舊水泥混凝土再生集料作水穩(wěn)基層路用性能改善研究

吳志剛，劉曉?shī)?，汪怡然，叢鋮東

（北京工業(yè)大學(xué)交通研究中心，北京 100124）

0 引言

舊水泥混凝土的回收利用是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的要求。研究一致認(rèn)為，再生骨料表面由于包裹著部分硬化水泥砂漿，許多性能與天然骨料存在一定的差異，其差異主要表現(xiàn)在表觀密度、堆積密度、孔隙率、吸水率、洛杉磯磨耗值和壓碎值指標(biāo)等方面[1]。有必要對(duì)我國(guó)的再生混凝土的性能進(jìn)行分析，并有針對(duì)性的進(jìn)行相關(guān)性能改善的研究。

1 再生集料研究方案及其基本性能

1.1 再生集料分級(jí)及改善方案

本次研究將工程生產(chǎn)得到集料過(guò)篩，重新進(jìn)行篩分（分別通過(guò)26.5mm、19mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.6mm的篩子）。然后將得到的7檔料（0.6mm以下的都?xì)w為底料）分為1#、2#、3#、4#料。每號(hào)料的具體級(jí)配范圍如下：1#粒徑范圍為26.5～19mm；2#粒徑范圍為9.5～4.75mm；3#粒徑范圍為2.36～0.6mm；4#粒徑范圍為0.6mm以下。

廢棄混凝土中舊砂漿的存在是影響再生集料工程使用性能的一個(gè)十分關(guān)鍵的因素。其中最明顯的就是吸水率問(wèn)題，本論文參閱大量文獻(xiàn)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)提出以下幾點(diǎn)改善方案：

a）通過(guò)球磨改善再生集料的品質(zhì)，去除其表面覆蓋的舊水泥砂漿；

b）使用再生集料（普通和球磨改善）替換混合料中相應(yīng)級(jí)配的天然集料，研究其改善性能；

c）針對(duì)結(jié)合料最佳含水量受舊砂漿中結(jié)晶水含量影響問(wèn)題[3]，在擊實(shí)試驗(yàn)前將所有再生集料（普通和球磨改善）進(jìn)行預(yù)烘干。

1.2 再生集料（普通和球磨改善）基本性能研究

廢棄混凝土經(jīng)過(guò)破碎、除雜，按不同粒徑可篩分出再生粗骨料和再生細(xì)骨料，粒徑大于4.75mm（方孔篩）的顆粒為再生粗集料，再生細(xì)集料的粒徑尺寸范圍為0.15～4.75mm（方孔篩）。再生粗集料一般棱角較多，且表面較粗糙、空隙較多；再生細(xì)骨料主要包括砂漿體破碎后形成的表面附著水泥漿的砂粒、表面無(wú)水泥漿的砂粒、水泥石顆粒及少量破碎石塊。

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)，再生混凝土（普通和球磨改善）的具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基層用集料技術(shù)指標(biāo)

從表1可以得到以下結(jié)論：

a）球磨再生集料比普通再生集料的表觀密度有所增大，而吸水率卻發(fā)生下降；

b）再生集料（普通和球磨改善）的針片狀含量都符合規(guī)范要求，球磨再生集料針片狀含量有所降低；

c）球磨再生集料的磨耗率明顯比普通再生集料低；

d）球磨再生集料的壓碎值比普通再生集料低。

綜合以上研究結(jié)果，可以說(shuō)明再生集料經(jīng)過(guò)球磨改善后性能有了比較全面的提升。

2 水穩(wěn)再生集料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定集料采用以下五種對(duì)比試驗(yàn)方案：

a）方案一為全普通再生集料；

b）方案二為全天然集料；

c）方案三為全球磨再生集料；

d）方案四為1#天然料+2#普通再生料+3#普通再生料+4#普通再生料；

e）方案五為1#球磨再生料+2#球磨再生料+3#球磨再生料+4#天然料。

本次研究的結(jié)合料按照規(guī)范的中值級(jí)配進(jìn)行配制，各檔料的具體用量見(jiàn)表2。

表2 級(jí)配設(shè)計(jì)

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)的目的是繪制穩(wěn)定材料的含水量—干密度關(guān)系曲線，以此確定其最佳含水量和最大干密度，為后續(xù)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等提供理論依舊和數(shù)據(jù)支持。根據(jù)設(shè)計(jì)的集料級(jí)配曲線，水泥劑量按3.6%、4.2%添加，每個(gè)方案每種水泥劑量做五個(gè)平行試驗(yàn)。擊實(shí)試驗(yàn)后繪制干密度和含水量的曲線圖，從而得到最佳含水量和干密度。在研究過(guò)程中，將所有再生料進(jìn)行預(yù)烘干，在105℃的烘箱內(nèi)，烘一夜的時(shí)間再進(jìn)行試驗(yàn)，以此減少舊砂漿中結(jié)晶水的影響。

各種不同方案的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果歸總?cè)缦卤怼?/p>

表3 各種方案的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可得到以下幾個(gè)結(jié)論：

a）各種集料摻配方案的最佳含水量都比天然料大，基本都在5.5%以上；

b）方案三（全球磨再生）的最佳含水量和方案一（全普通再生）的差別并不是很大，而方案五（使用天然細(xì)集料替換再生細(xì)料）最佳含水量相對(duì)方案一和方案三降幅很大，這說(shuō)明，再生料需水量異常的主要原因在于細(xì)集料。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 057—94）的要求，制150mm×150mm的圓柱體試件，試件所需干土重約5700～6000g[4]。試件采用壓實(shí)成型，成型后放入恒溫養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)6d，第7d浸水養(yǎng)護(hù)。最后測(cè)其抗壓強(qiáng)度，使之與規(guī)范要求強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比?！豆饭こ虩o(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[5]要求的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4。

表4 規(guī)范要求的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表5 各種集料的7d強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 五種不同水泥劑量的7d抗壓強(qiáng)度

由表5和圖1的試驗(yàn)結(jié)果分析可知：

a）水泥劑量是影響結(jié)合料強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵因素，短期來(lái)看，4.2%水泥劑量的結(jié)合料普遍高于3.6%水泥劑量的短期強(qiáng)度；

b）天然集料和普通再生集料的7d抗壓強(qiáng)度差別不是很大，基本符合輕交通路段的強(qiáng)度要求，方案三、四、五的強(qiáng)度明顯增大，達(dá)到重、中交通等級(jí)的要求，這充分說(shuō)明，試驗(yàn)中的改善方案達(dá)到既定效果；

c）方案五的7d抗壓強(qiáng)度最大，說(shuō)明了球磨再生集料作水穩(wěn)基層的路用性能顯著改善，在舊水泥混凝土回收利用中應(yīng)重點(diǎn)考慮回收利用粗集料并且進(jìn)行機(jī)械化處理再投入使用。

3 水泥穩(wěn)定再生集料的干燥收縮研究

反射裂縫是半剛性基層最容易出現(xiàn)的病害。基層由于干縮開(kāi)裂向路面層反射，從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。所以收縮率是評(píng)價(jià)結(jié)合料耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)。

3.1 干縮試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 057—94）的要求，本次試驗(yàn)進(jìn)行前四個(gè)方案的試驗(yàn)對(duì)比。采用壓實(shí)成型的方法制作4組10cm×10cm×40cm的中梁試件，每個(gè)方案的每種水泥劑量做兩個(gè)試件，其中一個(gè)試件測(cè)干縮變形，一個(gè)測(cè)失水量。試件成型好后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7d取出，放在試驗(yàn)專用架子上，通過(guò)千分表讀取不同時(shí)間試件的干縮量，在讀取干縮量的同時(shí)測(cè)定另一個(gè)試件在相同自然環(huán)境下的平均水分蒸發(fā)損失量，以此作為干縮試件的平均水分蒸發(fā)損失。測(cè)定過(guò)程中直至試件含水量不再減少，千分表的度數(shù)不變化為止。

3.2 干縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

混合料的干縮性能與水密切相關(guān)，評(píng)價(jià)半剛性材料干縮性能不僅要注意其干縮應(yīng)變，而且要考察其干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)隨含水量的變化情況如圖2、圖3所示。

圖2 四種方案干縮應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展變化的關(guān)系

圖3 四種方案干縮應(yīng)變和失水率的關(guān)系曲線

圖2、圖3分別考察了時(shí)間和失水率對(duì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)的影響。具體分析如下：

a）時(shí)間對(duì)干縮的影響 從圖2、圖3可以看出，四種方案的干縮應(yīng)變隨時(shí)間都是增大的，直到最大失水率時(shí)逐漸平緩；普通再生集料與天然集料的干縮性能差別不是很大，方案四的收縮最小，這充分說(shuō)明了替換部分再生料方案的可行性，驗(yàn)證了實(shí)際達(dá)到的改善效果；

b）失水率對(duì)干縮的影響 從圖3可以看出，隨著失水率的增大，干縮應(yīng)變逐漸增大，直至達(dá)到各自最大失水率。

從干縮試驗(yàn)結(jié)果可知，就最大平均干縮系數(shù)指標(biāo)來(lái)看，本實(shí)驗(yàn)中普通再生集料的干縮應(yīng)變略大于天然集料，但兩者并無(wú)明顯的區(qū)別。而本試驗(yàn)中的球磨處理過(guò)的再生集料干縮比較異常，推斷可知，是球磨細(xì)集料中舊砂漿含量增多引起，所以球磨細(xì)集料應(yīng)該考慮用天然集料替換。綜上可以認(rèn)為，再生集料經(jīng)過(guò)一些改善措施完全可以滿足公路半剛性穩(wěn)定集料基層的干燥收縮性能的要求（如表6所示）。

表6 四種方案干縮試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析，得出如下結(jié)論：

a）舊水泥混凝土再生集料性能與天然集料性能相比有所降低，其中再生集料吸水率與天然集料差異比較大，但整體仍符合工程用指標(biāo)，應(yīng)該回收利用；

b）對(duì)再生集料回收應(yīng)重點(diǎn)利用粗集料，并進(jìn)行相應(yīng)機(jī)械化處理，研究表明球磨改善再生集料的路用性能有顯著改善；

c）適當(dāng)使用天然集料替換再生集料中弱勢(shì)的級(jí)配可以達(dá)到更優(yōu)的路用性能。

[1]付佳麗.廢舊水泥混凝土路面再生利用技術(shù)的試驗(yàn)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[2]張超，徐桂萍.廢棄水泥混凝土再生集料需水量問(wèn)題分析[J].公路，2004，（12）：182-185.

[3]JTJ 058—2000，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[4]JTG E51—2009，公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].