建筑垃圾再生料在路基施工中的应用

黄春晖 张喆 钱若霖

摘 要：针对建筑物在施工和拆除过程中产生大量建筑垃圾带来的资源短缺和环境污染问题，尝试将混凝土和废砖制备成再生骨料，进而完成对混凝土和砖石的回收。为改善再生骨料的力学性能，利用质量浓度为2%的纳米硅溶胶溶液对骨料进行改性。在此基础上，掺入一定量的PVA纤维，并研究了纤维纳米再生混凝土的基本力学性能。结果表明，加入纤维后，纳米再生混凝土压缩性能有所降低，但使劈裂拉伸性能和弯曲性能分别比基准混凝土增加了10.8%和8.35%，证实了PVA纤维对再生混凝土有优化作用。

关键词：再生骨料;力学性能;聚乙烯醇纤维;再生混凝土

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0080-04

Application of Construction Waste Recycling Material in Subgrade Construction

Huang Chunhui， Zhang Zhe， Qian Ruolin

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）

Abstract：In view of the shortage of resources and environmental pollution caused by a large amount of construction waste in the process of construction and demolition of buildings， this paper attempts to prepare recycled aggregate from concrete and waste brick， and then complete the recycling of concrete and masonry. In order to improve the mechanical properties of recycled aggregate， nano silica sol solution with mass concentration of 2% was used to modify the aggregate. On this basis， the basic mechanical properties of fiber nano recycled concrete are studied by adding a certain amount of PVA fiber. The results show that after adding fibers， the compressive properties of nano recycled concrete are decreased， but the splitting tensile properties and flexural properties are increased by 10.8% and 8.35% respectively compared with the reference concrete， which proves that PVA fiber has the optimization effect on recycled concrete.

Key words：recycled aggregate; mechanical properties; polyvinyl alcohol fiber; recycled concrete

隨着建筑行业的发展，每年产生的建筑垃圾成倍增加。据不完全统计，部分城市一年产生的建筑垃圾占该城市垃圾总量的35%～40%。因此，如何回收利用这些建筑垃圾，是目前较为重要的问题。为更好利用再生混凝土，宫宝汝（2019）提出将废弃混凝土再生骨料用于铁路基床[2];张全贵（2020）则研究了利用再生骨料配制透水混凝土的一些关键点[4]。但再生骨料来源于建筑垃圾，具有很多先天损伤，造成制备的混凝土力学性能差的现象，不适用于地基工程。由此，本研究尝试用纳米硅对再生骨料进行改性，修复先天损伤，并在此基础上，掺入一定量的聚乙烯醇纤维，以求制备出一种适用于路基施工的再生骨料混凝土。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验所用材料与设备如表1、表2所示。

1.2 试验准备

1.2.1 再生骨料的制备

本试验用的再生骨料选自某废弃工程，其强度在C30～C50。制备的再生骨料粒径在4.75～19mm，整体性好，表面有多处损伤，形状不规则。

1.2.2 纳米再生混凝土制备

为缩小再生骨料与普通碎石骨料的性能差距，利用纳米硅溶胶溶液对骨料进行一定时间的浸泡处理。陈自豪认为，再生骨料浸泡在质量浓度为2%的纳米硅溶液2d对再生骨料改性效果最好[1]，故本研究沿用该配比。将纳米硅溶胶与一定质量份的自来水混合均匀，制备出质量浓度为2%的纳米硅溶胶溶液，把再生混凝土骨料侵泡在该纳米硅溶胶溶液中2d后烘干，得到纳米混凝土骨料。

1.2.3 聚乙烯醇纳米再生混凝土制备

为探究聚乙烯醇对再生混凝土性能影响，按照一定比例在混凝土内添加一定聚乙烯醇。按照《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13-2009）中的规范，对聚乙烯醇纳米再生混凝土进行搅拌、成型及养护。为防止纤维在混合过程中搅拌结团，采取干拌法分批次提前加入纤维材料，使得纤维在混凝土内部分散更为均匀。具体配合比如表3所示。

1.3 试验步骤

1.3.1 压缩强度试验

制备的试件在养护到一定龄期后从养护室取出，挑选表面完整的试件，放置于压力试验机上。前期按照0.4MPa/s的加载速度;当强度大于30MPa时，按照0.5MPa/s的加载速度对试件进行施压;待试件遭到破坏，记录试件破坏后的荷载。为数据的准确性，每组实验进行3次，若最大值或最小值与中间值超过15%，则舍弃该组数据，取另外两个数据的平均值;若最值与中间值没有超过15%，则取3个数据的平均值作为最大荷载。压缩强度用公式（1）计算，折减系数取0.95;

式中，fcc表示混凝土试件压缩强度，单位MPa;F表示试件破坏时的荷载，单位N;A表示试件承压面积，单位：mm2。

1.3.2 劈裂拉伸强度试验

将试块放置于压力机中心，对试块施压，得到试件破坏时的平均荷载，在利用公式（2）计算劈裂拉伸强度。

式中，fts表示混凝土劈裂拉伸强度，单位：MPa;F表示试件破坏荷载，单位：N;A表示试件劈裂面积，单位：mm2。

1.3.3 弯曲强度试验

利用电子万能试验机对试件进行弯曲强度试验。在放置试件在电子万能机上，按一定的速率对试件加压，在试件遭到破坏时的荷载。取3个数据的平均值作为最大荷载。弯曲强度用公式（3）计算：

式中，ff表示混凝土的弯曲强度，单位为MPa;F表示试件破坏时的荷载，單位为N;l表示支座跨度，单位为mm;h表示试件的截面高度，单位为mm;b表示试件的截面宽度。

2 结果与讨论

2.1 压缩强度变化规律

图1为试件遭到破坏时的情况。通过图1看出，随着压力试验机施加的荷载增加，试件表面出现了很多裂缝。这些裂缝分布较为细密，主要原因是聚乙烯醇的存在限制了混凝土产生的裂缝。但随着荷载的增加，细密裂缝成为主裂缝，这是由于聚乙烯醇的作用，试件达到最大载荷后，表面并未出现剥离、脱落的现象。

从表4可看出，随着养护龄期的增加，纤维纳米再生混凝土的压缩强度在前期发展较快，后期变化缓慢，且随PVA纤维掺量增加，混凝土压缩强度表现为先下降后上升的趋势，但都低于基准混凝土强度值。该现象说明在混凝土中掺入PVA纤维会降低再生混凝土的压缩强度。以28d养护龄期为例，当PVA掺量分别为0.3kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3时，压缩强度分别为基准混凝土的90.18%、94.29%、90.62%、96.53%。这是由于纤维的引入导致纳米再生混凝土试件压缩强度降低，且随PVA纤维掺量增加，纤维在混凝土中的分布逐渐趋于均匀，所以随混凝土强度削弱作用也在慢慢的降低。

2.2 劈裂拉伸强度试验结果

劈裂拉伸强度测试结果如图2所示。试件遭到劈裂破坏后，内部仍有一定程度的纤维连接，此现象说明纤维混凝土遭到劈裂破坏后，纤维仍能承担一定的拉应力，使得试件的劈拉性能有所提高。

表5为纤维混凝土劈裂拉伸试验结果，从表5可看出，随养护龄期的增加，试件的劈裂拉伸强度也逐渐增加，在前7d增长较快，后逐渐趋于平稳。随纤维掺量增加，纤维混凝土的拉伸性能表现为先增加后降低的趋势。其中PVA纤维掺量在0.9kg/m3时劈裂拉伸强度达到最高，达到3.38MPa，比基准混凝土提高了10.8%。这是由于PVA纤维本身具有较高的拉伸强度，掺入混凝土后，对裂缝的产生和发展具有一定抑制作用，从而减少了裂缝的宽度。同时PVA纤维能横跨混凝土基体的裂缝，起到一定的桥接作用，减轻了裂缝处的应力集中，延缓细微裂缝的发展和贯通，进而提高了混凝土的抗劈裂能力。当纤维含量超过0.9kg/m3，达到1.2kg/m3时，混凝土中的纤维含量过于密集，导致纤维出现相互纠缠结团的现象，进而导致纤维在混凝土内部分布不均匀，对混凝土抗劈拉能力的提升也有所影响。

2.3 弯曲强度试验结果

弯曲试验结果如图3所示。通过图3可知，试件折断后，裂缝两端有纤维存在，且有被拔出的过程.此现象说明，纤维的存在可延缓混凝土试件破坏，增加了再生混凝土的韧性和弯曲破坏的能力。

表6为纤维混凝土弯曲强度试验结果.通过表6可知，随龄期的增加，纤维纳米再生混凝土的弯曲强度呈上升趋势;随纤维掺量的增加，弯曲强度先增加后下降.以28d养护龄期为例，除纤维掺量为0.3kg/m3时，弯曲强度低于基准混凝土，其余掺量的纤维混凝土皆高于基准混凝土。其中纤维掺量为0.9kg/m3时，弯曲强度达到最高值5.3MPa，比基准混凝土提高了8.35%。此结果与再生混凝土劈裂拉伸结果相同，证实了PVA纤维能有效抵抗混凝土中的拉应力，延缓受拉裂缝的发展，进而提高了纤维纳米再生混凝土的弯曲强度。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

为探究以上制备混凝土在路基施工中的应用效果，将该混凝土应用于某施工线路路基，该路基的宽度为16.40m、13.2m，底基层和基层厚度为18cm。

3.2 施工工艺

（1）混合料拌合：提前对再生料进行处理，用装载机搅拌均匀，均匀饱水，再根据上述方案制备聚乙烯醇纤维纳米再生混凝土备用。

（2）混合料碾压：聚乙烯醇纤维纳米再生混凝土作为路基铺设后，对该路段进行碾压，具体碾压方案如表7所示。

3.3 强度检测

对试验路段抽取混合料成型试件，养护6d后浸水一天，然后进行7d无侧限压缩强度试验，试验结果如表8所示。从表8可看出，基层和底基层强度平均值皆符合设计要求，说明该混凝土可用于地基施工工程应用。

4 结语

本研究采用纳米对再生混凝土骨料进行改性，并在此基础上掺加聚乙烯醇纤维，制备聚乙烯醇再生纳米骨料，最后对制备的再生骨料混凝土进行性能测试。通过以上研究，得到以下3点结论：

（1）再生混凝土中加入PVA纤维，对混凝土的压缩强度有所影响，但影响较小。在28d养护龄期内，纤维混凝土的压缩强度最高只达基准混凝土的96.53%。

（2）PVA纤维在再生混凝土中均匀分布，能有效连接再生混凝土内部的细密裂缝两端，进而缓解应力集中现象，阻碍初始裂缝的开展和新裂缝的产生，对弯曲强度和劈裂拉伸强度起到一定改善作用。且纤维掺量在0.9kg/m3时，弯曲强度和劈裂拉伸强度分别达到3.38MPa和5.3MPa，效果最佳。

（3）将纤维混凝土应用在实际工程中，并对其进行7d无侧限压缩强度试验，试验结果表明纤维混凝土的强度平均值符合设计要求，可用于路基工程中。

参考文献

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