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建筑垃圾变身“人工石子”,助力公路基建

发布日期:2017-11-27   浏览次数:

建筑垃圾变身“人工石子”,助力公路基建

  

近日,北京一条建筑垃圾变身材料的柏油路火了:

随着城市建设进程的加快,北京的建筑垃圾堆积如山,将拆卸的废料变成原料,变废为宝,才是真正的低碳、环保。建筑垃圾经过加工后,可以变成“人工石子”。再生产品还包括再生粗、细骨料,有机土、再生骨料混凝土等,有些还用于道路的铺装当中,替代天然石材,用于路基填筑,地基加固,再生混凝土,边坡防护工程等。既解决了建筑垃圾填放问题,又使得建筑垃圾变废为宝,成为道路工程新材料,降低工程造价。

建筑垃圾在公路上的应用,你知道吗

垫层位于路面与路基之间,能改善土基的湿度和温度状况。当建筑垃圾撒铺于路基上时,需要用羊角碾压路机进行碾压,以达到要求的压实度。由于羊角碾压路机激振力较大,建筑垃圾不可避免地产生破碎。若建筑垃圾骨料的粒径太小,在羊角碾压路机的作用下会产生大量的粉末,严重影响垫层的性能;若建筑垃圾骨料的粒径太大,会产生较大的空隙率,压实度达不到要求。因此,合理的建筑垃圾级配组成是保证公路垫层强度的基础。



 

建筑垃圾原材料分析

➤ 建筑垃圾组成

建筑垃圾的成分与农村房屋的结构有关,对于砖混结构而言,砖块、废旧混凝土、砂浆占90%以上;对于水泥砖(水泥砂浆)结构而言,砂浆、废旧混凝土占绝大部分;对于石砌房屋来讲,建筑垃圾主要由碎石、废旧混凝土组成。根据现场实地勘测,当地的房屋多是砖混结构,建筑垃圾主要有废旧混凝土、砖块、砂浆,此外含有少量的金属、木材以及塑料。从现场取样,并进行风干,然后人工将其按照不同材质分离,烘干后称其质量并计算其比例。

建筑垃圾初始级配

通过筛分试验,对采用移动式破碎机初步破碎的建筑垃圾颗粒进行分析。

➤室内模拟方法研究

初步采用振动击实仪模拟施工现场羊角碾压路机,振动击实仪击实效果取决于振动频率以及振动时间。由于羊角碾压路机的激振力远大于振动击实仪的激振力,为了能够在室内准确地模拟实际现场碾压破碎效果,需要确定振动击实仪合理的参数,即振动频率与振动时间。

试验方案

试验方法采用《公路土工试验规程》中的表面振动压实仪法,据振动成型经验以及振动击实仪的振动频率与振动时间的极限值,研究3种不同参数组合的振动破碎效果。

试验结果分析

根据建筑垃圾的筛分试验结果发现,粒径大于100mm的材料含量不到1%,可忽略不计,因此可近似地认为建筑垃圾的最大公称粒径为75mm,属于巨粒土。由于现行规范中没有关于巨粒土的级配,因此根据级配砾石应用于垫层的级配范围采用相似级配法制备扩大粒径的系列模型试料。相似级配法的原理如下:

级配砾石的最大公称粒径为31.5mm,因此相似级配模比Mr=75/31.5=2.38,以级配砾石的级配为基准,再根据原料中各档料的比例进行加权平均,然后配料,在3种不同振动频率与振动时间的组合下进行振动击实试验。根据振动后的级配曲线、破碎后最大公称粒径、4.75mm筛孔的通过率等指标评价不同振动方案模拟羊角碾压路机的效果,最终选择破碎效果最佳的振动方案。

可知:①方案2与方案3的级配曲线相似,而方案1的级配较方案2、方案3级配偏粗;②方案2与3振动后的最大公称粒径为37.5mm,方案1振动后的最大公称粒径为53mm;③细集料产生量:方案3>方案2>方案1。

综上所述,方案2和3的振动破碎效果相似,均好于方案1;方案2振动频率为20~50Hz循环,对仪器本身危害较大,安全性较差。综合考虑,最终选用方案3,即振动频率为50Hz,振动时间120s,作为振动击实的参数。

建筑垃圾最大粒径研究

由于建筑垃圾的最大公称粒径为75mm,级配砾石的最大公称粒径为31.5mm,因此初步将75、63、53mm作为建筑垃圾最大公称粒径的研究对象,研究振动击实后最大公称粒径的变化。采用级配砾石的级配根据相似级配原理分别放大2.38、2、1.41倍进行配料,其中每档料中废旧混凝土、砖块与砂浆的比例为42:38:20。

对不同最大公称粒径的建筑垃圾混合料进行振动击实,振动频率为50Hz,振动时间为120s,然后进行筛分试验,研究振动击实后最大公称粒径的变化,每组进行两个平行试验,取平均值作为最终试验结果。

可知:①3组试验振动击实后最大公称粒径均为37.5mm;②由于羊角碾压路机的激振力大于振动击实仪的激振力,施工现场实际的破碎效果大于室内振动击实的破碎效果,因此建筑垃圾的最大公称粒径尽量取大值。另外,根据路基施工技术规范要求:路床填料最大粒径不超过100mm。综上所述,将建筑垃圾用于公路垫层时的最大公称粒径设计为75mm,即最大粒径为100mm。

建筑垃圾最小粒径研究

《公路沥青路面设计规范》中规定:当级配砾石为排水与防冻垫层时,0.075mm筛孔的通过率不大于5%。在进行试验确定建筑垃圾的最大粒径时发现0.075mm的通过率为10%~20%,因此,通过提高建筑垃圾的最小公称粒径和闷料等方法来控制破碎后建筑垃圾0.075mm筛孔的通过率。为了能满足排水与防冻垫层的要求,需要对建筑垃圾的最小公称粒径进行研究。

初步将建筑垃圾的最小公称粒径设为0、2.36、4.75、9.5mm,最大公称粒径均为75mm,根据相似级配原理放大2.38倍进行配料,其中每档料中废旧混凝土、砖块与砂浆的比例为42:38:20。

对不同最小粒径的建筑垃圾进行振动击实,振动频率为50Hz,振动时间为120s,然后进行筛分试验,研究振动击实后建筑垃圾0.075mm筛孔的通过率随建筑垃圾最小粒径的变化规律,每组进行两个平行试验,取平均值作为最终试验结果。

可知:

(1)建筑垃圾振动击实后0.075mm筛孔的通过率随建筑垃圾最小粒径的变化规律为先减小后增大。当建筑垃圾的最小粒径为4.75mm时,振动击实后0.075mm筛孔的通过率最小,为5.1%。

(2)由于建筑垃圾的最大公称粒径为75mm,在有限的试筒体积范围之内,建筑垃圾的最小粒径太小时,不能完全填充空隙,形成骨架空隙结构,在7000N激振力作用下,产生较多的粉末;随着粒径的增加,建筑垃圾逐渐由骨架空隙结构向骨架密实结构转化,当最小粒径为4.75mm时,正好形成骨架密实结构,产生的粉末较少;当最小粒径大于4.75mm时,建筑垃圾逐渐由骨架密实结构向骨架空隙结构转化,在7000N激振力的作用下,也会产生较多的粉末。

(3)当建筑垃圾的最小粒径为4.75mm时,建筑垃圾产生的粉末最少,也能够满足排水与防冻垫层的要求。因此,将建筑垃圾的最小粒径设计为4.75mm。

建筑垃圾级配研究

➤ 建筑垃圾的初始级配确定

以级配砾石作为公路垫层的级配为基础,采用相似延伸法对其进行延伸,得到最大公称粒径为75mm、最小公称粒径为4.75mm的级配范围,作为建筑垃圾的初始级配范围。

建筑垃圾级配的优化

根据建筑垃圾初始级配范围取7组级配,分别为级配的上限、中值、下限、上限和中值之间取两个级配、下限和中值之间也取两个级配,进行振动击实试验,为了消除误差,将振动后得到的7组级配进行拟合,观察振动后的级配是否能够满足级配砾石的级配范围。

可知:采用相似级配原理配料振动击实后的级配0.15~26.5mm符合级配砾石用作垫层时的级配要求,0.075、31.5mm以上的通过率不满足级配砾石的要求。表明由级配砾石级配范围延伸得到的建筑垃圾级配范围偏粗,具体表现在以下几个方面:①建筑垃圾级配中>37.5mm筛孔的通过率偏小,且级配范围太宽;②4.75mm筛孔的通过率偏大。

根据振动击实后建筑垃圾的级配拟合曲线特点,对由相似级配延伸法得到的最大公称粒径为75mm、最小公称粒径为4.75mm的建筑垃圾级配进行优化,即得建筑垃圾用于公路垫层的级配范围。

结论与进一步研究建议

以级配砾石的级配范围为基础,根据相似级配延伸法以及建筑垃圾破碎后级配的变化规律,得到了建筑垃圾应用于垫层的级配范围。可根据此级配范围确定破碎设备的参数使之生产较为合理的建筑垃圾再生骨料,也可根据此级配范围对建筑垃圾配合比进行设计,使建筑垃圾更为合理地应用于公路垫层施工中。

➤ (1)通过振动压实试验得到适用于公路垫层的建筑垃圾最大粒径推荐为100mm,最小粒径推荐为4.75mm。

➤ (2)通过对建筑垃圾破碎后级配变化趋势的研究,确定了建筑垃圾的级配范围。

➤ (3)建筑垃圾的级配是基于室内试验进行设计的,还需要根据实际施工对其进行验证。

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中国砂石协会

2017年11月27日