孙 飞 冯哲源 高 强 徐若婷 郝晋序 黄钰程*

Research 研究探讨

建筑垃圾再生骨料在水泥稳定碎石基层中应用研究

孙 飞1冯哲源2高 强1徐若婷3郝晋序4黄钰程2*

（1.江苏建院营造股份有限公司，江苏 苏州 215000；2.苏州大学，江苏 苏州 215131； 3.澳大利亚国立大学，堪培拉 澳大利亚；4.苏州市市政设施管理处，江苏 苏州 215000）

我国正处于城市化发展的关键时期，大规模基础设施建设每年产生超过30亿吨建筑垃圾。建筑垃圾资源再利用成了土木工程发展的必然趋势。本文在相关研究的基础上，对建筑垃圾生骨料的基本物理力学性质、无侧限抗压强度、回弹模量和劈裂强度及在水泥稳定碎石基层中的应用案例做了详细的介绍。再生骨料的强度较高，吸水率约为6%。当作为水泥稳定碎石基层使用时，其抗压强度大于4 MPa，模量高于1000 MPa。根据具体的工程案例，发现建筑垃圾再生骨料作为道路基层集料，可以满足规范的强度要求，具有良好的经济效益和环境效益。

建筑垃圾；再生骨料；无侧限抗压强度；回弹模量；劈裂强度

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进，大量老龄建筑、水泥混凝土路面拆除改造，产生了巨量的建筑垃圾。根据中国环联估计[1]，2017年共计产生建筑垃圾15.93亿吨，2020年预计突破30亿吨。由于施工地点和建筑物结构不同，产生的建筑垃圾的组成和占比也有所不同。表1列出了不同结构类型的建筑施工垃圾组成。

表1 不同结构类型建筑施工垃圾组成

我国大部分地区建筑垃圾未经处理便直接运往郊外或乡村废弃物场露天堆放或填埋。如此简单粗犷的处理建筑垃圾，将会侵占土地、污染水体、大气及土壤，从而破坏生态环境，危机人类生命健康。

另一方面，随着我国城市化的快速发展，混凝土的需求也大大增加。2019年我国商品混凝土总产量为27.38亿立方米。然而1700–2000 kg的砂石骨料仅能满足生产1 m3的混凝土需要。巨大砂石骨料的需求量，使得大量林地被毁坏和环境被破坏、生态平衡受到危害。我国对山石的过段量开采，已经造成生态景观破坏严重、地质灾害频发以及矿山塌方等方面的破坏。

将废弃建筑垃圾循环再利用，一方面能解决天然骨料资源日趋匮乏的局面。另一方面，又能解决建筑垃圾的随意堆放、侵占公共用地和环境污染等问题。缓解了由建筑垃圾引起的社会矛盾、为企业减轻经济压力以及直接有效的保护生态环境，对中国城市化进程和土木工程行业的可持续发展具有非常深远的意义。因此各国都在积极探索研究如何将建筑垃圾再生利用、循环利用。我国对建筑垃圾再利用通常采用以下四种方法：①用于制作再生骨料；②用于道路垫层或路基填料；③用于景观工程；④用于地基加固工程。其中将建筑垃圾再利用制作再生骨料，不仅可以取得较好的经济效益，还能够节省大量的天然骨料，减少了开山采石所带来的环境破坏，生态效益显著。

1 建筑垃圾再生骨料的物理力学性质

再生骨料的颗粒级配是建筑垃圾再生骨料的基本物理属性之一。通过对前人[2-9]研究成果的整理分析，得到图1。从图1中不难发现，骨料的级配曲线大致相同。试验结果基本满足GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料规范》的要求。直径在0-5 mm的骨料占比较少，骨料粒径为5-14 mm占比超过80%。

图1 再生骨料筛分分析结果

通过国内外学者对再生骨料物理力学性质的研究，得到表2。研究发现：再生骨料的表观密度和堆积密度均低于天然骨料。这是因为再生骨料表面粘附大量的水泥砂浆、石子、水泥砂浆石颗粒，降低其密度。

针片状颗粒含量既可表征骨料颗粒形状的优劣，也可对再生骨料抗压能力进行评价。通常情况下，针片状颗粒含量的增加会提高再生骨料的表面积和空隙率。然而，骨料的抗压强度随着针片状颗粒含量的增加而降低。

再生骨料吸水率比天然骨料要高出很多的原因是再生骨料中细小颗粒的含量巨大。由此，再生骨料的比表面积大于天然骨料，故再生骨料需水量大。所以再生骨料的显著特征之一就是吸水率高。如果采用再生骨料作为基层材料，由于再生骨料吸水率高增加了施工用水量，基层的水稳定性和耐久性下降。所以，仅从再生骨料吸水率的性质上分析，再生骨料作为道路基层材料是不合理的。

国内外大量试验结果表明：天然骨料的压碎值低于再生粗骨料。一方面是因为再生骨料压碎值与原材料的强度和工艺有很大关系。废弃骨料强度越高、表面附着物越少，产出的再生骨料颗粒越圆滑，其压碎值也越低。另一方面，是再生骨料表面水泥砂浆强度较低，受到外力时容易开裂脱落，使得其压碎值高于天然骨料。

表2 再生骨料基本物理力学性质试验结果

2 水泥稳定碎石及再生骨料基层性能

2.1. 无侧限抗压强度试验

将再生骨料作为路基基层材料，抗压强度是重要指标。通过对陈朝金、赖锦华和蒋帅等人研究的归纳总结[6,7,19-21]，得到图2。在水泥掺量4%和5%，龄期为28d，再生骨料掺量相同的情况下，随着水泥剂量的增加混合料的强度也增大。这主要是以下三个原因。① 水泥是作为胶结材料，可以使骨料胶结成块，因此随着水泥掺量的增加胶结作用就越强烈。② 再生骨料表面的孔隙和微裂缝能被水泥有效修复，使得其强度增大。③骨料间的润滑效果随着水泥浆的增多而更明显，使得骨料成型时具有高密实度。

图2中体现了两组不同龄期下，无侧限抗压强度随再生骨料掺量的变化关系。在相同水泥剂量下，无侧限抗压强度与再生骨料的掺量有关，由图2可知，无侧限抗压强度的最小值在再生骨料掺量为30%–50%之间。强度存在最小值的主要原因如下：① 再生骨料中存在活性物质，会与水泥会发生反应。再生骨料的掺量越高，参与反应的活性物质也越多，使得混合料的强度增加。② 当混合料达到基本强度，随着再生骨料掺量的增加，混合料的强度就会越低。

图2 不同条件下无侧限抗压强度随再生骨料掺量的变化关系

2.2. 无侧限抗压回弹模量

陈朝金，Liqun Hu和吕会等学者[19,20,22-24]，研究不同条件下无侧限抗压回弹模量与龄期的变化关系，如图3所式。对图3中曲线进行分析可以得出：相同水泥掺量，再生骨料的抗压回弹模量随着龄期增加增大；各龄期抗压回弹模量随着水泥剂量的增加而增加。并且抗压回弹模量与龄期之间的关系趋近于线性关系。

图3 不同条件下无侧限抗压回弹模量与龄期的变化系

这是因为在生产和运输再生骨料的过程中会产生裂缝，因此在一般情况下，再生骨料的抗外力变形不如天然骨料，通过试验也验证了再生骨料基层混合料抗压回弹模量低于水泥稳定碎石基层混合料。此外，再生骨料表面附着的高孔隙度的硬化水泥砂浆会渗透到再生骨料中，与再生骨料形成整体，提高了混合料的刚度。

2.3. 劈裂试验

国内外学者对为劈裂强度与再生骨料掺量的变化规律也进行大量研究[6,7,20,21,23]，如图4所示。由图4可知，基层混合料劈裂强度随着再生骨料掺量的增加而增大。这是由于添加了再生骨料使得基层混合料表面粗糙，增加了混合料中不参加水化反应的颗粒。并且硬化水泥砂浆弹性模量与天然骨料弹性模量的差异较大，导致硬化水泥砂浆与天然骨料的变形不一致，两者之间产生额外的张力。

图4 劈裂强度与再生骨料掺量的变化规律图

3 试验段

通过彭亮等人对现场试验总结[10,12,25,26]，得到表3。由表3中工程案例的结果表明：在40~60%的再生骨料掺量和6%水泥剂量下，水泥稳定再生骨料基层混合料的压实度及强度均符合规范要求，满足设计需要。并且，通过后期长时间对现场观测和试验的跟踪调查发现：水泥稳定再生骨料基层材料的性能与材料级配和施工工艺密切相关，试验路段基层性质完全满足设计规范要求。高速公路和一级公路均可使用再生骨料配制的水泥稳定再生骨料基层。彭亮等人在国道G207线雷州市龙门水库至海安港码头段铺筑水泥稳定再生骨料基层的试验路段。根据研究分析能够得出：试验路段再生骨料钻芯强度比室内抗压强度高的结论。京福高速公路德州段工程项目，通过一系列室内试验结果可知，通车使用一年后的再生骨料路面强度仍高于设计值，模量变化很小。由此可见，刚性基层路面的路用性能良好。其中扬州城市快速通道利用再生骨料进行循环利用产生了良好的经济效益、社会效益和资源环境效益，使得工程节约成本近2000万元。

表3 试验段结果

4 经济效益评估

对于再生骨料经济效益的分析，国内外学者做了较多研究。其中Xijun Shi[27]提出了利用运营成本模型分析每年普通再生混凝土骨料和硅酸盐水泥混凝土路面案列。根据公式(1)将每年的费用转化为当前价值，即第一年的价值。

P：当前价值；F：未来价值；i：年度折扣率；n：年数

许远明[30]在税收方面对如何选择天然骨料或再生骨料做出研判。当天然骨料于再生骨料质量性能相当，对天然再生骨料征收的税款满足式2，采购方会选择进购再生骨料。

再生骨料应用于水泥稳定碎石基层，不仅节约了清理和运输成本，还大大降低了原材料成本，如表4所示。表4列举了国内外四位学者，对比不同地区的天然骨料和再生骨料的价格。

表4 骨料价格对比

6 结论

① 我国建筑垃圾产量巨大，约30 吨/年，其中废砖瓦和废混凝土的占比接近建筑垃圾总量的50%。

② 再生骨料与天然骨料相比，具有比表面积大、密度小和吸水性高等特点。其压碎值相较于天然骨料高9%。

③ 再生骨料含量相同时，随着水泥剂量的增大水泥稳定再生胶骨料的强度而增大；当水泥剂量相同时，强度在再生骨料含量为30–50%时达到最大值。

④ 用再生骨料取代天然骨料配基层材料具较高的经济效益高以及良好的环境效益。其强度可以满足高速公路和一级公路的建设需求。

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孙飞（1982- ），男，江苏苏州人，硕士研究生毕业，高级工程师，研究方向：岩土工程。

黄钰程（1987- ），男，江苏海门人，博士，讲师，研究方向：公路工程。

国家自然科学基金项目(52078317)；苏州市建设系统科研项目(2020-15)；苏州市科技计划-重点研发与产业化项目(SGC201721)；江苏省建设系统科技项目(2019ZD149，2020ZD05)。

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1007-6344（2021）01-0343-03