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颗粒粒度与级配对饱和建筑垃圾剪切强度的影响

2021-12-09毛赞庆佟涛刘强王善涛王一鸣尹胜强

人民长江 2021年11期
关键词:轴向粒度红砖

毛赞庆 佟涛 刘强 王善涛 王一鸣 尹胜强

摘要:近年来随着中国经济发展,大量建筑垃圾也随之产生,使用建筑垃圾回填既可解决其污染环境问题又能解决城市建设工程需要大量填筑材料的问题,但建筑垃圾回填需满足一定的强度指标。对单一粒度及连续粒度红砖碎料在轴向应力25,50,100,200 kPa条件下开展大型直剪试验,研究了不同轴向应力条件下颗粒粒度与级配变化对饱和红砖碎料的剪切强度影响。试验结果表明:单一粒度与连续粒度红砖碎块的抗剪强度所受影响规律不同,单一粒度红砖碎块在低轴压(25 kPa)条件下抗剪强度随着中值粒径增大而增加,而在高轴压(200 kPa)条件下不同中值粒径的单一粒度红砖碎块抗剪强度相同;连续粒度红砖碎块在任何轴压条件下的抗剪强度均随着中值粒径增大而增加;在中值粒径相同的条件下,连续粒度的红砖碎块抗剪强度高于单一粒度红砖碎块;在相同密度及中值粒径条件下,剪切过程中连续粒度红砖碎块竖向位移小于单一粒度红砖碎块。

关键词:建筑垃圾; 红砖碎块; 抗剪强度; 竖向位移; 大型直剪试验; 中值粒径; 颗粒级配; 饱和状态

中图法分类号: TU433

文献标志码: A

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.031

0引 言

建筑垃圾是指建设单位、施工单位新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的弃土、弃料及其他废弃物。大量的建筑垃圾若不能得到妥善处理利用,则会导致严重的环境污染及土地空间资源浪费。与此同时,随着中国城市建设、道路基建工程的进行,需要大量的填料。采用素土回填需要占用大量土地资源甚至毁坏耕地,而采用石料回填需开山也会对生态环境造成永久破坏。建筑垃圾经过适当处理后可作为混凝土再生骨料、工程渣土、废塑料再生品等而重新被资源化利用,既可解决建筑垃圾污染环境的问题,又能解决城市建设、道路基建工程需要大量土石方资源问题。

对于建筑垃圾的回收再利用研究国外起步较早,日本政府最早于1991年制定了《资源重新利用促进法》,规定建筑垃圾应以回填等方式尽可能地重新利用。陆凯安[1]总结了国外建筑垃圾综合利用的技术及方法,并认为应在全国范围内推广建筑垃圾回填等再利用措施。林荣[2]通过分层夯实及注浆技术处理不同粒径的回填建筑垃圾,发现粒径小于150 mm的建筑垃圾回填效果较好。石熊等[3]研究了在素土中掺入不同粒度碎石料对其抗剪强度的影响,发现试样的抗剪强度与粗颗粒质量分数呈现正相关性,且黏聚力与内摩擦角随着粗颗粒掺入量增加而增大。樊兴华等[4]提出了利用建筑垃圾填筑高速公路路基的技术方法,认为对填筑路基应进行反复压实直至其孔隙度小于20%,同时填筑前应先去除建筑垃圾中的生活垃圾等杂质。Rey等[5]发现在粗再生骨料(0~40 mm)中掺入0~8 mm细再生骨料可以提高无侧限抗压强度。成浩等[6-7]研究了粒度、级配对干燥碎石料抗剪强度的影响,发现平均粒度越大抗剪强度越高,连续级配的碎石料抗剪强度高于单一级配碎石料。郭鸿[8]、王海波[9]等研究了砂土颗粒级配对抗剪强度的影响,发现内摩擦角与不均匀系数成正相关性。

农村老旧民房拆迁改造工程会产生大量以红砖为主的建筑垃圾碎块,这些碎块分选性差,自身强度不高,不经处理则不再适合用作建筑材料。Poon等[10]利用黏土砖碎料作为道路路基,发现掺入黏土砖的道路路基承载比虽然较使用混凝土碎料及碎石料的路基低,但仍然符合香港地区路基承载比标准,并具有密度较低、承载比受含水率变化影响较小的特点。王武祥[11]提出将红砖大体积碎块用作道路路基、建筑基础回填基础材料。郭阳阳等[12]研究了红砖回填料对水泥土强度的影响,发现红砖不影响水泥水化产物种类,相较于纯水泥其90 d抗压强度提高了7%。蔡乔[13]利用大型直剪试验研究了黄土与红砖碎料混合比例对回填体抗剪强度的影响,发现在黄土中掺入红砖可以提高抗剪强度,质量掺入比为60%时抗剪强度最大。

建筑垃圾回填通常用剪切强度作为回填材料性能的评价指标,而级配及粒度对剪切强度影响显著。Al-Hussaini等[14]通过三轴压缩试验及平面应变试验,发现火山碎石内摩擦角随着平均粒径增大而增大;同样地戴北冰等[15]利用不同粒径的玻璃柱直剪试验发现内摩擦角随着玻璃柱直径增大而增加。而Marschi等[16]通过三轴排水试验发现碎石土的内摩擦角随着粒度增大而减小。两者研究结论相反可能是材料质地不同所致,也有可能是试验条件不同所致,所以粒度及级配对建筑垃圾回填的剪切强度的影响规律应根据回填材料及回填条件进行具體分析。

综上所述,国内外学者们利用直剪、三轴等试验方法对不同建筑种类建筑垃圾在不同处理方法、粒度及级配条件下的抗剪强度的影响进行了研究。然而现场因受到降雨及地下水位的影响,用于回填的建筑垃圾可能长期处于湿润甚至饱和状态,因而其饱和状态下的抗剪强度指标更具实践意义。本文拟通过一系列大型直剪试验研究饱和状态下粒度及级配变化对红砖碎块抗剪强度的影响规律。

1试验设备与材料

1.1试验设备

试验设备采用自行设计的ZJ-500大型直剪仪,如图1所示。该设备由上剪切盒、下剪切盒、伺服电机动力系统、顶针式位移计、计算机控制及数据采集系统组成。上、下剪切盒尺寸为500 mm×500 mm×225 mm(长×宽×高)。竖向荷载通过气缸及刚性板均匀施加,最大可达300 kPa。剪切过程中,上剪切盒固定,下剪切盒位移以及沉降量通过顶针式位移计测量,最大剪切行程为80 mm。考虑到尺寸效应,该设备可以对直径不大于60 mm的材料进行试验。

1.2试验材料

试验材料为青岛市城阳区老旧农村建筑物拆迁过程中破碎的红砖,红砖碎块呈棱角型,红砖之中常常夹杂着水泥砂浆填充料导致其物理性质不均匀。利用大型圆孔筛将红砖碎块按照粒径大小筛分成5~10 mm,10~20 mm,20~30 mm,30~40 mm,40~50 mm 5组不同粒度范围的粒组,如图2所示。

1.3试验方案

设置试验组及其基本物理参数如表1所列,其中DY1~DY4为中值粒径d50由小到大单一粒度试验组,探究单一粒度条件下剪切强度随中值粒径的变化规律。HH1~HH3为筛分后得到的不同粒度碎石料颗粒配置的连续级配红砖碎块试验组,其级配曲线如图3所示。3组试样的不均匀系数与曲率系数相近,中值粒径分别为1.94,2.42 cm与3.25 cm,探究连续级配条件下剪切强度随中值粒径的变化规律。然后,通过DY1、HH1,DY2、HH2,DY3、HH3两两一组对比,研究在控制中值粒径相近的条件下级配对剪切强度的影响规律。每组试验分别在法向应力25,50,100,200 kPa条件下进行直剪试验。

2试验结果与分析

2.1颗粒粒度对红砖碎块抗剪强度的影响

DY1~DY4为单一粒度试验组,采用中值粒径d50评价红砖碎块粒度大小,不同轴向应力作用下的剪应力应变曲线如图4所示。本文以应变10%时的剪应力作为抗剪强度,可以发现:相同试验组的抗剪强度均随着轴向应力增加而增大;轴向应力为25 kPa时,抗剪强度随着颗粒粒度增加而增大,且最大抗剪强度(DY4,62.34 kPa)较最小抗剪强度(DY1,47.93 kPa)高30.0%;轴向应力为50 kPa和100 kPa时,抗剪强度随着中值粒径提高而呈现规律性变化,且最大抗剪强度较最小抗剪强度分别提高21.8%,20.9%;而轴向应力为200 kPa时,各粒度的抗剪强度相同。这是因为在轴向应力较小时,固结过程中不会压碎红砖碎块,抗剪强度随着颗粒粒度增大而增加,与成浩等[7]对碎石料的研究结果相同。当轴向应力增大到50~100 kPa时,部分红砖碎块强度低,在固结过程中产生破碎填充原有孔隙,同时部分孔隙被压缩,而50~100 kPa的轴向应力又不能完全破碎压密剪切体,使得剪切带处的粒度分布呈现随机性,从而使抗剪强度呈现随机性;当轴向应力增大到200 kPa时,剪切体在巨大的轴向应力作用下破碎固结密实到极限状态,此时的抗剪强度主要取决于红砖本身的材料强度而与粒度大小无关。

HH1~HH3为连续粒度试验组,其不均匀系数分别为3.20,3.24,3.01,曲率系数分别为0.94,1.23,1.11,均非常接近,因此他们的剪切强度差异主要由中值粒径d50决定,应力应变曲线如图5所示。与单一粒度试验相似,相同试验组的抗剪强度随着轴向应力增加而增大;而在相同轴向应力条件下,无论轴向应力多大,抗剪强度均随着中值粒径d50增加而增大,这是因为HH1~HH3均为连续粒度,不会在剪切体内部形成大孔隙,受到较大的轴向应力挤压时,也不会像单一粒度试验组一样因为大孔隙存在而产生大量的大颗粒破碎现象,所以抗剪强度随着中值粒径d50增加而增大。

2.2级配对红砖碎块抗剪强度的影响

DY1與HH1,DY2与HH2,DY3与HH3组的中值粒径相近但级配形式不同,其中DY1、DY2、DY3为单一粒度试验组,HH1、HH2、HH3为连续级配试验组,在不同轴向应力下的剪切强度变化规律相同,选取轴向应力100 kPa条件下的应力应变曲线进行分析,如图6所示。在相近的中值粒径条件下,连续级配的红砖碎块抗剪强度略高于单一粒度的红砖碎块的抗剪强度,这是因为单一粒度的剪切体孔隙较大,且因为经过筛选的颗粒大小相近,不能有效填充形成的孔隙,而在剪切面处的大孔隙则会影响剪切强度,而连续粒度的剪切体大孔隙则会被连续级配中的小颗粒填充,使剪切体较密实,不会在剪切面处存在较大的孔隙,剪切强度相较于单一粒度试验组有所提高。现场使用红砖碎块作回填材料时,连续级配的红砖回填可以提高回填体的抗剪强度及坡体稳定性。

图7为轴向应力在100 kPa条件下DY1与HH1,DY2与HH2,DY3与HH3剪切时的剪应变-竖向位移变化曲线(剪缩为正)。由表1可知,各试验组装填密度相近,可以认为装填密度相同,在相同的装填密度下,连续粒度试验组剪切过程中的竖向位移均小于与其中值粒径相近的单一粒度试验组,这是因为连续粒度试验组中大孔隙被小颗粒填充,剪切剖面孔隙所占面积较小,所以剪切体受到轴向压力时实际作用到红砖骨料的应力较小,红砖破碎程度较小,所以沉降较少。而单一粒度试验组由于红砖碎块颗粒大小相近,形成的大孔隙没有小颗粒填充,剪切剖面孔隙所占面积较大,在剪切体受到轴向压力时实际作用于红砖骨料的应力较大,且各骨料因大孔隙存在相互搭接,在受到较大的应力时更容易产生破碎,而破碎后的细小骨料填充于大孔隙中,导致产生较大的沉降。综上可以认为,在相同的装填密度下连续粒度装填相较于单一粒度装填更为密实。现场利用红砖作回填料时,使用连续级配的红砖碎块引起的沉降较小。

3结 论

(1) 颗粒粒度对单一粒度红砖碎块与连续粒度红砖碎块的抗剪强度影响规律不同。单一粒度红砖碎块在低轴向应力(25 kPa)作用下,抗剪强度随着中值粒径增大而增加,随着轴向应力的增加,抗剪强度变化呈现无规律性,在高轴向应力(200 kPa)作用下,各粒度抗剪强度相同。而连续粒度红砖碎块在任何轴向应力条件下的抗剪强度均随着中值粒径增大而增大。

(2) 在中值粒径相同的条件下,连续级配的红砖碎块抗剪强度高于单一粒度红砖碎块的抗剪强度。

(3) 在相同的装填密度条件下,相同中值粒径的连续级配红砖碎块在剪切过程中的竖向位移小于单一级配的红砖碎块竖向位移,即采用红砖碎块作为回填材料时,使用连续级配的红砖碎料在较高压实能条件下效果较好。

参考文献:

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(编辑:胡旭东)

Abstract:In recent years,with the development of the society,many construction wastes are produced.The backfill using the construction waste can not only solve the problem of environmental pollution,but also solve the demand of many filling materials for urban construction projects.However,the construction waste backfill needs to meet certain strength requirement.In this paper,the influence of particle size and gradation on the shear strength of saturated redbrick fragments under different axial stress conditions were studied by the large-scale direct shear experiments of single particle size and continuous size redbrick fragments under the axial stress of 25 kPa,50 kPa,100 kPa,200 kPa.The test result showed that the shear strength was different for the single particle size redbrick fragments and continuous particle size redbrick fragments.For the single particle size redbrick,under the condition of low axial pressure (25 kPa),the shear strength increased with the median particle size coarser,however under the high axial pressure (200 kPa),the shear strength for different median particle size was the same.For the continuous particle size redbrick,the shear strength increased with the increase of the median particle size at any axial pressures.The shear stress for continuous particle size redbrick was larger than that of the single particle size redbrick at the same median particle size.At the same loading density and median particle size,the vertical displacement for the continuous particle size redbrick fragments was smaller than the single particle size redbrick fragments.

Key words:construction waste;redbrick fragment;shear strength;vertical displacement;large-scale direct shear test;median particle size;particle gradation;saturation state

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