1、第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 建筑垃圾再生骨料改良高液限土崩解特性马强，胡泽礼，胡智，刘培玉（湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 ；浙江省交通运输科学研究院，杭州 ；中国水利水电第四工程局有限公司，西宁 ）摘要：针对高液限土水稳定性差的问题，研究了再生骨料掺量、粒径及砖混比对改良土击实特性和崩解特性的影响，并分析了改良机理。结果表明：随着再生骨料掺量的增加，改良土最大干密度和最优含水率逐渐降低；随着再生骨料掺量的增加，试样崩解时间先增大后减小，在掺量为 时，抗崩解性最好；粒径较小的再生骨料对高液限土的改良效果更好，的再生骨料崩解速率慢，同一时间崩解剩余量更多；砖混比为时改良效果最优
2、；崩解速率主要与试样裂缝大小有关，试样裂缝越大，抗崩解性越差。关键词：高液限土；建筑垃圾；击实试验；崩解特性；改良机理中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）；浙江省基础公益研究计划项目（）第一作者：马强（），男，教授，主要研究方向为土与结构相互作用、环境岩土、交通岩土通信作者：胡智，工程师，主要研究方向为交通岩土、环境岩土，高液限土是指液限大于、塑性指数大于 的细粒土。由于高液限土具有天然含水率较高、遇水后强度低、持水能力强、毛细现象明显及水稳定性差等特点，将高液限土作为路基填料会造成不均
3、匀沉降、边坡塌方等工程问题。公路路基设计规范（）中规定，未经处理的高液限土不得直接用于路基填料，因此高液限土通常会作为弃方处理，而此时路基填料则需从其他取土场开挖获得，不但不经济而且会造成水土流失。目前对高液限土路基的处治方法主要分为种：使用特殊施工工艺、掺入天然骨料和添加化学添加剂。在这几种改良方法中，掺入天然骨料的改良方法适用性最广，但开采天然骨料耗资较大，并且大量开采会破坏环境。近年来，我国每年产建筑垃圾约 亿，但是利用率却低于，大多数建筑垃圾堆积在废墟中，不仅占用土地资源，而且影响城市美观，如何 资 源 化 建 筑垃圾 是 我国 长 期面临 的一大问题。建筑垃圾再生骨料的力学性质与天然
4、骨料相近，且吸水率较高，可以有效解决高液限土天然含水率过高等问题，因此本文使用建筑垃圾再生骨料代替天然骨料。近年来，因降雨而引发的滑坡、塌方和沉降等地质灾害越来越多，因此研究路基土的崩解特性尤为重要。唐军等 以玄武岩残积土为研究对象，研究了土样矿物成分、颗粒大小和风化程度等因素对土体崩解特性的影响，结果表明，土样矿物成分、颗粒大 小 及 风 化 时 间 对 崩 解 速 率 影 响 显 著。曹 婷等 对砂 岩、泥 岩 进 行 了 崩 解 特 性 研 究，结 果 表第期马强，等：建筑垃圾再生骨料改良高液限土崩解特性明，崩解特性与岩石类型、胶结物类别等内在因素有关，试样发生崩解主要是因为裂缝的扩展贯
5、通。周翠英等 对红层风化土开展了崩解特性研究，揭示了崩解机理，并使用聚氨酯进行改良试验，发现初始含水率和压实度对崩解速率影响很大，使用聚氨酯可有效提高土体的水稳定性。目前，对土体崩解特性及崩解机理已开展大量研究，但关于土体改良后崩 解 特 性 和 影 响 改 良 效 果 因 素 的 研 究 少 有报道。故本文使用建筑垃圾再生骨料代替传统材料对高液限土进行改良，开展不同再生骨料掺量、再生骨料粒径及砖混比条件下改良土的击实试验和崩解试验，并分析再生骨料对高液限土的改良机理，旨在为改善高液限土的水稳定性提供新思路，以及为相关工程应用提供参考借鉴。试验 试验材料本文试验用高液限土取自湖北省武汉市，其基
6、本物理性质见表。建筑垃圾取自某拆迁旧楼，首先将建筑垃圾中的玻璃、钢筋等杂物剔除，然后利用颚式破碎机将砖块和混凝土分开破碎处理，最后通过筛分得到粒径为 的再生砖骨料和再生混凝土骨料，其基本物理性质见表。高液限土及再生骨料的颗粒级配曲线如图所示。表高液限土基本物理性质 液限（）塑限（）塑性指数（）比重（）最优含水率（）最大干密度（）（）表再生骨料基本物理性质 材料天然含水率（）吸水率（）比重（）表观密度（）（）再生混凝土骨料 再生砖骨料 图颗粒级配曲线 试样制备与试验方法首先对不同配比条件下的改良土进行击实试验，确定最优含水率及最大干密度，为随后进行的崩解试验样品制备提供依据。击实试验按照 土工试
7、验方法标准（）进行。崩解试样按照最优含水率和 压实度制备，试样尺 寸 为 。崩 解试 验按 照 土工试验方法标准（）进行，崩解试验装置参照周翠英等 自制（图）。崩解时每隔 记录电子秤读数，并使用相机拍下试样崩解情况。崩解特性根据崩解现象、崩解剩余量及崩解速率综合评价。每分钟对应的电子秤读数即为崩解剩余量，崩解速率计算公式为。（）式中：为某个时间段的崩解速率，；为试样在时刻的崩解剩余量，；为试样在 时刻的崩解剩余量，。根据前人经验与总结 ，确定本文中再生骨料掺量（质量分数）为、，再生骨料粒径为 、，砖混比为、。具体试验方案见表。图自制崩解仪 试验结果与分析 击实试验素土和改良土的击实试验结果见表
8、。图为在再生骨料粒径为 、砖混比为时，再生骨料掺量对改良土最优含水率和最大干密度的影响。由图可以看出，随着再生骨料掺量的增加，改良土试样最优含水率逐渐降低，最大干密度也逐渐降低。最优含水率的降低是因为再生骨料的比表面积低于高液限土的比表面积，从而导致较低的比表面积。最大干密度的降低是因为再生骨料的比重更小，此外，再生骨料中未反应的水泥与高液限土颗粒胶凝，提供抵抗致密化的效应，导致混合物的孔隙率更高，最大干密度更低。中 国 科 技 论 文第 卷表试验方案 试验编号再生骨料掺量砖混比再生骨料粒径试验编号再生骨料掺量砖混比再生骨料粒径 表击实试验结果 试验编号再生骨料掺量砖混比再生骨料粒径最优含水率
9、最大干密度（）砖混比为，粒径为 图再生骨料掺量对最优含水率及最大干密度的影响 崩解试验 掺量对崩解速率的影响在砖混比和粒径相同的情况下，不同掺量改良土的崩解状态如图和图所示。可以看出：掺量为 的改良土刚浸水不久就会产生裂缝，并伴随着大量气泡，土体散落很快；而素土、掺量为 和掺量为 的改良土仅有少量气泡，土体散落相对较慢。崩解 时刻，素土和掺量为 的改良土几乎崩解完成，而掺入 和 再生骨料的试样大部分脱落，网格上仍有小部分土体未崩解，此时几乎没有气泡出现，土体脱落缓慢。不同掺量试样的崩解剩余量和崩解速率分别如图和图所示。可以看出：在再生骨料粒径和砖混比一定的情况下，掺入再生骨料可降低崩解速率，增
10、加崩解时间；掺量为 的改良土崩解速率最慢，且崩解时间最长，而随着掺量的增加，崩解速率逐渐增大，崩解时间也相应缩短；不同掺量试样的崩解速率均随着时间的增加而减小，试样前期崩解较快，后期趋于稳定。结果表明：再生骨料可显著提升高液限土的水稳定性，随着再生骨料掺量的增加，试样的抗崩解性先增加后减小。第期马强，等：建筑垃圾再生骨料改良高液限土崩解特性砖混比为，粒径为 图 时刻不同掺量试样的崩解状态 砖混比为，粒径为 图 时刻不同掺量试样的崩解状态 砖混比为，粒径为 图不同掺量试样的崩解剩余量 砖混比对崩解速率的影响在掺量和粒径相同的情况下，不同砖混比试样的崩解状态如图和图所示。可以看出：试样刚浸水时，组
11、试样均未出现较大裂缝，仅有少量气泡逸出，且土粒散落较少；时刻，种砖混比的试样砖混比为，粒径为 图不同掺量试样的崩解速率 掺量为，粒径为 图 时刻不同砖混比试样的崩解状态 掺量为，粒径为 图 时刻不同砖混比试样的崩解状态 仍有大部分土体未崩解，未出现气泡，土粒散落缓慢。砖混比为和的试样崩解成椭圆形，而砖混比为的试样为圆锥形，说明砖混比为和的试样从各个面同时崩解，而砖混比为的试样从顶部开始崩解，底部结构未被破环。不同砖混比试样的崩解剩余量和崩解速率分别如图 和图 所示。可以看出：砖混比为和时，崩解速率较小，崩解时间长，崩解速率随着崩解时间的增加先增加后减小；砖混比为时，改良效果最好，完全崩解需要
12、，说明再生混凝土骨料对高液限土的改良效果更好。粒径对崩解速率的影响不同粒径试样的崩解剩余量和崩解速率分别如图 和 图 所 示。可 以 看 出：粒 径 为 试样的崩解速率先增大后减小，崩解时间较长，在崩解 后崩解非常缓慢；而粒径为 试样的崩解时间较短，但同样在崩解 中 国 科 技 论 文第 卷掺量为，粒径为 图 不同砖混比试样的崩解剩余量 掺量为，粒径为 图 不同砖混比试样的崩解速率 掺量为，砖混比为图 不同粒径试样的崩解剩余量 后崩解速率缓慢。表明再生骨料粒径对崩解速率的影响并不明显，粒径为 再生骨料的改良效果略优于粒径为 的再生骨料。机理分析使用 倍高清数码显微镜对试样进行微观拍摄，每个试样
13、取个点拍摄，如图 所示。可以看出：当再生骨料掺量为时，试样内几乎没有粗颗掺量为，砖混比为图 不同粒径试样的崩解速率 图 不同掺量崩解试样的微观图像 粒，黏土细颗粒间粘结较为紧密，仅有少量裂缝，试样比较密实；当掺量为 时，黏土细颗粒包裹再生骨料粗颗粒，试样几乎没有裂缝，黏土颗粒与再生骨料之间形成密实结构；当掺量增加到 时，黏土细颗粒过少，无法填充再生骨料间的孔隙，试样由致密结构变为松散结构。在非饱和土中，土体吸水和由于吸水产生的较大孔隙气压力是影响土体稳定的主要因素，此外，土体的膨胀力和黏聚力对土体稳定也有一定的影响。试样遇水后，由于土体存在基质吸力，会使试样迅速吸收水分，但试样中不同大小的孔隙
14、会产生吸力压力差，小孔隙的基质吸力相对较大，因此，水分会先进入小孔隙，其次才会进入大孔隙，导致试样中的空气无法排出，空气在吸水过程中体积被挤压，从而产第期马强，等：建筑垃圾再生骨料改良高液限土崩解特性生较大的孔隙气压力，当孔隙气压力大于黏土颗粒间的有效应力时，试样发生崩解。掺入再生骨料后，试样大孔隙减少，因此不会出现由于吸力差而产生的较大孔隙气压力。此外，研究发现，掺入再生骨料可有效降低高液限土的膨胀性，试样在崩解时膨胀力减小，从而降低崩解速率。最后，当试样密实度增大时，颗粒间的黏聚力增加，抗崩解性增强。由微观试验结果可知，随着再生骨料掺量的增加，试样的孔隙先减小后增大，当孔隙增大时，试样密实
15、度降低，整体性降低，且小孔隙与大孔隙的吸力压力差会变大，导致高液限土抗崩解性先增加后减小。相较于再生砖骨料，再生混凝土骨料表面多孔，能与高液限土之间粘结更紧密，与高液限土的机械咬合力增大，并且再生混凝土骨料中含有少量未发生水化反应的水泥，水泥与高液限土发生阳离子交换（，）、胶结絮凝和火山灰反应，形成团聚体，遇水时崩解速率降低，故当砖混比为时，改良效果优于砖混比为、时。由于高液限土粒径小于 的占比大于，当使用粒径为 的再生骨料时，改良土的颗粒级配不良，改良效果相对较差。此外，大粒径再生骨料之间孔隙更大，需要更多的高液限土填充，而试样的高液限土细颗粒有限，因此会产生较大的内部孔隙，导致改良效果劣于
16、粒径为 的再生骨料。虽然前人对土体的崩解特性及崩解机理有较为深入的研究，但关于如何提高土体崩解特性的研究却十分有限。周翠英等 使用聚氨酯对华南红层风化土进行了改良，使用聚氨酯可使土体颗粒胶结，增加土体中团聚体，形成骨架结构。卢浩等 使用聚丙烯纤维改良黄土崩解特性，聚丙烯纤维可以增加黄土的黏聚力和摩擦力，从而提高抗崩解特性。再生骨料的改良机理与聚氨酯和聚丙烯纤维相似，再生骨料可与黏土颗粒发生胶结，增加土体黏聚力，且相较于聚氨酯和聚丙烯纤维，再生骨料更加经济环保，因此可以使用再生骨料代替传统改良材料对高液限土进行改良。结论使用建筑垃圾再生骨料对高液限土进行了崩解改性试验，得到如下结论：）再生骨料的比重和比表面积均小于高液限土，因此随着再生骨料掺量的增加，改良土试样的最优含水率和最大干密度逐渐降低。）通过掺入建筑垃圾再生骨料，可明显改善高液限土的水稳性，但当掺量大于 时改良效果并不理想。砖混比为时，试样的崩解时间最长，崩解速率最慢，再生混凝土骨料对高液限土崩解特性的改良效果更好。再生骨料粒径对试样的水稳定性影响不大，粒径为 时的改良效果略优。）高液限土崩解特性主要与孔隙气压力、膨胀力及黏聚力