李娜山东科技职业学院
摘 要：随着社会经济的发展，基础设施建设不断涌现，建筑垃圾成为影响社会环境的一项重要问题。建筑垃圾资源化再利用成为解决这一问题的方法之一。通过对已建工程的研究，系统分析了建筑垃圾的组成分类，介绍了建筑垃圾的工程特性，并在此基础上提出应用建筑垃圾填筑路基的技术要求和施工工艺流程。通过分析总结试验结果，提出了建筑垃圾填筑路基的质量控制指标与方法，对同类项目的开展与应用提供了参考。
关键词：路基施工;建筑垃圾;沉降差;压实度;质量控制;
近年来，在我国社会经济迅速发展的环境下，公路建设与日俱增。以往，砂石材料作为公路建设的基础性材料，被认为是取之不尽、用之不竭，但在公路行业大踏步向前发展的这一形势下，对砂石材料的需求量也与日俱增，长期的大量建设带来了资源紧缺的现状，已严重影响公路交通运输行业建设的可持续性发展。
目前，我国仍有大量的基础性设施建设在进行中，为确保项目建设的顺利进行，同时减少对生态环境的破坏，研究建筑垃圾的再利用以实现其资源化[1,2,3],对原有建设材料实现替代变得十分必要。实现建筑垃圾资源化，既可以减少运输、清理、填埋等处理措施的费用，节约社会成本，又能够减少对土地资源的占用，节约土地资源；同时，处理建筑垃圾也能够减少建筑垃圾中的有害物质对环境造成的污染，解决了建筑垃圾随意堆放的问题，改善了周围环境。因此，通过技术手段实现建筑垃圾的综合利用，能够带来巨大的经济效益和社会影响。
1 建筑垃圾的类别
建筑垃圾以固体废弃物为主，在建筑工程、装修、拆除等过程中产生[4,5]4,5]。从公路工程建设的角度出发，建筑垃圾中能够实现再利用的类型有碎砖石、碎混凝土、碎砌块、水泥制品、工程弃土等[6,7]6,7],而其他类型的建筑垃圾(诸如废钢筋、塑料制品、碎木料、废旧包装材料等)则没有实际再利用的价值。因此，建筑垃圾并不能实现在公路工程上的全部利用，有必要对建筑垃圾进行分离剔除后再在公路工程建设中利用。目前，常采用碎混凝土块、碎砖块、碎砂浆块等加工后的细料进行公路路基的填筑。
2建筑垃圾的工程特性与技术要求2.1 建筑垃圾的工程特性[5,8]
(1)属于一种级配较差的土石混合料，不同类型结构产生的建筑垃圾的粗、细集料比例相差较大。
(2)粗集料的粒径不均匀，所含的大粒径及超大粒径的比例较高。
(3)粗集料的强度普遍偏低，变化大且不均匀。
基于以上特点，将建筑垃圾作为公路路基填筑材料前，必须对填筑垃圾进行级配调整，补充强度较大的粗集料，以确保路基压实度能够满足规范要求。
2.2 建筑垃圾的技术要求[9,10]
以建筑垃圾的工程特性为出发点，结合《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)、《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)和《建筑垃圾再生材料公路应用设计规范》(DB 61 T1175-2018),针对用于路基填料的建筑垃圾应分别从粒径级配、力学特点和路基稳定性方面给出相应的技术要求。
(1)粒径级配。
针对粒径级配差、所含大粒径颗粒多或组成成分单一的建筑垃圾均不适合直接用于路基填料，填料密实则是路基填筑的重要要求。未经处理的建筑垃圾原材料，按粒径超过4.75 mm和0.075 mm为界划分类别，分别为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类，见表1。
表1 建筑垃圾原材料使用规定 导出到EXCEL
类别
粒径>4.75 mm的颗粒含量/%
粒径>0.075 mm的颗粒含量/%
使用说明
Ⅰ类
≥ 20
< 50
可使用
Ⅱ类
≥ 20
50～80
处理后可使用
Ⅲ类
—
80～100
不得用于集料加固
路基结构层的压实程度决定着路基的整体强度、刚度和平整度，因此为确保路基路面的使用寿命达到设计预期，则需要严格筛选建筑垃圾原材料的级配组成，严格控制路基填料中粗集料的粒径与比例，从而确保路基压实度。
(2)力学特点。
填筑路基的建筑垃圾通常采用塑性指数、压碎值、单轴抗压强度及CBR值(加州承载比)作为力学指标[9],确定的技术指标见表2。
表2 建筑垃圾路基填料力学指标 导出到EXCEL
应用部位
压碎值%压碎值%
CBR值/%
塑性指数%塑性指数%
石料单轴抗压强度MPa抗压强度ΜΡa
高速公路、一级公路
其他公路
路床
≤40
≥ 15
≥ 10
≤26
≥ 15
路堤
≤50
≥ 8
≥ 5
≤26
≥ 15
(3)路基稳定性。
根据《建筑垃圾填筑路基设计施工技术指南》中对路基填料的规定，为确保路基填料的稳定性，对作为路基填料细料的粒径<4.75 mm的建筑垃圾中的腐殖质、有机质、易溶盐以及杂物等做了明确的技术要求，见表3。
3 建筑垃圾填筑路基的施工
为充分发挥建筑垃圾在填筑路基中的作用，根据路基的不同位置填筑不同等级的建筑垃圾，采用分层填筑、分层压实的施工工艺，使用不同的施工机械进行碾压压实，具体施工工艺流程[10]见图1。
3.1施工准备
(1)确定合适的施工季节，减少雨季施工对路基的影响。
表3 建筑垃圾路基填料检测项目 导出到EXCEL
序号
检评项目
应用部位
容许值
试验方法或检测仪器
1
粒径>4.75 mm的颗粒含量/%
路床
50～70
筛分试验
路堤
40～60
2
粒径>0.075 mm的颗粒含量/%
路床
90～100
筛分试验
路堤
90～100
3
最大粒径/mm
路床
60
直尺
路堤
150
4
CBR值
—
≥ 8
CBR试验
5
压碎值/%
—
≤ 40
压碎值试验
6
杂物含量/%
—
≤ 1
挑拣，称重
7
有机质含量/%
—
≤ 5
K2Cr2O7氧化法
8
易溶盐含量/%
—
≤ 0.5
质量法
9
含水率/%
—
/
烘干法
10
最大干密度
—
/
击实试验
图1 路基分层碾压施工工艺流程 下载原图
(2)填筑前，进行建筑垃圾处理，必要时采用人工方式拣除塑料、钢筋等杂物和大粒径(粒径超过150 mm)填料或进行人工破碎处理。
(3)对建筑垃圾路基填料进行检验，以确定易溶盐、颗粒含量、成分分析、压碎值、CBR值等指标[11]满足路基填料使用要求，具体检测项目见表3。
3.2基底处理
路基施工前，对原地面附着植被进行清除，并将表层土进行挖出处理和集中堆放。对原地面存在低洼、坑洞处进行填补、压实。
3.3 摊铺、整平[12]
布料前，首先进行恢复中桩和边桩放线，两侧坡脚各加宽50 cm, 并结合试验结果确定松铺系数和松铺厚度，确定布料控制标高，采用灰线方格的方式进行布料。布料后，先采用推土机进行初平，以渐进式摊铺的方式进行施工以防填料发生离析。然后，铺设5 cm细料，光轮压路机碾压2遍后利用平地机进行精平处理，确保路基沿路线方向呈中间高、两边低的设计横坡，且无明显错台、坑槽。
3.4 洒水[13]
根据试验测定的填料含水率确定所需要的补水量，以确保路基填料的最佳含水率。洒水时根据现场的气温条件进行分次、均匀洒水，避免出现局部积水的现象。
3.5 碾压[14,15]
碾压采用振动压路机(羊角碾压路机和光轮压路机两类)施工，频率采用30～35 Hz, 碾压速度控制在3 km/h, 宜采用先慢后快、先轻后重的方式。碾压时，从路基两侧向路基中间进行，保证一定的轮迹重叠。在一定的碾压次数范围内，路基压实度会随着碾压次数的增加而增加，需结合现场施工情况进行确定。当碾压时无明显轮迹，且相邻两次振动碾压前后的标高差不超过2 mm, 则认为碾压次数满足要求。
4 试验段试验结果及分析
本文依托某高速公路改扩建工程，针对施工现场在施工前就已堆积大量的建筑垃圾的调研，并结合施工要求对路基区域进行地质勘察，选定区段K1 600～K1 700作为路基试验段，经试验得到各项指标结果和分析。
4.1原材料(1)填料含水率与干密度试验结果见表4。
表4 建筑垃圾路基填料含水率与对应干密度试验结果 导出到EXCEL
含水率/%
11.5
12.6
13.2
14.4
15.6
16.7
17.9
19.3
干密度/(g·cm-3)
1.732
1.741
1.75
1.775
1.788
1.771
1.755
1.746
根据击实试验得到建筑垃圾路基填料的最佳含水率为15.6%,最大干密度为1.788 g/cm3,见图2。
图2 击实曲线 下载原图
(2)CBR试验结果见表5。
表5 建筑垃圾路基填料CBR试验结果 导出到EXCEL
孔隙率/%
17.0
15.2
12.3
10.5
9.1
CBR值/%
38.5
52.4
65.3
68.9
74.2
对建筑垃圾进行CBR试验，得到不同孔隙率对应的CBR值，见图3。根据压实要求，路床位置孔隙率≤14%,路堤位置孔隙率≤16%,从试验结果得出，孔隙率为14%时的CBR值为57.7%,孔隙率为16%时的CBR值为46.2%,均满足力学特性指标要求，表明建筑垃圾作为路基填料能够满足强度方面的要求。
图3 不同孔隙率对应的CBR值 下载原图
4.2沉降差
在现场整平后，对原地面高程进行初次测量，再进行填料铺筑，并分别测量铺筑后、碾压3遍后、碾压5遍后、碾压7遍后和碾压9遍后的地面高程，从而得到松铺厚度、沉降差及松铺系数。在试验段内取3个位置进行布点测试，测点试验数据见表6、表7和图4。
表6 不同位置处的松铺厚度 导出到EXCEL
m
测试桩号
测点1
测点2
测点3
测点4
测点5
K1 630
0.327
0.200
0.256
0.231
0.270
K1 660
0.271
0.241
0.269
0.279
0.326
K1 690
0.254
0.315
0.235
0.304
0.290
平均值
0.271
表7 不同位置处的沉降差计算 导出到EXCEL
m
测试桩号
碾压遍数
测点1
测点2
测点3
测点4
测点5
K1 630
3
0.026
0.026
0.022
0.018
0.021
5
0.006
0.005
0.009
0.006
0.010
7
0.003
0.003
0.002
0.005
0.002
9
0.002
0.002
0.001
0.002
0.001
合计
0.037
0.036
0.034
0.031
0.034
K1 660
3
0.019
0.016
0.015
0.016
0.024
5
0.010
0.010
0.005
0.006
0.005
7
0.004
0.003
0.003
0.004
0.003
9
0.001
0.002
0.002
0.002
0.002
合计
0.034
0.031
0.025
0.028
0.034
K1 690
3
0.024
0.021
0.019
0.026
0.026
5
0.005
0.006
0.005
0.005
0.008
7
0.004
0.003
0.004
0.004
0.004
9
0.002
0.001
0.001
0.001
0.002
合计
0.035
0.031
0.029
0.036
0.040
试验段内
3
平均值为21.3 mm, 标准差为3.838 mm
5
平均值为6.7 mm, 标准差为1.982 mm
7
平均值为3.4 mm, 标准差为0.800 mm
9
平均值为1.6 mm, 标准差为0.490 mm
图4 沉降差与碾压遍数关系 下载原图
由表6、表7和图4可以看出，当建筑垃圾路基填料松铺厚度低于35 cm时，经5次碾压后，沉降差显著降低，继续增加碾压次数，沉降差仍在减小，且变化速率也明显变缓，可拟合得到的沉降差与碾压遍数的函数关系为y=99.700e-0.517 4x。经过7遍碾压测得的沉降差平均值为3.4 mm, 已满足设计要求的5 mm, 则可认为该路段的沉降差已控制在规范允许值范围内。不同位置处压实厚度和松铺系数见表8和表9。
表8 不同位置处的压实厚度 导出到EXCEL
m
测试桩号
测点1
测点2
测点3
测点4
测点5
K1 630
0.298
0.184
0.230
0.204
0.244
K1 660
0.249
0.218
0.241
0.250
0.294
K1 690
0.221
0.277
0.217
0.266
0.263
平均值
0.244
表9 不同位置处的松铺系数 导出到EXCEL
测试桩号
测点1
测点2
测点3
测点4
测点5
K1 630
1.10
1.09
1.12
1.13
1.11
K1 660
1.09
1.11
1.12
1.12
1.11
K1 690
1.15
1.14
1.09
1.14
1.10
平均值
1.11
由表8可以看出，经压实后的试验段内的各测点的实测值在0.184～0.298 m范围内，与表6的松铺厚度对比后得到松铺系数，在1.09～1.15范围内。
5 建筑垃圾填筑路基施工质量控制5.1填筑材料质量及均匀性控制
(1)由于建筑垃圾本身就属于非均质性材料，存在较大差异，其中掺杂不同类型的有机质、易溶盐及其他杂物，这些对路基稳定性会产生不利影响，因此严格控制建筑垃圾填料成分十分重要。
(2)为确保路基的压实度，要求建筑垃圾在压碎值、CBR值及石料类垃圾的单轴抗压强度均应进行试验检测，以保证路基填料的力学性能满足使用要求。
(3)未经处理的建筑垃圾的粒径组成差异性较大，特别是大粒径混凝土块、桩头混凝土等需进行破碎、筛分，填料尺寸应符合表3中规定的前提下使用。
(4)进行摊铺粗平过程中，严格控制大粒径颗粒的堆积，避免发生离析现象。一旦出现明显离析的区域，则应及时补充细料，对空隙区域进行填补。
5.2施工过程质量控制方法
压实度作为路基施工质量检测的主要技术指标，其常用的检查方法如下。
(1)沉降差观测法。
即预先设置好沉降观测点，在施工路段外架设水准仪，在每个摊铺、碾压阶段实施后对各测点进行观测，统计各测点的沉降差变化值与变化趋势。当沉降差小于2 mm时，即可认为路基已接近压实状态，从而说明路基在整个压实过程后已经具备良好的整体密实度和稳定性。该方法的优点就是操作简便，较为直观，且易于实现。
(2)弯沉检测法。
该方法是以路基回弹弯沉值作为检测指标，通过贝克曼梁或者FWD(落锤式弯沉仪)测定，将实测值与规范容许值进行比较，若小于规范容许值，则表明路基的整体承载能力满足设计要求；否则，表明路基压实度未达标，整体承载能力差。该方法的缺点就是较为复杂。
(3)灌砂检测法。
路基填料在碾压过程中实际上是发生了重新排列的过程，但由于建筑垃圾颗粒的不均匀性较高，在实际检测过程中，得到的试验结果偏差很大，离散性高，测试结果不具有代表性。
6 结语
(1)通过分析建筑垃圾的材料特性，结合路基设计与施工要求，对作为路基填料的建筑垃圾提出在颗粒级配、力学特性以及稳定性方面的技术要求。通过建筑垃圾填料的含水率、最大干密度和CBR试验结果表明，满足使用要求的建筑垃圾可以用作路基填料。
(2)结合建筑垃圾填筑路基的施工经验，为充分发挥建筑垃圾在填筑路基中的作用，需对建筑垃圾采取预分类处理、大粒径破碎、粒径筛分等措施，同时为确保填筑路基达到设计要求，也需严格执行路基基底处理、摊铺整平、碾压等工艺。
(3)结合沉降差的试验结果，建筑垃圾填料厚度取35 cm为宜，碾压遍数不低于7遍，测得沉降差平均值为3.4 mm,满足设计要求，并拟合得到沉降差与碾压遍数的函数关系。
(4)结合建筑垃圾填筑路基的施工特点和材料特点，提出利用建筑垃圾填筑路基的施工质量控制内容。重点加强对材料质量和均匀性的控制，施工压实采用沉降差观测法对路基压实度进行质量控制。
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