膨胀土是因历史地质作用形成的一种特殊性黏土,呈灰白、灰黄、棕红、褐黄等色状,其矿物成分以强亲水性蒙脱石、伊利石为主^[1].遇水易膨胀软化、强度衰减,失水易收缩开裂; 具有显著的胀缩性和多裂隙性,浅层破坏多发^[2].针对膨胀土的工程特性,李妥德^[3]对采用矿渣复合料改良膨胀土的工程特性进行了研究,结果表明:掺入矿渣无机料改良膨胀土的方法是经济可行的.庄心善^[4]等通过对风化砂改良后的膨胀土进行无荷膨胀率和三轴试验,找出膨胀土膨胀率、粘聚力和内摩擦角随风化砂掺量的变化规律,确定最佳掺砂比.陈善雄^[5]、刘广武^[6]、李建宁^[7]等探讨了膨胀土的石灰类改性剂改性技术.贺行洋^[8]等在对影响膨胀土胀缩性的因素研究后,对工程中现有膨胀土固化方法耐久性较差的原因进行了说明.唐咸远^[9]等采用不同化学改良材料对不同路段膨胀土进行改良试验,通过分析不同改良土有关胀缩、强度试验数据对比说明不同改良材料对膨胀土的效果及适应性.此外,膨胀土处理方法还有路基保湿法^[10-11]、换土法^[12]、桩基础^[13-14]等.

随着我国城市化进程的加快,人们从事建设、拆迁、装修等生产活动越来越多.而这些活动中往往伴随着产生大量的渣土、砖块、混凝土等建筑垃圾.目前,中国建筑垃圾的处理方式较为落后,对社会环境造成不利影响.将建筑垃圾按一定比例掺入到膨胀土中的物理改良法一方面可起到降低膨胀土路基胀缩特性、降低其毛细作用,另一方面也可起到提高路基强度特性及其透水性能,起到“变废为宝”的效果.

作为路基填料其CBR强度必须满足规范要求,此外,膨胀土若用作路基填料其胀缩特性亦需满足要求,因此,本文主要针对建筑垃圾混合土的强度以及胀缩特性进行研究.

试验用土取自荆州城北复兴大道第一分部,土样取回后,按照《公路土工试验规程》^[15]进行了土粒基本物理性质指标以及胀缩特性等试验,结果见表1～2.

依据《膨胀土地区建筑技术规范》^[16]自由膨胀率判别标准、《公路路基设计规范》^[17]中的胀缩总率、标准吸湿含水率判别标准、李生林^[18]塑性图判别方法等最终判定土样为弱膨胀土,故需经过处理后才可用于路基填筑.

建筑垃圾取自第一分部沿线房屋拆迁所产生的混合物,主要成分为:砖渣含量50%左右,混凝土块及碎屑含量49%左右,陶瓷钢筋等含量0.7%左右,轻物质含量0.3%左右,对杂物进行清捡,破碎处理后,分别过筛40 mm(圆孔筛)、31.5 mm、19 mm、9.5 mm、选择方孔筛^[19]分成四种粒组.下文中分别称为①、②、③、④粒组.按《公路工程集料试验规程》^[20]对其进行了原材料试验,主要包括各成分含量、材料密度、吸水率、液塑限测定等.试验结果如表3.

表1 土粒基本物理性质指标
Tab.1 Basic physical properties of soil particles

表2 土粒胀缩特性指标
Tab.2 Expansion and shrinkage characteristics of soil particles

表3 建筑垃圾再生料原材料试验
Tab.3 Raw material test of construction waste recycled materials

配置3种粒级组合:粒级组合Ⅰ(由单粒组③组成)、粒级组合Ⅱ(由单粒组②组成)、粒级组合Ⅲ(由粒组①、④按照5:5比例组成),将3种建筑垃圾粒级组合再按照0%、20%、30%、40%、50%、的质量百分数掺到素土中,由重型击实试验得到试样.称量计算干密度后,进行浸水饱和并记录试样膨胀量,饱和后进行贯入试验测得CBR_5.0.按照13种组合最佳含水率、压实度94%称料取样,每组3个试样,然后利用万能材料实验仪静压成型,将所得试样按照CBR试验方式进行浸水3 d饱和,并记录读取试样的浸水膨胀量,12组掺建筑垃圾混合土试样按照各自膨胀量与0%掺比素土试样膨胀量比例近似换算胀缩总率,浸水饱和后按照《公路土工试验规程》^[15]进行CBR试验.

项目工程实例为荆州城北快速路一分部,试验段长度100 m,宽度15 m.路堤厚度50 cm,建筑垃圾掺比30%、压实度按照94%控制.路床80 cm,建筑垃圾掺比40%、压实度按照96%控制,路床顶面设计弯沉值194 mm、回弹模量40 MPa.建筑垃圾在现场加工破碎,技术指标如表9所示.

表9 现场建筑垃圾筛分结果
Tab.9 Screening results of on-site construction waste

建筑垃圾现场破碎加工后与膨胀土拌和闷料24 h,闷料完成后采用自卸车运送到试验路段,摊铺均匀后(视干湿程度进行洒水或晾晒),采用路拌机拌和,然后采用26 t钢轮压路机进行压实,现场碾压技术参数如表 10所示.

路堤分两层铺设碾压、路床分四层铺设碾压.每层碾压完成后进行压实度检测,检测结果如表 11所示.

表 10 现场路基碾压技术参数
Tab.10 Technical parameters of on-site roadbed rolling

表 11 现场压实度检测结果
Tab.11 On-site compaction test results

由表 11可知:路堤、路床各分层压实度指标均满足规范要求.路床顶面施工完成后3 d进行了现场回弹弯沉试验,总检测了两个车道,每车道检测7个点.检测结果及回弹模量换算结果如表 12所示.

表 12 路床顶面回弹弯沉检测结果一览表(0.01 mm)
Tab.12 List of detection results of rebound deflection on the top surface of road bed(0.01 mm)

由表 12可知,试验路路床顶面弯沉值满足设计要求,路床顶面换算回弹模量达到设计要求.

本文通过3种粒级组合及不同掺比建筑垃圾改良膨胀土的一系列室内物理、力学指标、胀缩特性试验进行建筑垃圾改良膨胀土可行性研究,得出以下结论:

(1)建筑垃圾掺入膨胀土中可提高膨胀土CBR强度,建筑垃圾土CBR随着建筑垃圾掺量的增加而升高.当建筑垃圾掺量较低时,CBR强度可满足路堤填料要求,而当掺量达到40%、50%时,建筑垃圾混合土CBR强度甚至可满足路床要求;

(2)建筑垃圾掺入膨胀土中可显著降低膨胀土胀缩特性,随着掺比的增加效果越好.不同的粒级组合在掺比相同时,改良效果不同,对比发现粒级组合Ⅰ改良效果最好.3种粒级组合掺比分别达到20%、30%、30%及以上时,胀缩总率低于0.7%,满足规范要求;

(3)当按照设计要求,严格施工时,建筑垃圾改良土路基弯沉值及回弹模量可达到路基设计要求值,因此建筑垃圾改良膨胀土方法在工程中切实可行.