建筑垃圾材料在北京公路工程中的試驗(yàn)研究

李萬舉， 叢鋮東， 王文宏

(北京市道路工程質(zhì)量監(jiān)督站 公路監(jiān)督科， 北京市 100076)

建筑垃圾材料主要分為磚混類、水泥混凝土類，循環(huán)利用可減少道路建設(shè)過程中新集料開采，符合公路交通行業(yè)節(jié)能減排和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通行業(yè)要求，是可持續(xù)發(fā)展的有效措施。新設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》已頒布實(shí)施，與原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)變動(dòng)較大，主要在材料驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算方面，該文以新設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)，對(duì)水泥穩(wěn)定類建筑垃圾再生材料進(jìn)行驗(yàn)算，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證。

1 水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料試驗(yàn)研究

磚混類建筑垃圾再生集料多為磚瓦、砌筑砂漿、混凝土等混合物，是磚混結(jié)構(gòu)物經(jīng)破碎、除雜、篩分形成的建筑垃圾。由于磚瓦類物質(zhì)中黏土的存在及其多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磚混類建筑垃圾含水率變化較大，同時(shí)由于黏土在高溫作用下具有較強(qiáng)黏性，水泥穩(wěn)定磚混類再生材料拌和、養(yǎng)生過程中，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生膠結(jié)能力，釋放熱量，使黏土具備一定黏性，在水泥與黏土的共同作用下，水泥穩(wěn)定磚混類再生材料形成一定強(qiáng)度，但由于磚混類建筑垃圾本身性質(zhì)(含水率變化大、堅(jiān)固性等)原因，水泥穩(wěn)定磚混類再生材料形成強(qiáng)度過程更為復(fù)雜，拌和、鋪筑、養(yǎng)生等過程要求更高。

水泥混凝土類建筑垃圾再生集料多為水泥混凝土等混合物，經(jīng)破碎、除雜、篩分形成的建筑垃圾。由于水泥混凝土類建筑垃圾中水泥成分失效，再生的粗細(xì)集料性能類似于普通新集料，拌和形成的水泥穩(wěn)定水泥混凝土類再生材料強(qiáng)度形成機(jī)理與普通水泥穩(wěn)定材料類似，水泥水化反應(yīng)形成主要強(qiáng)度。

1.1 建筑垃圾再生集料性能

該文選用的磚混類及水泥混凝土類建筑垃圾再生集料均分為3檔，0～5、5～25及25～31.5 mm，對(duì)再生集料主要進(jìn)行篩分、含泥量、細(xì)集料塑性指數(shù)、壓碎值、軟石含量及針片狀含量試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，磚混類建筑垃圾再生集料壓碎值偏高，無法滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》對(duì)于高等級(jí)公路基層及底基層指標(biāo)要求，同時(shí)由于磚混類建筑垃圾中磚類的力學(xué)特性，軟石含量、0.075 mm以下粉塵含量均超過指標(biāo)要求，磚混類建筑垃圾再生集料無法應(yīng)用在高等級(jí)公路基層及底基層；磚混類建筑垃圾再生集料相關(guān)性能滿足二級(jí)以下公路底基層集料相關(guān)指標(biāo)要求。水泥混凝土類建筑垃圾再生集料各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》對(duì)于高等級(jí)公路基層指標(biāo)要求。

1.2 水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料性能

磚混類混凝土再生骨料目標(biāo)應(yīng)用道路底基層，壓實(shí)度97%；水泥混凝土類再生骨料目標(biāo)應(yīng)用道路基層，壓實(shí)度98%，配合比見表2。

表1 建筑垃圾再生集料試驗(yàn)結(jié)果

表2 水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生骨料混合料配合比

注：水泥摻量為集料質(zhì)量的百分比。

根據(jù)表2分別靜壓成型φ150 mm×150 mm圓柱形試件及150 mm×150 mm×550 mm短形梁試件，分別進(jìn)行7、15、28、90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，28 d凍融循環(huán)試驗(yàn)、90 d抗壓回彈模量試驗(yàn)、90 d彎拉強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知，水泥穩(wěn)定磚混類再生材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度完全滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中二級(jí)及以下公路底基層抗壓強(qiáng)度指標(biāo)要求，隨著養(yǎng)生天數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度隨之增加，抗凍性能、抗彎拉性能優(yōu)良，具有良好的工作性能。工程所用的水泥穩(wěn)定磚混類再生材料90 d抗壓回彈模量與普通水泥穩(wěn)定碎石相當(dāng)。綜合磚混類建筑垃圾再生集料性質(zhì)，水泥穩(wěn)定磚混類再生材料可以應(yīng)用到二級(jí)及以下公路底基層。

水泥穩(wěn)定水泥混凝土類再生材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度完全滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中高等級(jí)公路極重、特重交通基層抗壓強(qiáng)度指標(biāo)要求，隨著養(yǎng)生天數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度隨之增加，抗凍性能、抗彎拉性能優(yōu)良，具有良好的工作性能。工程所用的水泥穩(wěn)定水泥混凝土類再生材料90 d抗壓回彈模量與普通水泥穩(wěn)定碎石相當(dāng)。綜合水泥混凝土類建筑垃圾再生集料性質(zhì)，水泥穩(wěn)定水泥混凝土類再生材料可以應(yīng)用到高等級(jí)公路基層。

表3 水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料試驗(yàn)結(jié)果

2 水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料結(jié)構(gòu)組合驗(yàn)算

JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，2017年9月1日正式施行，較舊版JTG D50-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算方面改變較大。該文以新規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，以2017年北京市某路大修工程結(jié)構(gòu)為原型(此路設(shè)計(jì)依據(jù)2006年版規(guī)范)，探討水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算。

2.1 舊路調(diào)查與研究

通過FWD落錘式彎沉儀對(duì)銑刨完的舊路進(jìn)行檢測(cè)。銑刨清理后的舊路頂面彎沉值變化較大，主要集中在0.7～1.2 mm，取代表彎沉值2.02 mm進(jìn)行舊路當(dāng)量回彈模量計(jì)算，采用FWD彎沉儀，50 kN沖擊荷載，承載板直徑0.3 m。

根據(jù)規(guī)范JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式7.4.4計(jì)算。

(1)

計(jì)算得：Ed=92.5 MPa，舊路強(qiáng)度良好。

2.2 加鋪層材料檢驗(yàn)

2017年版規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算前，要求對(duì)加鋪層材料相關(guān)性能進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，并確定相關(guān)指標(biāo)參數(shù)。背景工程為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)年限8年，標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne5=3.265×106次/車道，加鋪層路面結(jié)構(gòu)為上面層4 cm AC-13，下面層6 cm AC-20，上基層18 cm水泥穩(wěn)定水泥混凝土類再生材料，下基層18 cm水泥穩(wěn)定水泥混凝土類再生材料，底基層16 cm水泥穩(wěn)定磚混類再生材料。

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料規(guī)范要求的指標(biāo)只有7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及殘留抗壓強(qiáng)度比，上文對(duì)水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料兩項(xiàng)指標(biāo)都進(jìn)行了試驗(yàn)，滿足二級(jí)公路基層及底基層相關(guān)性能要求。

瀝青混合料材料性能較2006年版規(guī)范增加了瀝青混合料貫入強(qiáng)度性能驗(yàn)證，參照規(guī)范JTG D50-2017附錄F制作了相應(yīng)規(guī)格的壓頭，分別對(duì)加鋪層瀝青混合料AC-13及AC-20進(jìn)行貫入強(qiáng)度試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型高度100 mm試件，60 ℃加載速率1 mm/min，測(cè)得AC-13貫入強(qiáng)度0.84 MPa，AC-20貫入強(qiáng)度0.87 MPa。

(1) 根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》公式5.5.8-3計(jì)算路面結(jié)構(gòu)綜合貫入強(qiáng)度Rτs：

(2)

式中：n為瀝青混合料層數(shù)，背景工程為2層；ωis為第i層瀝青混合料權(quán)重，瀝青混合料層為2層時(shí)，自上而下，ω1可取0.44，ω2可取0.56；Rτi為第i層瀝青混合料貫入強(qiáng)度，第一層為AC-13，Rτ1試驗(yàn)值為0.84 MPa；第二層為AC-20，Rτ2試驗(yàn)值為0.87 MPa。

代入式(2)，計(jì)算得Rτs=0.86 MPa。

(2) 根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》公式5.5.8-2計(jì)算路面結(jié)構(gòu)系數(shù)ψs：

(3)

式中：ha為瀝青混凝土層厚度，背景工程為100 mm；hb為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層厚度，背景工程為520 mm；Eb為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層模量，由于規(guī)范沒有明確多層結(jié)構(gòu)模量如何取值，該文根據(jù)兩種不同材料90 d彎拉彈性模量試驗(yàn)值取平均值取整后確定為18 000 MPa。

代入式(3)，計(jì)算得ψs=1.146。

(3) 根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》公式5.5.8-1進(jìn)行貫入強(qiáng)度驗(yàn)算Rτs：

(4)

式中：Td為設(shè)計(jì)溫度，北京地區(qū)月平均氣溫大于0 ℃，各月份氣溫平均值，17 ℃；[Ra]為瀝青混合料層容許永久變形量，根據(jù)公路等級(jí)查表(JTG D50-2017 表3.0.6-1)確定為20 mm；Ne5為標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)，為3.265×106次/車道。

代入式(4)，計(jì)算得Rτs=0.86≥0.02。

可見使用水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料瀝青路面結(jié)構(gòu)滿足二級(jí)公路貫入強(qiáng)度驗(yàn)算要求。

2.3 路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

該文主要對(duì)水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料進(jìn)行研究，由于應(yīng)用層位為大修道路基層，需要對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂進(jìn)行驗(yàn)算，設(shè)計(jì)指標(biāo)、力學(xué)響應(yīng)及豎向位置如表4所示，路面結(jié)構(gòu)材料相關(guān)指標(biāo)如表5所示。

AC-13、AC-20采用20 ℃、10 Hz條件下動(dòng)態(tài)壓縮模量試驗(yàn)值，水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料采用90 d彎拉彈性模量試驗(yàn)值，舊路模量為落錘式彎沉儀測(cè)量確定，泊松比參照規(guī)范JTG D50-2017表5.6.1確定。

表4 設(shè)計(jì)指標(biāo)力學(xué)響應(yīng)及豎向位置

表5 路面結(jié)構(gòu)材料指標(biāo)

力學(xué)響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)位置如圖1所示，選取4點(diǎn)位置計(jì)算最大力學(xué)響應(yīng)值。

圖1 力學(xué)響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)位置圖(單位：mm)

采用Ansys軟件，計(jì)算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)荷載BZZ—100，輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa，當(dāng)量圓半徑為10.65 cm，兩輪中心距為3倍當(dāng)量圓半徑，A點(diǎn)設(shè)置為當(dāng)量圓原點(diǎn)0 mm，B點(diǎn)為106.5 mm，C點(diǎn)為159.8 mm，D點(diǎn)為133.2 mm。

計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 Ansys軟件力學(xué)響應(yīng)值計(jì)算結(jié)果

選取位置A層底拉應(yīng)力σt作為計(jì)算值，根據(jù)規(guī)范JTG D50-2017中公式B.2.1-2計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)綜合修正系數(shù)kc=c1ec2(ha+hb)+c3，按照規(guī)范JTG D50-2017表B.2.1-2取值，c1=18.5、c2=-0.01、c3=-1.32，ha為瀝青混合料層厚度取10 mm，hb為計(jì)算點(diǎn)以上無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層厚度，上基層層底取180 mm，下基層層底取360 mm，底基層層底取520 mm。

計(jì)算得：kc-上基層=1.447，kc-下基層=-0.863，kc-底基層=-1.228。

根據(jù)規(guī)范JTG D50-2017中公式B.2.1-1計(jì)算各無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞開裂壽命Nf2。

式中：ka為季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)，取0.8；kT2為溫度調(diào)整系數(shù)，取1.23；a、b為疲勞試驗(yàn)回歸參數(shù)，根據(jù)JTG D50-2017 表B.2.1-1確定，a=13.24、b=12.52；β為目標(biāo)可靠指標(biāo)，二級(jí)公路取1.04。

計(jì)算得：Nf2-上基層= 6.56×1013次/車道，Nf2-下基層=3.09×1010次/車道，Nf2-底基層=1.75×109次/車道。

三層水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料疲勞開裂壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)3.265×106次/車道，滿足無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂驗(yàn)算要求。

3 結(jié)論

(1) 磚混類建筑垃圾再生集料壓碎值等關(guān)鍵性指標(biāo)較弱，建議用于二級(jí)以下公路底基層；水泥混凝土類建筑垃圾再生集料各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足高等級(jí)公路基層指標(biāo)要求，可替代普通粗、細(xì)集料，但由于破碎、除雜等技術(shù)問題，使用前需要對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，加大抽檢頻率。

(2) 水泥穩(wěn)定磚混類再生材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足二級(jí)及以下公路底基層抗壓強(qiáng)度指標(biāo)要求，抗壓強(qiáng)度穩(wěn)步增長，抗凍性能、抗彎拉性能優(yōu)良，具有良好的工作性能。

(3) 水泥穩(wěn)定水泥混凝土類再生材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足高等級(jí)公路極重、特重交通基層抗壓強(qiáng)度指標(biāo)要求，抗壓強(qiáng)度穩(wěn)步增長，抗凍性能、抗彎拉性能優(yōu)良，具有良好的工作性能。

(4) JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于瀝青路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算變化較大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料完全滿足瀝青混合料貫入強(qiáng)度性能驗(yàn)證及疲勞開裂驗(yàn)算要求，建議設(shè)計(jì)院所及檢測(cè)公司根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求配備相關(guān)設(shè)備，通過試驗(yàn)確定原材料性能。