺量相差较大.这是由于砖混比越大，再生建筑集料中再生砖掺量越大，而再生砖较再生混凝土具有更小的密度、更高的吸水率，其掺量增大降低了混合料整体密度.因此，在再生建筑集料应用时，应严格控制再生砖掺量比例，就本混合料设计方案而言，应控制砖混比<1∶2.

为比较再生建筑集料掺量对混合料击实试验结果的影响，将上述各配比混合料最大干密度、最佳含水率汇总如表3所示.

表3 各掺配比例混合料最佳含水率、最大干密度汇总

由表3分析可知：

(1)相同砖混比下，随着混合料中再生建筑集料掺量的增大，最佳含水率先持续减小然后增大.

(2)相同砖混比下，随着混合料中再生建筑集料掺量的增大，最大干密度呈现先增大后减小的“凸”形变化规律，且均在30%、45%时具有较大最大干密度.这是由于，随着再生建筑集料掺量增大，混合料中粗集料含量逐渐增加，混合料相互填充，级配比例逐渐达到最优.因此就最大干密度指标而言，表明混合料再生建筑集料掺量存在最佳掺量，最佳掺量为30% ～ 45%.

2.2 CBR试验结果与分析

对上述12组不同掺配比例路基混合料进行加州承载比试验，试验结果如表4所示.

表4 各掺配比例混合料CBR值

由表4分析可知：

(1)相同再生建筑集料比例下，随着砖混比增大，混合料CBR值逐渐增大.这是由于再生砖力学性能相对再生混凝土较差，减小其掺量有利于增强再生建筑集料承载能力.因此，应对再生建筑集料砖混比进行有效控制.

(2)相同砖混比下，随着混合料中再生建筑集料掺量增大，混合料CBR值与最大干密度类似，呈现先增大后减小的“凸”形变化规律，在30%、45%时具有较大CBR值.表明混合料再生建筑集料掺量存在最佳掺量，最佳掺量为30% ～ 45%.

3 结论

首先对再生建筑集料进行基本性能指标测试，然后为研究再生建筑集料比例、砖混比对路基集料性能的影响，采用4种再生建筑集料比例(15%、30%、45%、60%)、3种砖混比(1∶2、1∶1、2∶1)进行混合料掺配设计，进行重型击实试验以及CBR试验，得出如下结论：

(1)再生建筑集料与常规路基填料性能指标差异较大，其细、粗集料表观密度分别为常规路基填料的71%、81%，而吸水率则分别为常规路基填料的7.4、13.5倍.由于再生建筑细集料性能衰减过大，过大的吸水率及过小的密度将导致路基填筑质量难以保障，路基填筑时应不予采用.

(2)在再生建筑集料掺量相同条件下，随着砖混比减小，混合料最大干密度、混合料CBR值均增大、最佳含水率减小.

(3)相同砖混比下，随着混合料中再生建筑集料掺量的增大，最大干密度、混合料CBR值均呈现先增大后减小的“凸”形变化规律，且均在30%、45%时具有较大最大干密度或混合料CBR值.

(4)综合分析表明，再生建筑集料在公路路基建设中应用时，应控制砖混比<1∶2，保证混合料再生建筑集料掺量在30% ～ 45%.