建筑垃圾再生骨料力學性能淺析

緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的1篇建筑垃圾再生骨料力學性能淺析范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

摘要：基于科學合理利用建筑垃圾的考量，同時更好地滿足建筑資源以及能源的需要，減少建筑垃圾對環境的破壞，將建筑垃圾處理成再生骨料是未來綠色建筑發展的方向之一。針對建筑垃圾再生骨料，通過擊實試驗、壓縮試驗、直剪試驗等方法研究骨料物理性質，結果表明：骨料的最優含水率約為14%，并且含水率可以明顯改變骨料的擊實特性；不同狀態下的試樣的壓縮特性均表現出前期迅速增長、后期增速減慢的變形發展模式；試樣的內摩擦角隨著含水率增大而減小，粘聚力隨著含水率增大而減小。

關鍵詞：建筑垃圾；再生骨料；力學性能；室內試驗

1.引言

隨著我國城市化進程的快速發展,城市基礎設施建設、道路改擴建產生的建筑垃圾日益俱增。近幾年年產量約為18-26億噸,而消耗量僅為0.8-1.3億噸,資源利用率不足5%,目前的存量已達到200多億噸。占城市垃圾的比例約為40%,建筑垃圾主要有三類來源：舊建筑拆除（58%）、新建筑施工（36%）、新建筑裝修（6%）。因缺乏完善的管理辦法和有效可行的處置技術,絕大部分建筑垃圾被露天堆放或簡易填埋,影響城市環境、破壞生態環境,造成嚴重的社會問題。水工結構建設對于土石等原材料存在巨大需求。但出于環保的要求,政府對開山采石做出了嚴格限制。可以預見,未來水工結構建設所需的土石等原材料將面臨嚴重短缺。因此,將建筑垃圾經處理后補充或替代天然土石料用于水工結構填筑既能緩解垃圾圍城的問題,又能有效解決開山采石導致的環境污染等問題,是促進基礎設施綠色化和固廢資源化的有力舉措。基于此,以海南省海口市拆除建筑垃圾為研究對象,在分析建筑垃圾再生材料基本性質的基礎上,將建筑垃圾再生材料作為水工結構骨料,在考慮研究區域氣候特征的條件下,研究不同含水率條件下建筑垃圾骨料的力學特性。再生骨料的性能在一定程度上決定了其用途,部分學者已對再生骨料的性能進行了相關研究。徐亦冬等[1]采用試驗研究了再生骨料的物理指標,與傳統天然骨料對比發現再生骨料的吸水率與壓碎值均較大。郭遠臣等[2]研究了再生骨料的表觀密度、壓碎值、吸水率等性質,并證明了再生骨料的質量在一定程度上取決于原生建筑材料的強度。李瀅等[3]將再生骨料與天然骨料進行比較分析,分別對比了顆粒孔隙率、吸水率和壓碎值。范煒等[4]通過試驗得出再生骨料的磨耗值,并分析了表觀密度、吸水率、壓碎值和磨耗值四個指標方面。Hasaba[5]研究發現再生骨料的吸水率,通過試驗證明了再生骨料的吸水率約為11%。Arisha等[6]研究了建筑垃圾用于路基骨料的可行性,研究發現與原始骨料相比,再生骨料具有更好的性能。Kolay等[7]指出當再生材料和原生材料的級配相同時,具有相似的物理力學性能,說明了將再生骨料作為基層骨料,具有一定的經濟效益。本文通過擊實試驗、壓縮試驗、直剪試驗等方法研究建筑垃圾再生骨料,分析不同工況下建筑垃圾再生骨料的物理力學特征。

2.試驗概況

2.1試驗材料

建筑垃圾再生材料物質組成復雜,主要包括混凝土塊、磚塊、石塊、水泥砂漿、木屑等。本文所用的建筑垃圾再生材料為海南省海口市城市改造產生的拆除建筑垃圾,多為磚混結構。拆除建筑垃圾首先進行消毒和人工初步分揀出雜物,接著用篩選設備進行初篩,然后用破碎機進行破碎,最后過篩后分別存放。其基本物理性能見表1,顆粒級配曲線如圖1。

2.2試驗方案

1）擊實試驗。通過擊實試驗,研究不同含水率的建筑垃圾再生骨料的擊實特性,分別制備含水率為10%、12%、14%、16%、18%的再生骨料。試驗儀器采用ZLJ-I型擊實儀,擊實筒的直徑為100mm,高為127mm。先制備干燥土樣,并配置不同的含水率；反復攪拌使不同粒徑的顆粒混合均勻,覆上保鮮膜,靜置24h；將擊實筒內壁均勻涂抹凡士林,稱量擊實筒的質量；將試樣均勻分3層進行擊實,每層錘擊25下,每層擊實完畢需對試樣表面刮毛,在第3次裝樣前需安裝套環；擊實完畢后,取下護筒,刮除超出筒壁部分的土,將擊實筒外壁清理干凈,稱取質量；在試樣的中心處取2點,收集土樣,質量為20g,用于測量試樣的實際含水率w,計算試樣干密度,并將最大干密度對應的含水率定義為最優含水率。2）壓縮試驗。分別對干燥狀態、最優含水率狀態和飽和狀態的建筑垃圾再生骨料試樣進行壓縮試驗,分析干濕狀態對骨料壓縮特性的影響,所用儀器為WG-1C型單杠桿中壓固結儀。圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8mm和20mm,控制試樣的壓實度為90%,對于不同的工況,分3層擊實制樣,將制備后的試樣直接安裝到固結儀里,調平后按照12.5、25、50、100、200、400、800kPa順序分級加載,每一級加載24h后開始下一級加載,直至試驗完成。3）直接剪切試驗。分別對干燥狀態、最優含水率狀態和飽和狀態的建筑垃圾再生骨料試樣進行直接剪切試驗,分析干濕狀態對骨料抗剪特性的影響,直剪試驗所用儀器為ＺＪ型應變控制式直剪儀,圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8mm和20mm。控制試樣的壓實度為90%,對于不同的工況,分4層擊實制樣,將制備后的試樣直接安裝到剪切儀里,施加2.4mm/min的剪切變形,當剪切應力出現峰值或剪切位移達到6mm停止加載,取剪應力-剪切位移曲線中的剪應力峰值作為試樣的剪切強度。試驗設置了４組正應力：100、200、300、400kPa。

3.試驗結果

3.1擊實試驗結果

建筑垃圾再生骨料的擊實曲線如圖2,可以發現：骨料的最優含水率約為14%,對應的最大干密度為1.6g/cm3。并且含水率較低時,試樣的干密度隨含水率升高而逐漸增大,表明試樣的擊實效果逐步提升；含水率達到最優含水率之后,隨著含水率的進一步升高,試樣干密度逐漸降低,即試樣的擊實效果逐步減弱,由此說明含水率可以明顯改變骨料的擊實特性。

3.2壓縮試驗結果

圖3給出了不同工況下試樣的壓縮曲線,可以發現：不同狀態下的試樣的壓縮特性均表現出前期迅速增長、后期增速減慢的變形發展模式；在其他試驗條件相同時,干燥狀態、最優含水率狀態、飽和狀態試樣的豎向變形依次增大,即含水,這是因為飽和試樣顆粒表面水膜潤滑作用效果明顯,增加了試樣的可變形性能和適應變形能力。

3.3直剪試驗結果

圖4為試樣的抗剪強度關系曲線,可以發現：在同一干濕狀態,試樣的抗剪強度隨著豎向正應力的增大而線性增大。在相同正應力作用下,含水率越大,抗剪強度越小,這表明水的存在可以顯著降低建筑垃圾再生骨料的抗剪強度。為了進一步分析含水狀態對建筑垃圾再生骨料抗剪特性的影響,依據圖4所示的抗剪強度與豎向正應力的線性關系,根據Mohr-Coulomb強度準則計算得到試樣的抗剪強度指標粘聚力和內摩擦角,如圖5所示。可以看出：內摩擦角、粘聚力與含水率狀態的關系表現出不同的發展趨勢,試樣的內摩擦角隨著含水率增大而減小,但粘聚力隨著含水率增大而減小,說明孔隙水對抗剪強度有一定的影響。這是因為,含水率增大,在骨料顆粒之間形成了水膜,顯著降低了試樣的內摩擦角。另一方面,由于建筑垃圾再生骨料顆粒包裹的黏土遇水增大了顆粒間的黏性,一定程度提升了建筑垃圾再生骨料的粘聚力。

4.結論

針對不同工況下建筑垃圾再生骨料,通過擊實試驗、壓縮試驗、直剪試驗等方法研究骨料物理性質,主要結論如下：（1）骨料的最優含水率約為14%,并且含水率可以明顯改變骨料的擊實特性。（2）不同狀態下的試樣的壓縮特性均表現出前期迅速增長、后期增速減慢的變形發展模式；飽和試樣的豎向變形顯著大于干燥試樣的豎向變形,最優含水率的豎向變形處于飽和試樣與干燥試樣的豎向變形之間。（3）內摩擦角與含水率的關系表現出不同的發展趨勢,試樣的內摩擦角隨著含水率增大而減小,但粘聚力隨著含水率增大而減小。

作者:甘曉潔 單位:海南省水利水電勘測設計研究院有限公司