谢 军，房格莉，魏振国

(中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710038)

0 引言

近年来，随着社会的发展，人们对房屋的需求发生了改变，房屋建筑结构不断变化，产生的建筑垃圾数量不断增加。据文献[1]预测，当建筑物寿命为设计使用年限时，拆除垃圾在2035年达到小峰值22.44亿t，2084年达到大峰值41.1亿t。西安市目前建筑垃圾的资源利用率约为20%，与发达国家90%的资源利用率相比仍有较大差距[2]。目前，传统的建筑垃圾处理方式是露天堆放和地下埋填，这种方式不仅占用土地资源，还造成了环境污染。同时，天然路用材料非常紧缺，因此探索新的生产材料迫在眉睫。

Park[3]对比了干湿再生混凝土骨料和碎石骨料的压实度、稳定性及抗剪强度，采用落锤式挠度计，测量使用干湿混凝土骨料铺筑路面基层挠度，结果与碎石骨料相似。Esfahani[4]将建筑废弃物破碎为不同粒径，进行不同配合比设计，测试不同粒径配合比下的压实性能、加州承载比、弹性模量，结果表明，建筑废弃物仅适用于底基层。代尔夫特理工大学以混凝土和砖块为主要研究成分，研究了级配、组成、压实度、养护时间等因素对材料破坏特性、弹性模量、抗永久变形能力的影响，结果表明，相比于压实度来说，级配、组成等因素对破坏特性的影响不显著，且在实际施工过程中难以控制，而压实度的控制更易实现[5]。樊兴华等[6]以西禹高速公路工程为依托，介绍了建筑垃圾填筑路基的施工工艺。聂梦强等[7]以建筑垃圾代替碎石，将石灰、黏土、建筑垃圾按不同比例分别养护14，28d，进行无侧限抗压试验，测试其抗压强度，得出满足路基垫层要求的最佳配合比。周文娟等[8]研究了不同水泥掺量、石灰掺量及混凝土含量对再生骨料力学性能和抗冻性能的影响，结果表明，提高水泥及混凝土含量可提高无机混合料的强度；降低石灰含量可提高混合料的强度；再生骨料无机混合料满足路基底基层的技术要求。李行等[9]、霍凯成等[10]、张威等[11]、赵永柱[12]以实际工程为依托，进行了建筑垃圾路基试验研究，试验结果可为以后的相关工程提供参考。贾淑明等[13]、王选富等[14]研究了建筑垃圾作为骨料制作的混凝土性能。文华等[15]、肖绪文等[16]总结了近年来我国关于建筑垃圾应用的研究进展。为加快西安市对建筑垃圾的再生利用，本文以西安外环高速公路工程为依托，将建筑垃圾作为路基填料开展试验研究，所得结果可为以后类似工程提供参考。

1 建筑垃圾填料的加工及基本性能

1.1 建筑垃圾加工

根据CJJ/T 134—2019《建筑垃圾处理技术标准》规定，建筑垃圾是工程渣土、工程泥浆、工程垃圾、拆除垃圾和装修垃圾等的总称。再生粗骨料为采用破碎设备、筛分设备对建筑垃圾分拣后形成的粒径>4.75mm的再生骨料，再生细骨料为采用专用设备对建筑垃圾破碎、筛分、分拣后形成的粒径<4.75mm的再生骨料。

建筑垃圾成分复杂，试验前需对其进行处理加工。先人工剔除大块木材、塑料、钢筋等杂质，再利用磁选机去除铁屑等杂质，通过分选分离台去除木屑、塑料等轻杂质。将粒径>40mm的颗粒通过颚式破碎机破碎，然后进行筛分，得到0～5，5～40mm骨料。对5～40mm骨料采取冲洗工艺去除附着的黏土及泥浆，得到纯净的粗骨料。

1.2 建筑垃圾基本性质

1)基本性能

本工程所用材料如图1所示。由图1可知，再生粗骨料表面粗糙、骨料边缘圆润、孔隙较多，且附着大量水泥砂浆，而天然骨料表面较光滑、骨料边缘棱角分明。同时，针对再生骨料基本性能进行了测试。建筑垃圾骨料堆积密度为1.419g/cm3，表观密度为2.610g/cm3，含泥量3.2%，针片状含量16.1%，压碎值为15.3%，有机物含量2.04%，易溶盐含量0.012 8%，液限20.9%，塑限8.1%，塑性指数为12.8。

图1 建筑垃圾骨料

2)颗粒级配

建筑垃圾再生骨料组成均匀级配连续。根据填筑路基的不同部位，其级配和最大粒径要求符合DB61/T 1149—2018《陕西省建筑垃圾再生材料路基施工技术规范》[17]的规定。

按规范取样风干，进行筛分试验，结果如表1所示。通常采用不均系数Cu表示土颗粒级配曲线坡度，曲率系数Cc表示形状。Cu越大，土的粒径范围越广，级配越好。当Cu<5时，级配不良，不利于压实；Cu>15时，级配良好。路床材料的Cu=35.0，Cc=1.61。故本文选用的建筑垃圾骨料属于级配良好(GW)。

表1 建筑垃圾再生材料颗粒筛分试验结果(0～60mm)

2 建筑垃圾用于路基的性能试验

2.1 标准击实试验

采用建筑垃圾作为路基填料时，施工时应采取夯打碾压等工艺使骨料间空隙减小、密度增加，以保证路基结构的强度和水稳性。确定击实能时，当土体含水量达到某一最优值时，土颗粒在击实作用下才能达到最紧密状态，通过标准击实试验可测得不同路基材料的最佳含水率和最大干密度，以此指导现场施工。

2.1.1试验方案

本试验采用<5mm的细骨料和5～40mm的粗骨料，设计7种不同粗、细骨料配合比，研究不同配合比下建筑垃圾骨料的压实特性，确定各配合比下混合料含水率与干密度的关系，绘制击实曲线，分析粗骨料占比对建筑垃圾骨料最佳含水率和最大干密度的影响。设计的7种粗、细骨料配合比如表2所示。

表2 建筑垃圾路基骨料配合比

2.1.2试验仪器及方法

按JTG 3430—2020《公路土工试验规程》[18]规定，建筑垃圾再生骨料最大粒径>20mm且<40mm，采用重型击实Ⅱ-2类试验方法，如表3所示。试验所用仪器为BKJ-Ⅱ型多功能电动击实仪。

表3 击实试验方法

每组拟定10%，12%，14%，16%，18% 5个含水率。每个试样质量约为5kg，击实前应加水焖料24h。为避免浪费材料，焖料时预先焖3～4个料，根据击实数据及时调整其余试样的含水率。

2.1.3试验过程

根据配合比按如下步骤制备试样：①配土 将建筑垃圾土料烘干，过5mm筛得到细骨料和粗骨料;取一定量细骨料和粗骨料按比例称量，每份试样质量为5 000g。②润湿 根据拟定含水率加水使每份含水率相差2%，拌合均匀后装袋密封，润湿时间为24h，温度控制在25℃左右。③击实 击实试验分3层，每层98击，根据击实筒体积预估每层土的质量，保证每层土质量相同；击实完成后将试件刮平，并测量土的含水率。当击实曲线不能绘制出峰值时应进行补点。

2.2 CBR试验

一般来说土体的破坏属于剪切破坏，而CBR贯入试验是在试件的部分土体上施加力使其与整体间发生相对位移，在剪切面上产生抗剪切力[19]。因此，CBR反映了土体的局部剪切强度。试验过程中将试件浸泡在水中4昼夜来模拟土体饱和状态的不利影响，使试验值更安全。

1)试验方案 本试验是为研究粗骨料掺量为20%的建筑垃圾混合料在最佳含水率和最大干密度下的CBR值，分析建筑垃圾混合料在不同击实功下的CBR值和干密度的变化。分别采用30，50，98次3种击实次数。每种击实次数需3个试样，每种配合比需9个试样，具体试验方案如表4所示。

表4 CBR试验方案

2)试验仪器 本试验以击实试验得到的最佳含水率为基础，制备试样。使用的击实仪器与击实试验相同。将击实好的试件浸水4d后进行CBR试验。试验仪器为LD-20T型路面材料强度试验仪。

3)试验过程 首先，将土料按粗、细骨料按一定比例称量，称取最佳含水率所需水分，拌合均匀，焖料24h待用。将土料按30，50，98次击实次数分别制备3个试样，然后将击实筒固定于有孔底板上，并在击实筒上、下表面铺上滤纸。在试件顶面放置多孔顶板，再放上4块荷载板。最后将试件放入水槽内，安装好千分表读取初读数。浸水4昼夜后进行贯入试验。

3 试验结果与分析

3.1 标准击实试验

3.1.1试验现象

对不同粗骨料含量的建筑垃圾混合料进行标准击实试验，得到各不同配合比混合料的击实试验结果，如表5所示。其中，粗骨料含量为20%的建筑垃圾土料在不同含水率时的击实效果如图2所示。

表5 标准击实试验结果

图2 标准击实试验效果

由图2可知，当含水率为12%时，含水率最低，脱模后试样断裂无法成型，试样周围有大量脱落的土体；当含水率为14%时，含水率较低，试样脱模后棱角处有稍许散落土体，表面土粒未被完全压实，颗粒间存在孔隙；当含水率为16%时，含水率适中，击实效果较好，试样脱模完好，表面光滑；当含水率为18%时，含水率较高，试样脱膜后易变形，表面附着水膜，试样底部有水分渗出；当含水率为20%时，含水率较高，试样脱膜后无法保持原有形状，有塌陷现象，底部渗出水分较多。在施工过程中应严格控制土体的含水率，以达到最好的压实效果。

3.1.2试验结果分析

各配合比击实曲线对比如图3所示。由图3可知，当粗骨料掺量一定时，建筑垃圾骨料的干密度随着含水率的增大先增大后减小，呈抛物线形。当含水率接近最优含水率时，土颗粒形成一层水膜，水膜在颗粒间起润滑作用，土颗粒在击实作用下更易排列组合填充粗骨料空隙，故土体最大干密度有所提高。但当含水率较高时，水膜的润滑作用减弱，相反，过多的水分占据了土体体积，使最大干密度降低。进行路基压实时，为达到较好的压实效果应确保土体满足最佳含水率要求。

图3 各配合比击实曲线对比

由表5可知，当粗骨料含量为20%时，最佳含水率最大；当粗骨料含量为80%时，最大干密度最大。各配合比混合料的粗骨料含量与最大干密度关系曲线如图4所示，粗骨料含量与最佳含水率关系曲线如图5所示。

图4 粗骨料含量与最大干密度关系曲线

图5 粗骨料含量与最佳含水率关系曲线

由图4可知，粗骨料含量与最大干密度呈线性相关，最大干密度随粗骨料含量的增加而增大。当粗骨料含量较低时，粗骨料悬浮于土体中，骨架作用较弱。当粗骨料含量增加时，粗骨料形成骨架，细骨料充分填充空隙，土体表现为骨架密实结构，此时土体的压实特性最好。由图5可知，当粗骨料含量<50%时，最佳含水率随粗骨料含量的增加而降低；当粗骨料含量为50%～70%时，最佳含水率随粗骨料含量的增加而增加；当粗骨料含量>70%，最佳含水率随粗骨料含量的增加呈下降趋势。

3.2 CBR试验

3.2.1击实功对CBR值的影响

在建筑垃圾骨料中掺入20%的粗骨料，并对样品进行不同击实功的CBR试验，结果如表6所示，绘制成曲线如图6所示。

表6 不同配合比的CBR值

图6 击实次数与CBR值的关系曲线

由表6及图6可知，当粗骨料含量一定时，CBR值随击实功的增加呈上升趋势。对于粗骨料含量为20%的试样，当击实功由819.6kJ/m3增大到 1 314.9kJ/m3， CBR值提高1.003倍，当击实功由 1 314.9kJ/m3增大到2 677.2kJ/m3，CBR值提高1.75倍，表明击实作用可明显提高建筑垃圾骨料的CBR值。在现场施工过程中为达到路基要求的强度应保证一定的击实功。

3.2.2击实功对膨胀量的影响

根据《公路土工试验规程》规定的试验方法，获得各配合比建筑垃圾骨料的膨胀量如表7所示，绘制曲线如图7所示。

表7 粗骨料含量为20%不同击实功下的膨胀量

由表7及图7可知，在粗骨料的掺量为20%下，建筑垃圾骨料的膨胀量均随击实功的增加而增大，吸水量也随击实功的增大而增加。当粗骨料掺量为20%时，骨料的膨胀量从0.005mm增加至0.110mm，吸水率从332g增加至427g。上述现象可解释为：击实功较小时，固定体积的击实筒可容纳的试样质量小、密度小。当击实功增大时，试样趋于密实结构，相同击实筒体积所含土样质量大。吸水量增加，进而会产生更大膨胀量。

图7 击实次数与膨胀量的关系曲线

4 工程实例

4.1 工程背景

西安外环高速公路K23+200—K23+400段采用建筑垃圾作为路基填料，粗、细骨料配合比为40∶60；压实厚度为30cm，共需填料13 860m3。依据上述进行的标准击实试验，从而确定了试验段建筑垃圾最大干密度为1.79g/cm3，最佳含水率为14.6%，经上述CBR试验测试粗骨料含量为20%的建筑垃圾骨料CBR值远高于《公路路基设计规范》[20]关于路基填料的技术要求。故本试验段采用40%含量粗骨料CBR值也满足要求。

4.2 施工过程

首先，自线路中线用白灰画出13m×10m方格线。以规定的路基最大压实厚度为基础，计算每个方格需要的建筑垃圾填料数量及卸车数量，松铺厚度按30～35cm控制。然后，第1次洒水焖料，洒水焖料后3h采用2台22t羊足碾以3km/h速度先弱振碾压2遍，再强振碾压2遍。碾压的同时进行建筑垃圾再生骨料含水率检测，确保路基填料处于最佳含水率的-1%～4%范围。第2次洒水焖料后采用2台26t光轮压路机以4km/h速度先弱振碾压2遍，再强振碾压2遍，横向间距4m相互错开碾压。最后，采用光轮压路机以5km/h速度静压1～2遍进行收面，直至路基顶面稳定、无轮迹，表面平整。终压完成后采用灌砂法进行现场压实度检测，结果如表8所示。

表8 部分桩号压实度检测结果 %

根据试验数据所得，碾压松铺厚度为35cm，测得压实厚度约为30cm，松铺系数为1.16～1.20。

使用的压实工艺为22t羊足碾碾压4遍，26t单钢轮压路机碾压4遍组合即可达到压实度要求，符合建筑垃圾再生骨料填筑路基的设计要求，可用于路基工程。

4.3 质量检测

对现场碾压收光完成后的路基进行压实效果检测，利用贝克曼梁进行弯沉值检测，以此评价路基的整体刚度和强度。本试验路段弯沉值检测结果如表9所示。

表9 项目路基弯沉检测结果 mm

由表9可知，本试验段路基弯沉值满足 <2.3mm 的设计要求。故当建筑垃圾粗骨料含量为40%时，选择相应的机械选型和施工工艺，得到的建筑垃圾路基结构整体强度较高，路基填筑效果较好。

5 结语

本文对建筑垃圾粗、细骨料进行不同配合比设计，研究了不同粗骨料掺量下建筑垃圾骨料路用性能，得到以下结论。

1)试验段路基设计宽度为34.5m，设计横坡为2%，最小填土高度为4.16m，消耗掉建筑垃圾填料13 860m3，社会效益明显。

2)建筑垃圾骨料的干密度与含水率呈现抛物线关系。当骨料含水率的没有达到最佳含水率时，干密度随含水率的增加而增大；当含水率超过最佳含水率时，干密度随含水率的增大而减小。施工过程中应控制洒水量，使路基压实性能达到最佳。

3)当建筑垃圾粗骨料掺量一定时，CBR值随击实功的增加而增大，膨胀量随击实功的增加而增大。