建筑废弃物-粉土混合物的路用改性及交通荷载下动力特性

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基础设施建设、城镇化率的提高往往伴随着大量老旧建筑物的拆除,随之产生了大量难以处置的建筑废弃物。为解决废弃物这一影响城市运营的巨大问题,国务院办公厅发布《关于印发“无废城市”建设试点工作方案的通知》提出,到2020年,系统构建“无废城市”建设指标体系,探索建立“无废城市”建设综合管理制度和技术体系。而在浙江省杭州市大江东产业聚集区,公路建设工程同时面临沿线拆迁建筑废弃物难以处置以及传统筑路材料供应紧缺两方面问题。大江东地区地处钱塘江河口,广泛分布着全新统冲海积粉土,具有“高粉性,低粘性”的地区特点,不适宜直接作为路基填料。为了解决以上难题,有效利用建筑废弃物的资源属性,本文提出了一种水泥稳定建筑废弃物-粉土混合填料,替代传统宕渣材料用于道路路堤层填筑。该混合填料若要作为筑路材料,必须满足相关规范中对筑路材料的物理力学要求,也要能在产业聚集区长期重载交通荷载作用下保持稳定性。因此,本文以该混合填料作为研究对象,系统性地探究了不同废弃物掺入比、水泥掺量条件下混合填料的路用性能、动力响应,并利用数值方式预测了其作为填筑材料在交通荷载下的长期变形,主要研究内容如下:(1)以水泥掺量、废弃物掺量为变量(水泥掺量为0%、2%、3%、4%、5%,废弃物掺量为0%、30%、50%、70%),测定不同配比混合填料的最大干密度、无侧限抗压强度、CBR值等路用性能指标,讨论混合填料在不同水泥和废弃物掺量条件下各指标随时间变化规律。试验结果表明:废弃物掺量为50%、水泥掺量为5%时,混合填料达到最优的配比,最大干密度为2.00 g/cm3,28d无侧限抗压强度为0.66 MPa,CBR值为439.7%,满足规范对路堤材料的要求。混合填料力学性质随水泥掺量的增加而提高,随废弃物掺量的增加先增大后减小。(2)研究了5%水泥稳定粉土与50%废弃物掺入比、5%水泥掺量混合填料在现场工况条件下的动力学性质。试验结果表明,混合填料的动强度整体优于水泥稳定粉土,根据临界动应力(荷载循环2000次时对应的破坏动应力)估算,当标准货车超载量分别达到69%和100%时,稳定粉土和混合填料在长期超载交通荷载作用下动应变持续增长,达到破坏标准。利用Monismith累积塑性应变指数模型对各幅值下累积塑性应变-振次曲线进行拟合,给出了模型相关参数随废弃物掺入比的相关性。(3)采用PFC2D颗粒流软件,模拟了无侧限抗压强度试验与动三轴试验。通过调整各颗粒组间接触参数与颗粒组比例,探讨混合填料的静/动力学强度在不同废弃物掺入比下的变化规律。结果表明,当废弃物掺入比为50%时混合填料具有最佳静力学性能,而废弃物掺入比为50%~70%时混合填料具有最佳动力学性能。(4)利用ABAQUS有限元软件,在UMAT子程序中建立了能够正确反映材料动力学性质的动本构模型,建立了道路模型来模拟混合填料在不同车辆荷载、不同使用层位条件下的动力响应。从模拟结果来看,混合填料累积变形随循环次数呈现快速累积后保持稳定的发展。其作为路堤层填料时,标准货车、50%超载货车与100%超载货车在层顶分别造成5.74mm、7.07mm、7.90mm的最大累积变形;作为路床填筑材料时,标准货车、50%超载货车与100%超载货车分别在路床层顶造成16.40mm、20.60mm、24.70mm的最大累积变形。
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