道路用砖混类建筑垃圾再生材料试验分析

本文首先对所用砖混类再生骨料的外观、表观密度、吸水率、压碎值及杂物含量等基本性能进行了试验研究。试验结果与天然骨料的基本性能对比，结论为：建筑骨料粒形较差、棱角偏多，骨料表面含有大量水泥砂浆，表面粗糙并存在大量微缝隙；再生骨料的表观密度比天然骨料的表观密度值小很多，吸水率远远大于天然骨料的吸水率，且粗骨料比细骨料的吸水率要小。
第 1 章 绪 论

1.1 课题研究背景

  时至今日，随着时代的发展、社会的进步，全球经济呈现出爆炸式增长趋势，而全球经济的发展又推动着世界各国城市化进程的发展，城市化进程的日益推进标志着城市范围的不断扩大，从而推动着城市建筑的不断建设和拆除，在使用大量资源的过程中也带来了无数的建筑垃圾，而环境的承载力和资源都很有限，这给环境的承载和资源供给都带来了巨大挑战。这就迫切地要求我们，要走可持续发展的道路，而如何将废弃的建筑垃圾变为生产生活中可利用的资源，无疑成为了我们解决资源严重短缺问题的重要一环。然而，我国的大部分城市在建筑垃圾的规划利用方面意识较为薄弱，由此就造成了大量土地被无端占用和浪费，产生的建筑垃圾也没有存放的空间，也使得环境恶化加剧[1]。目前看来，对建筑垃圾的有效利用已到了迫在眉睫的时刻。以北京为例，北京在中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划期间（即 2011 年到 2015 年）已经建设好的建筑垃圾填埋场所能容纳的建筑垃圾数量为 3000 万吨左右，截至目前尽管北京范围内所能容纳的建筑垃圾数量已经由“十二五”规划期间的3000 万吨增加到了1.3 亿吨，实现了 4 倍的数字增长，但是由于目前城市化进程的不断推进，城市建筑建设的不断发展，城市建筑所产生的垃圾数量未来势必远远超出北京当前建筑垃圾容纳能力，在以后的几十年中建筑垃圾的存放场所也会面临空间短缺的巨大问题，对建筑垃圾的储存出现了巨大的问题。根据学界对北京市建筑垃圾未来年产生量的综合分析推测，相比于2015 年的 3900 万吨建筑垃圾，截止到 2020 年，北京市每年将产生 5000 余万吨建筑垃圾。

1.2 国内外研究现状

  日本建筑垃圾的发展和现状[11]，由于在日本，许多资源都非常稀缺，所以日本政府在 1977 年就制定了相关法律，为了给日本带来绵延不断的资源，让建筑垃圾可以重复再利用，制定了《再生集料和再生集料混凝土使用规程》，还大力建设加工厂，不断提高各厂的生产规模，提高生产效率。日本的这一举措可以节约资源，减少资源浪费，让资源可持续发展。日本还在 1991 年制定了《资源重新利用促进法》，有利于民众树立环保意识，并且规定运送“再生资源化设施”进行处理的各种建筑垃圾的产出物都具有明确记录，比如包括:木材，金属，渣土等都必须持续利用。于 1998 年日本东京在再生资源回收利用方面做出了显著的成绩，其重新利用率已达 56%,走在许多国家的前列。杜婷[12]等在文中有指出关于当今美国是最早一批提出资源重复利用的国家，美国建筑垃圾发展的现状也是很可观的。美国对于建筑垃圾具有严格的规定，他们表示自己生产的建筑垃圾必须自己处理。不准浪费不准丢弃。这一举措让美国很多建筑公司都谨慎起来，不随意生产和利用，减少建筑废弃物。美国 CYCLEAN 公司对环境保护也有很大贡献，他们设计了一栋绿色办公大楼，该大楼是由建筑废弃物建造而成，充分利用资源，减少浪费，办公大楼面积达 6.2 万平方米，引得很多美国企业和政府效仿，美国大力回收建筑废弃物，比如:沥青屋面瓦用来建造道路垫层的方法，私人车道，乡村公路，农场小路或者其它交通压力相对较轻的路面。由再生沥青屋面瓦片制作的路面，这种路面的基层是由碎石骨料组成的，其中间层是利用沥青屋面瓦废料的碎片。可以添加一些石油蒸馏物来增强沥青屋面瓦废料的胶凝性能，譬如沥青、石蜡、焦油等材料。这种路面材料从根源上解决了尘土和铺路石的问题，从而减少了堆积如山的沥青屋面瓦废弃物。当今发达国家对建筑垃圾的处理是非常感兴趣的，如今保护环境的理念已经走遍大街小巷，深入民心。大家都知道，保护我们赖以生存的环境，人人有责。在欧洲各国中，德国是最早提出保护环境这一概念的。在德国，可以看见公路就是用建筑废弃物铺垫的，德国有许多的建筑垃圾加工厂，他们认为这是所有城市的标配。拥有最多加工厂的城市是柏林，已经高达二十多个，可想而知德国对环境保护的落实程度。德国大力研究建筑垃圾混凝土，并有望将建筑垃圾的利用率达到 80%，这样的举措，值得世界上所有国家效仿。德国的 LOWER SAXONG 公路就是使用建筑垃圾作为混凝土建成的，70%以上都是采用了建筑垃圾混凝土，剩下的不到 30%则使用的是天然混凝土。法国的建筑垃圾的处理方法也是饶有趣味的，他们通过建筑垃圾与砖块相结合的方式，首先碾碎建筑垃圾和砖块，然后再加工。制造出符合 NBNB21-001（1988）标准的砖石混凝土。而英国是通过清洗的方式，大力研究砂浆和混凝土的冲洗机器，将建筑废弃物进行冲洗再利用。可见，欧洲各国都将环境保护放在很重要的位置。

第 2 章 试验原材料及方法

  根据规范 JC—T2281—2014《道路用建筑垃圾再生骨料无机混合料》，其中对再生骨料的定义为建筑垃圾再生骨料是指由建筑垃圾中的混凝土、砂浆、石、砖瓦等加工而成的粒料。经调查，在北京城区附近拆除建筑物而产生的建筑垃圾中，其中数量相对较大的是废砖块。因此，本课题进行试验的再生骨料是针对拆迁后产生的废弃砖制备成的，通过对物理力学性能试验，了解再生骨料的基本性能，同时对试验中使用的水泥，粉煤灰以及石灰等材料进行基本性能测试，以此为接下来研究公路工程中建筑垃圾再生骨料在的应用提供相应的理论基础。

2.1 试验原材料

2.1.1 水泥

  本论文试验中所使用的水泥为强度标号 32.5 的复合矿渣硅酸盐水泥，其基本性能指标见表 2-1[52]。

2.2 试验方法

2.2.1 材料性能

试验依据标准 GB/T 14685-2001《建筑用卵石、碎石》，GB/T 17431.1-2010《轻集料及其试验方法》，JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》的规定进行试验。

2.2.2 击实试验

试验依据 JTGE51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的规定进行试验，试验方法见表 2-7。

为了将建筑垃圾再生骨料应用到路基中。本章先通过对再生骨料无机混合料进行击实试验，得出混合料的最大干密度、最佳含水量。其次，分别分析了不同不同击实方法以及不同配比对以上指标的影响。最后，得出再生骨料无机混合料用于路基填料中的最佳配比以及最佳击实方法

第 3 章 初步配合比及击实方法的确定

3.1 初步配合比确定

3.2 击实方法的确定

3.3 本章小结

第 4 章 胶材掺量及混凝土颗粒含量对无机混合料性能影响研究

4.1 水泥掺量对无机混合料性能的影响

4.2 石灰粉煤灰掺量对无机混合料性能的影响

4.3 混凝土颗粒含量对无机混合料性能的影响

4.4 本章小结

第 5 章 无机混合料抗冻性以及微观结构研究

5.1 无机混合料抗冻性试验

5.2 无机混合料微观结构

5.3 本章小结

第 6 章 级配碎石路用性能研究

6.1 试验配比

6.2 试验结果

6.3 结果分析

6.4 本章小结

第 7 章 无机混合料的强度预测

7.1 曲线拟合

7.2 强度预测

7.3 本章小结

结论

  本文通过系统的试验，研究砖混类再生骨料用作路面底基层材料时各方面力学性能以及抗冻性能和路面垫层的力学性能研究。具体研究成果如下：

（1）本文首先对所用砖混类再生骨料的外观、表观密度、吸水率、压碎值及杂物含量等基本性能进行了试验研究。试验结果与天然骨料的基本性能对比，结论为：建筑骨料粒形较差、棱角偏多，骨料表面含有大量水泥砂浆，表面粗糙并存在大量微缝隙；再生骨料的表观密度比天然骨料的表观密度值小很多，吸水率远远大于天然骨料的吸水率，且粗骨料比细骨料的吸水率要小。

（2）在三种击实方法中 JS-03 击实效果最佳，可有效提高无机混合料的密实度，保证再生骨料无机混合料具有良好的路用性能。

（3）水稳类再生骨料无机混合料用于底基层材料时，试验配比范围内的抗压强度、劈裂强度均能满足现行规范对高速公路以及一级公路的要求[56]。结合工程实际，建议采用水泥掺量 4%，混凝土颗粒含量 25%。提高水泥掺量可获得更高的力学性能。

（4）石灰粉煤灰类再生骨料无机混合料用于底基层材料时，试验配比范围内的抗压强度、劈裂强度均能满足现行规范对高速公路以及一级公路的强度要求[56]。结合工程实际，建议采用石灰掺量 6%，粉煤灰掺量 14%，混凝土颗粒含量 25%；提高粉煤灰用量可获得更高的力学性能。

（5）混凝土颗粒含量对抗冻性能的影响明显；水泥掺量和石灰粉煤灰掺量对抗冻性能影响较小，粉体不能对骨料进行较好地包裹从而导致骨料骨料之间缝隙较大。电镜图片显示水化产物主要以氢氧化钙晶体为主，强度低。

（6）建筑垃圾再生骨料用作路基粒料类材料时，试验所用所有配合比的再生骨料级配碎石承载比 CBR 都在 175%~235%之间，可以作为路面垫层使用。且提高混凝土颗粒含量可以有效提高 CBR 的数值