對建筑廢棄物再利用的土體力學性能研究

魏文博 李建峰 黃笑蘊 梅海榮

(張家口市建設工程質量監督站,河北 張家口 075000)

0 引 言

張家口地區多山地,城市建設因地形受到較大影響,而且該地區存在黏土,在建設工程施工工程中表現出較多的問題,造成建筑不均勻沉降等引起的砌體開裂、樓板裂縫、門窗局部変形等影響,設計過程中應充分考慮地基承載力,對工程中地基土改良以及化學方法進行加強多有學者進行研究.趙潤濤[1]采用化學改良劑對黏土進行改良通過添加不同比例水泥和石灰達到改良效果,結果表明改良效果明顯.王丙杰[2]等通過對軟黏土添加石膏和水泥進行改良,探究在干濕循環條件下改良土的含水率和干密度的變化,該方法提高黏土的水穩定性.吳家琪[3]等對近?？谲涴ね吝M行研究,對齡期和水泥摻量進行分析水泥改良軟黏土的無側限抗壓強度進行研究,劉朋飛[4]采用液塑限研究不同改良劑對液塑限的影響程度,確定改良劑的地層適用性.朱瑩瑩[5]等通過水泥粉煤灰進行固化黏土提高力學性能,研究結果顯示抗剪強度顯著提升.學者對黏土的改良經常采用化學試劑及傳統改良劑進行改良固化,效果均優于原狀黏土.

本文采用建筑垃圾碎渣進行改良原狀軟黏土,通過添加不同摻量的建筑碎渣及石灰粉進行研究,對地區軟黏土的開挖利用改良進行試驗研究,推動地區經濟發展,更好服務地方建設.

1 試驗材料

試驗采用取自張家口某建設工程項目施工開挖現場,對土樣進行整理記錄,采用烘干設備對土樣進行烘干,確定土樣基本力學參數如表1.試驗用建筑碎渣取自某拆除施工現場,對建筑垃圾用碎渣進行粉碎研磨過4.75mm洗篩進行篩分,保留過孔顆粒并對區成分進行分析,如表2所示.石灰采用某品牌碳酸鈣,試驗前對石灰粉的組成成分進行測定,如表3所示.

表1 取樣黏土力學參數

表2 建筑碎渣顆粒成分

表3 石灰粉成分測定

2 試驗過程

試驗采用無側限抗壓強度試驗儀,試件制作過程中對試驗方案進行確定,對不同摻量的配合比進行確定,對試件進行編號,對不同齡期的試件進行標養室養護,無側限抗壓強度試驗參照規范[6],壓力機制作50mm(直徑)×50mm(高度)試件,脫模后放入標準養護室內(溫度20±2℃,濕度≥95%)進行養護,標準養護7天.養護期最后一天將試件取出,然后放置于溫度20±2℃的水中,水平面高于試件表面2.5cm,進行浸水試驗,將試件浸水,24小時后取出,去除表面水分.為降低含水率對試驗結果的影響,以最優含水率作為試驗含水率;固化劑摻量會對最優含水率及最大干密度產生影響,確定最優摻量減小含水率及干密度對試驗結果的影響,分別對摻量各混合料進行擊實試驗,由試驗結果可知當摻量為8%～12%時干密度值變化范圍較小.試驗過程嚴格按照實驗操作手冊進行,過程如圖1所示.

圖1 無側限抗壓強度試驗過程

3 試驗結果分析

3.1 摻入建筑垃圾對土體的影響

通過對建筑垃圾碎渣的添加量進行對比分析(如圖2),建筑垃圾碎渣軸向應力隨著軸向應變的增加呈現增長趨勢,達到最高峰值時呈下降趨勢,隨著建筑垃圾摻量的增加軸向應變亦在增加,并不呈現逐步增長趨勢,當建筑垃圾碎渣摻量達到15%時軸向應力應變達到最大值,故當建筑垃圾碎渣達到15%時可以實現較好的應力效果.

圖2 建筑垃圾對土體軸向應力應變影響

當建筑垃圾碎渣摻量不變的情況下,探究齡期對強度的影響,采用無側限抗壓強度試驗對不同養護齡期試件進行強度試驗,強度結果如圖3所示.建筑垃圾碎渣摻量在養護齡期增加的情況下,抗壓強度增加,而且摻量不同養護齡期對抗壓強度的影響呈現正相關,呈增長趨勢.當摻量為15%時,隨著養護齡期的增長土體抗壓強度增幅較大,表現最明顯,養護齡期不同的情況下,摻量為15%可以到達最優的效果.建筑垃圾碎渣加入到軟黏土中,建筑垃圾碎渣包括的小顆粒物質填充到軟黏土中提高軟黏土的粘結力和摩擦力,抑制土體變形的發展,提高土體的力學性能.

圖3 養護齡期對強度影響

3.2 摻入石灰粉對土體的影響

探究石灰粉對軟黏土的影響,將試件放置標養室7d,經過養護后的試件軸向應力應變試驗,試驗結果如圖4所示.石灰粉對土體的影響隨著軸向應力的增大先升高后降低,且隨著石灰粉摻量的增加,土體能夠承受的軸向應力也不斷升高,其中添加5%石灰粉的土體最為顯著;而隨著石灰粉摻量的增加,土體承受軸向應變的能力減弱,且在下降階段速率增快,摻量為5%的土體最為明顯,說明在摻入石灰粉后雖然土體承受軸向應力更強,但土體延性降低,土體的脆性破壞更加明顯.

圖4 石灰粉對土體軸向應力應變影響

為探究摻入石灰粉后土體養護齡期對抗壓強度的影響,采用無側限抗壓強度試驗對不同養護齡期試件進行強度試驗,試驗結果如圖5所示.摻入石灰粉的土體隨養護齡期增加,抗壓強度增加,且隨著摻量百分比含量的增加,在相同養護齡期下,土體的抗壓強度有所提高.當摻量為5%時,養護齡期對抗壓強度的影響最大.在養護齡期不同的情況下,摻量為5%能夠承受最大的抗壓強度.因此在土體中適當摻入石灰粉可以有效提高土體抗壓能力,提高土體力學性能.

圖5 養護齡期對強度的影響

3.3 兩種摻料對土體的綜合影響

結合上述內容分析土體混合建筑垃圾和摻入石灰粉對應力應變的影響,控制土樣養護齡期為七天,分析結果如圖6.由圖6可知,土樣養護期為七天時,混合建筑垃圾和摻入石灰粉的土樣軸向應力均大于素土.由(a)、(b)、(c)三圖分別可知,當土體摻入石灰粉為5%,加入10%建筑垃圾時,土體能夠承受的軸向應力最大;當土體摻入石灰粉為5%,加入15%建筑垃圾時,土體能夠承受的軸向應力最大;當土體摻入石灰粉為4%,加入20%建筑垃圾時,土體能夠承受的軸向應力最大.當建筑垃圾摻入比例為10%時,加入石灰粉的土樣達到軸向應力的峰值速率要明顯快于素土,之后下降趨勢也更加快速,當建筑垃圾摻入比例為15%時,這種趨勢減緩,當建筑垃圾摻入比例為20%時,這種趨勢幾乎不存在,但總體來說達到軸向應力極限值所用時間高于素土.且三圖對比發現,當土體摻入石灰粉為4%,加入20%建筑垃圾時,土體能夠承受的軸向應力最大.

(a)10%建筑垃圾混合土 (b)15%建筑垃圾混合土

(c)20%建筑垃圾混合土圖6 7天養護齡期下不同比例建筑垃圾和石灰粉混合土樣的應力應變曲線

圖7綜合分析在不同養護齡期下在土體中摻入相同比例的建筑垃圾與石灰粉時土樣的應力應變變化規律.分別分析(a)、(b)、(c)三張圖發現,當建筑垃圾摻入比例一定時,摻入石灰粉含量越高,土體抗壓強度越高,但當建筑垃圾摻入比例達到20%時,摻入4%的石灰粉含量土體抗壓強度大于摻入5%石灰粉的抗壓強度.而當土體摻入建筑垃圾比例一定時,隨著摻入石灰粉含量的增加,土體抗壓強度有所提升,但提升并不明顯.養護齡期在一定程度上確實可以提升土體的無側限抗壓強度,但摻入一定比例的建筑垃圾和石灰粉后能夠提升土體更多的無側限抗壓強度.總體分析發現,當摻入20%建筑垃圾以及4%石灰粉時,土體抗壓強度提升最多.

(a)10%建筑垃圾摻入石灰粉 (b)15%建筑垃圾摻入石灰粉

(c)20%建筑垃圾摻入石灰粉圖7 兩種摻入物在不同養護齡期下對土樣無側限抗壓強度的影響

綜上所述,在土體中同時摻入一定比例的建筑垃圾和石灰粉,能夠有效提升土體的無側限抗壓強度,并且當摻入20%建筑垃圾以及4%石灰粉時,土體抗壓強度提升最多,可以作為最優方案.加入石灰粉能夠提升土體極限抗壓強度,但會降低土體延性.摻入建筑垃圾不能明顯提升土體抗壓強度,但可以彌補摻入石灰粉帶來的不足,兩者相結合能夠發揮更好作用.

4 結 論

(1)將建筑垃圾摻入土體中不能有效提升土體抗壓強度,但有助于提高土體延性.

(2)將石灰粉摻入土體能夠有效提升土體無側限抗壓強度,但會削弱土體延性.

(3)將建筑垃圾和石灰粉共同摻入到土體中,二者摻料能夠互補,提升土體無側限抗壓強度.

(4)當摻入20%建筑垃圾以及4%石灰粉時,土體抗壓強度提升最多,若能夠適當延長養護齡期則能夠達到最好效果.

綜上可知,在黏土中摻入一定比例的建筑垃圾和石灰粉,能夠提升黏土的力學性能,也為建筑垃圾的處理提供了新的研究方向.但考慮到實際工程各種復雜的環境因素以及工期進度,工程造價等人為因素,本研究僅提出一種新的方向,具體效果還需進一步在工程實踐中驗證.