建筑垃圾再生骨料作为路基填料使用的可行性与经济性分析_尹超.pdf

工程设备与材料 93工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月建筑垃圾再生骨料作为路基填料使用的可行性与经济性分析尹 超酒泉职业技术学院 土木工程学院，甘肃 酒泉 735000摘要：文章选取旧建筑拆除类建筑垃圾作为研究对象，经过破碎筛分处理，对建筑垃圾进行筛分试验、标准击实试验及承载比（CBR）试验。对甘肃酒泉地区常用路基回填料填筑黏土、级配砂石进行分析，建筑垃圾符合市政路基填料的要求。运用 MIDAS/GTS仿真软件，根据摩尔-库伦定律进行仿真分析，结果表明：经过处理的建筑垃圾能满足路基承载力要求，路基沉降量小于普通黏土路基，略大于级配砂石路基，建筑垃圾作为市政道路路基填料是可行的。通过经济效益分析，在市政道路路基中使用建筑垃圾再生骨料，能节约工程成本约 19.5%。关键词：建筑垃圾；城市道路；CBR；路基变形分析Abstract:This paper selects the old building demolition construction waste as the research object,and carries out screening test,standard compaction test and bearing ratio(CBR)test on the construction waste through crushing and screening treatment.Based on the analysis of the common subgrade backfill in Jiuquan,Gansu Province-filling clay and graded sand and gravel,the construction waste meets the requirements of municipal subgrade filler.The MIDAS/GTS simulation software is used to carry out simulation analysis according to the Mohr-Coulomb law.The results show that the treated construction waste can meet the requirements of subgrade bearing capacity,the subgrade settlement is less than that of ordinary clay subgrade,and slightly larger than that of graded sand and gravel subgrade.It is feasible to use construction waste as the subgrade filler for municipal Feasibility and Economic Analysis of Using Recycled Aggregate from Construction Waste as Subgrade Filler YIN ChaoSchool of Civil Engineering,Jiuquan Vocational Technical College,Jiuquan 735000,Gansu,China030.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.02.作者简介：尹超，男，本科，讲师、工程师，研究方向为市政工程施工。随着我国城市建设的不断发展，越来越多的旧有建筑物因不能满足现有使用要求需要进行拆除或者改建，随之而来的建筑垃圾也日益增多，建筑垃圾减量化处理已经成为急需解决的问题1。近年来我国每年产生建筑垃圾总量约为 36 亿 t，目前国内建筑垃圾利用率不足 5%2。我国作为建筑业大国，城市化进程的不断推进，产生的大量建筑垃圾被直接填埋或露天堆放，占用有限的土地资源，对环境造成了不可逆的污染3。同时在施工过程中需要大量的砂石骨料，而现阶段环保政策日益严苛，建筑业对砂石骨料的需求量又逐年增加，导致砂石料价格上涨4。市政道路在施工中需要大量路基填料、水泥稳定粒料，文章主要对建筑垃圾经过处理后能否作为道路基层回填料使用进行研究，为建筑垃圾的再生利用提供参考依据。1 建筑垃圾的分类通过对建筑垃圾填埋场的调查，酒泉地区常见的建筑垃圾，根据来源不同大致可以分为三类。第一类是旧建筑拆除时产生的，此类成分基本为砖块、砂浆、混凝土块等，在建筑垃圾中存量较大，这部分建筑垃roads.According to the economic benefit analysis,the use of recycled aggregate from construction waste in municipal road subgrade can save about 19.5%of the project cost.Key Words:construction waste;urban road;CBR；subgrade deformation analysis分类号：U414工程设备与材料 942023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究3.3 标准击实试验及压碎值试验标准击实试验所测得的最大干密度可反映材料的密实性，能为现场施工时检测材料的压实度提供参考依据。分别对建筑垃圾再生骨料、填筑黏土、天然级配砂石三种路基填料进行试验，依据试验进行对比分析。测定各组最大干密度及对应的最佳含水率，试验结果如表 3 所示。分别对建筑垃圾再生骨料和天然级配砂石的压碎值进行测定，结果如表 4 所示。表 3 击实试验结果表 4 压碎值试验结果对比建筑垃圾骨料、填筑黏土、天然级配砂石的最大干密度，建筑垃圾骨料干密度较筑黏土增加明显，略低于级配砂石最大干密度。这是因为建筑垃圾内有大量粗骨料，经过破碎筛分后级配良好。由于建筑垃圾再生骨料中含有砖块等，试验组压碎值平均值为圾目前没有被有效地处理，大部分采用填埋处理，对环境造成较大危害5。第二类为建筑施工过程中产生的，此类成分主要为废弃建筑材料，包括混凝土块、砖、砂浆及其他有机建筑材料，此类建筑垃圾目前回收利用率较高，主要作为混凝土再生骨料使用6。第三类为施工开挖过程中产生的，主要成分为砂砾、土等，此类建筑垃圾量较大，但无须处理，可以用于绿化种植等，危害较小7。建筑垃圾处理主要针对旧建筑拆除产生的建筑垃圾进行研究，通过对此类建筑垃圾进行分析，具体成分如表 1 所示。混凝土块、砖块、碎石、砂浆等骨料成分的比例达到 84.63%，具有较高的再生利用价值，经过处理后，可以在市政道路路基填料中使用。表 1 建筑垃圾成分统计表3.2 建筑垃圾筛分试验建筑垃圾破碎筛分后分为粗骨料和细骨料，筛分结果如表 2 所示。根据一般要求，把粒径大于 4.75 mm的颗粒划分为粗骨料，粒径小于 4.75 mm 的划分为细骨料。粗骨料主要起到骨架作用，对路基的承载能力起到关键作用，细骨料起到填充粗骨料间隙的作用，粗细骨料互为补充。经现场筛分试验，细骨料含量没有超过 20%，符合路基施工填料标准。表 2 建筑垃圾筛分结果混凝土块砖块碎石渣土砂浆其他38.31%25.22%12.58%10.35%8.52%5.02%2 建筑垃圾的处理建筑垃圾的成分及形态较为复杂，在拆除过程中没有进行严格分类，成分主要为混凝土块、砖、钢筋、木、预制构件等，虽然此类建筑垃圾可利用价值较高，但必须通过处理后才能进行二次利用8。目前，国内成熟的建筑垃圾处理设备主要为破碎筛分设备，分为固定式和移动式，这两类设备处理流程基本相近，都是需要对不规则建筑垃圾进行破碎、筛分剔除有机物后进行分类。处理流程分为破碎、有机物质分离、金属物去除、筛分四个步骤9。3 建筑垃圾再生骨料性能试验3.1 工程概况酒泉市肃州区新城区三期北片区基础设施建设某道路，路幅总宽度为30 m，包括车行道、人行道、绿化分隔带等。车道宽度为3.5 m，车行道设计宽度为18 m，双向四车道，为城市支路，设计时速为 30 km，路面结构计算标准轴载为 BZZ-100。勘察到项目 K0+320 K0+560路基范围内现场埋有大量旧建筑拆除垃圾，埋深 3.2 6.6 m，约有 31 500 m3的建筑垃圾处理工程量。此部分建筑垃圾全部挖除后换填天然级配砂石，产生工程费用较多，建筑垃圾弃置场地距离项目所在地较远，成本较高，同时会占用大量土地。建筑垃圾的再生利用对此工程有较大意义，故通过对比试验及仿真，研究建筑垃圾再生骨料作为路基填料使用的可行性与经济性。筛孔直径/mm通过百分比40.0085.3%37.5063.8%31.5060.5%26.5055.8%19.0048.9%13.2042.3%9.5035.2%4.7517.8%路基填料最大干密度/(gcm-3)最佳含水率建筑垃圾骨料1.9712.7%天然级配砂石1.9811.6%填筑黏土1.9315.3%路基填料压碎值建筑垃圾骨料21.65%天然级配砂石8.72%填筑黏土工程设备与材料 95工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月垃圾骨料、天然级配砂石、填筑黏土三种材料进行对比分析。依据前期室内试验确定各种路基填料的物理力学参数，具体如表 6 所示，填筑厚度按平均值取 4.0 m。表 6 路基填料物理力学参数统计表4.3 基于 MIDAS/GTS 的模型分析MIDAS/GTS 是工程中应用较广泛的仿真软件。反映材料性质的应力、应力变化率等和应变、应变率等之间的关系称为本构方程，MIDAS/GTS 包含的材料本构模型有四类，选用莫尔-库伦模型进行仿真计算分析。依据道路设计图纸，建立有限元二维计算模型，如图 1 所示。根据城市道路设计相关规定，静荷载 F依据设计要求取 100 kN，分别对建筑垃圾再生骨料、填筑黏土、天然级配砂石三种路基填料进行数值计算。模型仅考虑静荷载作用下的路基变形，未考虑计算填筑材料自重导致的沉降。F=100 kN路床路基图 1 有限元二维计算模型根据计算模型分别计算三种路基填料的静荷载作用下路基沉降数值，如图 2 图 4（见下页）所示。在荷载作用下路基中心产生最大沉降，符合工程实际情况。路基周边邻近区域也产生一定沉降，但沉降量基本小于21.65%，远大于天然级配砂石，这表明建筑垃圾再生骨料的抗压性能比天然骨料差。3.4 承载比试验承载比 CBR 是路基填料强度评定的主要依据，对路基填料的选择有较重要意义。根据含水量击实试验随机选取三组试样，浸水 4 d 后进行承载力试验，试验结果如表 5 所示。表 5 承载比试验结果试验分析建筑垃圾再生骨料贯入量为 2.5 mm 的CBR 平均值为 38.23%，贯入量为 5.0 mm 的 CBR 平均值为 42.43%，城市道路路基设计规范（CJJ 1942013）规定，快速路和主干路路基填料的 CBR 应不小于 8%。说明建筑垃圾再生骨料强度能满足道路基层承载力要求，并且建筑垃圾再生骨料浸水后膨胀率小于0.02%，满足城市道路路基填料的要求。4 建筑垃圾填料路基变形分析4.1 路基模型的建立Coulomb 在 1773 年基于土体摩擦试验、剪压试验和三轴试验原理，创新性地总结了库仑破坏准则剪应力屈服准则，剪应力屈服准则指出当土体某平面上剪应力达到特定的数值时，会使土体处于屈服状态。剪应力 屈服准则方程为=f(c,n)（1）式中：c 为土体的黏聚力；为土体的内摩擦角；n为屈服面上的正应力。剪应力屈服准则方程简称 MC 模型，目前在地基承载力方面被广泛使用，仿真试验依据莫尔-库伦模型进行。4.2 路基模型及物理参数为进行建筑垃圾骨料作为路基填料应用的可行性分析，依据酒泉地区采用的两种常用材料天然级配砂石、填筑黏土，分别对建筑垃圾、天然级配砂石、填筑黏土三种路基填料进行建模。计算模型取上路床 0.5 m、下路床 0.3