建筑垃圾再生骨料力學(xué)性能淺析

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

摘要：基于科學(xué)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(huán)境的破壞，將建筑垃圾處理成再生骨料是未來綠色建筑發(fā)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(zhì)，結(jié)果表明：骨料的最優(yōu)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(tài)下的試樣的壓縮特性均表現(xiàn)出前期迅速增長、后期增速減慢的變形發(fā)展模式；試樣的內(nèi)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(guān)鍵詞：建筑垃圾；再生骨料；力學(xué)性能；室內(nèi)試驗

1.引言

隨著我國城市化進程的快速發(fā)展,城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、道路改擴建產(chǎn)生的建筑垃圾日益俱增。近幾年年產(chǎn)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(shù),絕大部分建筑垃圾被露天堆放或簡易填埋,影響城市環(huán)境、破壞生態(tài)環(huán)境,造成嚴重的社會問題。水工結(jié)構(gòu)建設(shè)對于土石等原材料存在巨大需求。但出于環(huán)保的要求,政府對開山采石做出了嚴格限制。可以預(yù)見,未來水工結(jié)構(gòu)建設(shè)所需的土石等原材料將面臨嚴重短缺。因此,將建筑垃圾經(jīng)處理后補充或替代天然土石料用于水工結(jié)構(gòu)填筑既能緩解垃圾圍城的問題,又能有效解決開山采石導(dǎo)致的環(huán)境污染等問題,是促進基礎(chǔ)設(shè)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(zhì)的基礎(chǔ)上,將建筑垃圾再生材料作為水工結(jié)構(gòu)骨料,在考慮研究區(qū)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(xué)特性。再生骨料的性能在一定程度上決定了其用途,部分學(xué)者已對再生骨料的性能進行了相關(guān)研究。徐亦冬等[1]采用試驗研究了再生骨料的物理指標(biāo),與傳統(tǒng)天然骨料對比發(fā)現(xiàn)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(zhì),并證明了再生骨料的質(zhì)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(biāo)方面。Hasaba[5]研究發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)與原始骨料相比,再生骨料具有更好的性能。Kolay等[7]指出當(dāng)再生材料和原生材料的級配相同時,具有相似的物理力學(xué)性能,說明了將再生骨料作為基層骨料,具有一定的經(jīng)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(xué)特征。

2.試驗概況

2.1試驗材料

建筑垃圾再生材料物質(zhì)組成復(fù)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(chǎn)生的拆除建筑垃圾,多為磚混結(jié)構(gòu)。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(shè)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(fù)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(nèi)壁均勻涂抹凡士林,稱量擊實筒的質(zhì)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(huán)；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(zhì)量；在試樣的中心處取2點,收集土樣,質(zhì)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(yīng)的含水率定義為最優(yōu)含水率。2）壓縮試驗。分別對干燥狀態(tài)、最優(yōu)含水率狀態(tài)和飽和狀態(tài)的建筑垃圾再生骨料試樣進行壓縮試驗,分析干濕狀態(tài)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(jié)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(jié)儀里,調(diào)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(tài)、最優(yōu)含水率狀態(tài)和飽和狀態(tài)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(tài)對骨料抗剪特性的影響,直剪試驗所用儀器為ＺＪ型應(yīng)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(dāng)剪切應(yīng)力出現(xiàn)峰值或剪切位移達到6mm停止加載,取剪應(yīng)力-剪切位移曲線中的剪應(yīng)力峰值作為試樣的剪切強度。試驗設(shè)置了４組正應(yīng)力：100、200、300、400kPa。

3.試驗結(jié)果

3.1擊實試驗結(jié)果

建筑垃圾再生骨料的擊實曲線如圖2,可以發(fā)現(xiàn)：骨料的最優(yōu)含水率約為14%,對應(yīng)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(yōu)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(jié)果

圖3給出了不同工況下試樣的壓縮曲線,可以發(fā)現(xiàn)：不同狀態(tài)下的試樣的壓縮特性均表現(xiàn)出前期迅速增長、后期增速減慢的變形發(fā)展模式；在其他試驗條件相同時,干燥狀態(tài)、最優(yōu)含水率狀態(tài)、飽和狀態(tài)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(yīng)變形能力。

3.3直剪試驗結(jié)果

圖4為試樣的抗剪強度關(guān)系曲線,可以發(fā)現(xiàn)：在同一干濕狀態(tài),試樣的抗剪強度隨著豎向正應(yīng)力的增大而線性增大。在相同正應(yīng)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(tài)對建筑垃圾再生骨料抗剪特性的影響,依據(jù)圖4所示的抗剪強度與豎向正應(yīng)力的線性關(guān)系,根據(jù)Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則計算得到試樣的抗剪強度指標(biāo)粘聚力和內(nèi)摩擦角,如圖5所示。可以看出：內(nèi)摩擦角、粘聚力與含水率狀態(tài)的關(guān)系表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢,試樣的內(nèi)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(nèi)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(jié)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(zhì),主要結(jié)論如下：（1）骨料的最優(yōu)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(tài)下的試樣的壓縮特性均表現(xiàn)出前期迅速增長、后期增速減慢的變形發(fā)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(yōu)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(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢,試樣的內(nèi)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(shè)計研究院有限公司