建筑垃圾在高速公路上的应用研究*

张志跃，杨军强，魏振国，王金山，房格莉，王 露

(1.中铁七局第三工程有限公司，陕西 西安 710032；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

随着城市化进程的加快，建设、拆迁、装修等生产活动越来越多，随之产生大量渣土、弃土、碎砖块等建筑垃圾，对社会环境造成不利影响，且造成巨大的资源浪费。与此同时，天然矿石的过度开采使公路工程中路基填料日益匮乏，因此，需为公路建设中的砂石材料供需不平衡寻找解决途径。若将建筑垃圾回收利用用作路基填料，不仅能保护环境，还能缓解公路砂石材料短缺的紧张局面，虽然建筑垃圾再生材料的抗压碎能力低于天然集料，但仍可满足道路的材料强度要求[1]。近年来，许多学者对建筑垃圾用作路基填料进行了相关研究。聂梦强等[2]通过试验将建筑垃圾与灰土按一定比例混合应用于路基工程中，取得了明显的经济效益。李俊鹏等[3]通过地基模型试验和数值模拟分析研究废旧轮胎加筋建筑垃圾土地基的力学性能和工作机理。徐宝龙[4]分析城市道路拆迁改造中建筑垃圾的组成及工程特性。马永锋[5]介绍了建筑垃圾在陕西省高速公路地基处理、路基填料中的应用，取得了显著的经济和社会效益。但对建筑垃圾是否可用作高速公路设计与施工的工程特性有待进一步分析。

本文基于西安外环高速公路(南段)项目，探讨建筑垃圾的工程特性及用作路基填筑的可能性，为建筑垃圾用作公路路基的设计和施工提供参考。

1 建筑垃圾性能室内试验研究

1.1 试验材料

建筑垃圾成分与房屋结构有关，对于砖混结构而言，砖块、砂浆占90%以上。本文研究的建筑垃圾再生材料取自西安市拆迁的老旧房屋，主要为砖混类建筑垃圾再生材料，对回收的建筑垃圾进行分拣并粉碎成一定粒径，粒径为0～100mm，轻质杂物含量为0.08%，如图1所示。

按JTG 3430—2020《公路土工试验规程》[6]进行原材料试验，主要包括表观密度、含水率、界限含水率等基本性质，试验得天然含水率为6.2%，吸水率为11.73%，表观密度为2.41g/cm3，有机物含量为2.04%，液限、塑限分别为25.4%，20%。由此可知，该建筑垃圾杂物含量、界限含水率等指标符合DB61/T 1149—2018《建筑垃圾再生材料路基施工技术规范》[7]、JTG/T 3610—2019《公路路基施工技术规范》[8]的要求，可用于高速公路段垫层填筑。

1.2 筛分试验

为确定不同比例的混合料颗粒级配，根据《公路土工试验规程》对建筑垃圾填料进行筛分试验。级配越好的混合料压实后可达到的密实度越高，从而获得低透水、低压缩、高强度的混合料。填料级配曲线如图2所示。

为保证路基的压实度，通过现场总结，对填料有如下要求：①路床填料中粗骨料占比为50%～70%，最大粒径应<60mm；②路堤填料中粗骨料占比40%～60%，最大粒径<150mm，为最佳填料条件。由图2可知，填料级配均满足不均匀系数Cu≥5，曲率系数Cc=1～3，级配良好[3]。土样中粒径<0.075mm含量约占4.11%，粒径为0.075～0.5mm含量约占16%，粒径≥5mm含量约占57%，说明本批建筑垃圾填料符合规范，可用作高速公路路基回填。

1.3 标准击实试验

压实效果检验指标中，压实度为最关键的监测项目，压实度为现场实测密度与室内最大干密度的具体比值。击实试验的目的是为了形成击实曲线以求得扰动土的最大干密度和最佳含水率，从而模拟现场压路机的压实方式。

由于建筑垃圾中颗粒组分较复杂，颗粒粒径的分布范围也较大，定义建筑垃圾中颗粒粒径<4.75mm为细骨料，≥4.75mm的为粗骨料。在建筑垃圾混合料体系中，粗骨料主要起骨架支撑作用，而细骨料用来填筑粗料间空隙和连接骨料的作用，粗、细骨料相互补充。但若粗料过多，细骨料无法填满粗骨料间的空隙，造成混合料中形成大量空隙，此时的结构为骨架-空隙结构，该结构摩擦角小、黏聚力小、渗透性强，混合料干密度也较小。当细骨料逐渐增加到一定含量时，混合料干密度达到峰值后，此时的混合料结构由骨架-空隙结构逐渐变为悬浮-密实结构，该结构摩擦角大、黏聚力大、渗透性小，且强度高、承载力大。因此，细骨料含量对建筑垃圾混合料的结构起着至关重要的作用，也是混合料干密度及强度的重要影响因素之一。确定建筑垃圾路基填料的合理粒径组成时，应首先确定粒径<4.75mm 的细骨料含量[5]。

参考《公路土工试验规程》《建筑垃圾再生材料路基施工技术规范》，选用多功能电动击实仪和烘箱进行击实试验，分3层击实，每层击实98次，锤重25kN，重锤落距45cm。

将建筑垃圾材料划分为7组，经过试验及计算得到击实曲线，如图3所示。击实曲线峰值点对应的干密度和含水率即为该击实功下的最大干密度与最优含水率。由图3可知，7种不同的混合料配合比的干密度与含水率间的关系较密切，均为干密度随含水率先增大后减小，只出现1个峰值点。

图3 击实曲线

建筑垃圾击实试验结果如表1所示。建筑垃圾再生材料的最优配合比应为最小孔隙率或最大干密度。由于砖石颗料密度通常比石料颗粒间的土体密度大得多，所以土中超尺寸石料颗粒越多，土的最大干密度越大。由表1可知，建筑垃圾的最大干密度随含石量的增大而增大，故砖块与细粒土试样最佳配合比为粗∶细=8∶2，配合比的最优含水率为14.6%，最大干密度为1.84g/cm3。

表1 建筑垃圾击实试验结果

1.4 CBR试验

路基填料的加州承载比CBR值(California bearing ratio)一般指试料贯入量为2.5mm时，单位压力与标准压力(贯入量2.5mm的标准压力为 7 000kPa) 之比，能很好地反映填料抵抗局部荷载产生变形的能力，是表征路基填料强度的重要指标，也是评定路基填料的标准和依据，以标准碎石的承载能力相对百分比表示CBR值。选取施工现场的建筑垃圾填料，按最优含水率制备试件，分3层击实，每层击实30，60，98次，使试件达到100%的最大干密度；为模拟混合料在使用过程中的最不佳状态，将混合料泡水4个昼夜后(见图4)再进行加载[9]。加载时，在试样内放入4块荷载板来模拟路面荷载，加载速度为1～1.25mm/min。利用所得的贯入量与贯入阻抗关系绘出对应关系曲线，经原点修正后得到贯入量2.5，5mm时的承载比。

图4 试样浸水

不同击实次数下，贯入量分别为2.5，5mm时的CBR值如表2所示。由表2可知，其CBR值均满足高速公路路基填筑要求，建筑垃圾混合料CBR值均随压实度(击实次数)的增大而增大，这是因为混合料经压实后，颗粒间会进行重组并彼此挤密，孔隙不断缩小，混合料的单位质量会提高，从而提高整体强度，相应的CBR值也会提高。

表2 不同击实次数下的CBR值

1.5 压实度检测

压实度是衡量公路填料工程性质的重要指标，在公路路基工程中得到广泛应用。建筑垃圾填料压实控制标准参考《建筑垃圾再生材料路基施工技术规范》[7]。

利用灌砂法求得现场压实度为94%～95%，均>94%， 符合路基填筑要求。

2 工程应用

西安外环高速公路(南段LJ-7标段)位于长安县子午镇，起止里程为K20+951—K26+900，线路长5.949km，建筑垃圾再生材料填方合计66.3万m3，填筑量大。建筑垃圾回收利用的结构横断面如图5所示。清表后基底平整碾压密实，压填50cm大粒径建筑垃圾再生材料垫层，后在其上铺设建筑垃圾填料找平层，层厚≥30cm，垫层需高出原地面30cm。

图5 路面结构横断面

西安外环高速公路总计利用建筑垃圾再生材料600万t，可减少建筑垃圾堆放占用土地3 000亩，同时可减少借土填方取土场临时用地1 500余亩，另外，节约水泥5万t，节约燃煤3.2万t，减少CO2排放量4 000多万m3，产生直接、间接效益10亿元，具有良好的社会和经济效益。

3 结语

1)虽然建筑垃圾再生材料抗压碎能力及吸水率不如天然集料，但通过试验分析等手段发现建筑垃圾填料可满足路基回填要求，能消耗大量建筑垃圾，具有明显的社会和经济效益，对生态文明建设具有重要意义。

2)通过试验得知，建筑垃圾可用作高速公路工程回填材料，建筑垃圾的不均匀系数Cu为35～50，曲率系数Ce为1.07～1.61，组成均匀，级配连续，CBR值能满足路基填料要求。通过不同配合比的击实试验，得到碎石/细粒土试样最佳配合比为粗∶细=8∶2，最优含水率为14.6%，最大干密度为1.84g/cm3。