舊水泥混凝土再生集料技術(shù)評價

周 錚

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029)

舊水泥混凝土再生集料技術(shù)評價

周 錚

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029)

為解決舊水泥混凝土破碎再生為集料的應(yīng)用問題，文章通過試驗研究了舊水泥混凝土再生集料的物理力學(xué)性能、顆粒形狀、級配等固有特性和路用性能，以及不同巖性的再生集料的差異性。研究表明，舊水泥混凝土再生集料的物理力學(xué)性能、顆粒形狀和級配良好，滿足骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石的物理力學(xué)性能指標(biāo)要求，可應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石，為全面開展破碎加工舊水泥混凝土再生集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石提供了技術(shù)支撐。

舊水泥混凝土再生集料；水泥穩(wěn)定碎石；物理性能；力學(xué)性能；技術(shù)評價

0 引言

廣西的水泥資源豐富。在2005年以前的高等級公路中，以水泥混凝土路面為主。水泥路面的養(yǎng)護和改造，會產(chǎn)生廢舊混凝土。據(jù)調(diào)查，100 km的高速公路，在建成通車12年內(nèi)，有約2%的水泥混凝土面板更換。按24 cm厚度計算，產(chǎn)生約10 800 m3的廢舊混凝土。同時隨著水泥路面使用年限的延長，路面病害會不斷發(fā)展，由此產(chǎn)生的廢舊混凝土更多。

目前對于廢舊混凝土基本是露天堆放或填埋，耗用土地、清運等經(jīng)費，對環(huán)境和生態(tài)有影響。將廢舊混凝土破碎加工再生成碎石集料，重新配制為級配碎石、水泥穩(wěn)定碎石或水泥混凝土，合理用于新建或改建路面的結(jié)構(gòu)層，可避免廢料棄運，降低環(huán)境污染，節(jié)約天然集料，達到資源再利用、節(jié)能減排、環(huán)境友好、經(jīng)濟和社會效益明顯的功效。

再生集料的物理和力學(xué)性能是再生利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。為此，本文對舊混凝土破碎加工再生成碎石集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石，開展其集料性能技術(shù)評價研究。

1 研究現(xiàn)狀

在我國，舊水泥混凝土的再生利用研究和應(yīng)用僅處于研究、探討及試用的初級階段。國內(nèi)對舊混凝土再生集料的研究基本集中于生產(chǎn)工藝，再生集料的密度、吸水率、壓碎值、含泥量等性質(zhì)指標(biāo)。對再生集料的巖性、差異性和全面的性能缺少總體研究。

2 舊混凝土破碎加工再生集料

考慮加工設(shè)備的簡便易行、可操作性和推廣性以及目前碎石加工場一般還是采用顎式破碎機的現(xiàn)狀，為盡量與大規(guī)模的生產(chǎn)保持一致，室內(nèi)試驗采用顎式破碎機破碎舊混凝土板。對水泥混凝土路面更換出來的廢棄混凝土塊收集并解小至30 cm，采用普通顎式破碎機進行初破碎和二次破碎后，用4.75 mm、9.5 mm、31.5 mm的篩孔篩分，得到4.75 mm以下的再生細集料，4.75～9.5 mm的再生粗集料，9.5～31.5 mm的再生粗集料和31.5 mm以上的再生粗集料。粒徑31.5 mm以上的粗集料再次加工破碎，使其滿足粒徑的要求。如有超出31.5 mm粒徑的再進行第四次破碎。對破碎好的集料進行篩分，篩分結(jié)果與《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D40-2006)中骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石的級配對比，研究再生集料的性能。

3 再生粗集料的性能評價

再生粗集料是由硬化的水泥砂漿體、表面包裹一定數(shù)量砂漿的碎石以及與砂漿完全脫離的碎石組成。再生粗集料的輪廓邊界較明顯，棱角多，表面較粗糙，表面積較大。結(jié)合原水泥路面施工采用的碎石場在目前保存開采應(yīng)用的情況，對舊水泥混凝土板再生集料和對應(yīng)的原碎石料場取樣，進行物理和力學(xué)性能試驗，并與原料場的指標(biāo)對比分析評價。

3.1 物理性能評價

粗集料的物理性能指標(biāo)主要有：視密度、吸水率、含泥量和針片狀。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)相關(guān)方法來測定。再生粗集料物理性能試驗結(jié)果如表1所示。我國現(xiàn)行的《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-2000)對于水泥穩(wěn)定碎石集料的吸水率無標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 再生粗集料物理性能試驗結(jié)果表

試驗結(jié)果表明：

(1)整體而言，舊混凝土再生粗集料的物理性能滿足水泥穩(wěn)定碎石的要求。說明再生粗集料的物理性能良好。

(2)再生粗集料的吸水率比天然集料的大，且較天然集料的吸水率高達約5倍之多，這是因為再生粗集料的表面包裹著一定數(shù)量的質(zhì)量較輕、比表面積大且空隙率較大、吸水率高的砂漿。這意味著在配制水泥穩(wěn)定碎石時，需要較高的含水量和略高些的水泥劑量。

(3)再生粗集料的針片狀比天然集料的大。這是由于在舊混凝土破碎加工時，部分碎石被再次破碎，以及存在著部分包裹有水泥石的棱角較多、表面粗糙的粗集料。針片狀值最大為13%，遠小于規(guī)范要求的25%，說明再生集料的顆粒形狀不會對再生水泥穩(wěn)定碎石的性能產(chǎn)生較大的不良影響。再生石灰?guī)r的針片狀顆粒含量均比再生花崗巖的大，這說明再生集料中有部分碎石存在被再次破碎的機率，且強度低些的石灰?guī)r碎石出現(xiàn)了碎石被再次破碎的程度大于花崗巖碎石。

(4)再生粗集料的含泥量比天然集料的大。說明在舊混凝土挖除、解小、裝卸以及破碎為再生集料時，會摻夾到一些泥土和泥塊。這些泥土和泥塊不僅會增加水泥穩(wěn)定碎石的用水量，而且會降低其強度和水穩(wěn)定性，增加其溫縮和干縮率。所以，應(yīng)嚴(yán)格控制再生集料的含泥量。

(5)石灰?guī)r碎石的強度通常比花崗巖碎石的強度低，在破碎加工中，強度低些的石灰?guī)r碎石出現(xiàn)碎石被再次破碎的程度大于花崗巖碎石，并造成包裹在石灰?guī)r碎石的砂漿也被破碎剝離出來。于是在所獲得的集料中，包裹有砂漿的石灰?guī)r碎石比包裹有砂漿的花崗巖碎石少。為此，石灰?guī)r再生集料的針片狀顆粒含量比花崗巖再生集料的大，花崗巖再生集料的吸水率大于石灰?guī)r再生集料的吸水率。

3.2 力學(xué)性能評價

粗集料的力學(xué)性能指標(biāo)主要有：強度指標(biāo)采用壓碎值表示；硬度指標(biāo)采用磨耗損失率表示；堅固性指標(biāo)采用堅固性表示。采用《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)相關(guān)試驗方法進行檢測評價。再生粗集料力學(xué)性能試驗結(jié)果如表2所示。

表2 再生粗集料力學(xué)性能試驗結(jié)果表

試驗結(jié)果表明：

(1)再生粗集料的力學(xué)性能：壓碎值、磨耗損失率和堅固性均滿足相關(guān)規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)要求。說明再生粗集料的力學(xué)性能是較好的。

(2)再生粗集料的壓碎值比天然集料的大1倍之多。說明再生集料的棱角較多且集料中有一定量的碎石表面粘附著一定量的砂漿，以及在舊混凝土破碎加工再生集料時，部分碎石可能因被再次破碎而出現(xiàn)一定的裂紋，在外荷載的作用下，砂漿脫落、碎裂以及部分碎石的破碎，還會造成再生集料的壓碎值較天然集料的大。

(3)由于再生粗集料中存在著一定量的砂漿，所以其磨耗損失率和堅固性均比天然集料的大；花崗巖再生集料的砂漿量比石灰?guī)r再生集料的大，所以其磨耗損失率較天然集料的增量值(6.4%)比石灰?guī)r再生集料的(4.1%)增大。由于天然花崗巖集料的磨耗損失率比天然石灰?guī)r集料的小，所以總體上再生花崗巖集料的磨耗損失率比再生石灰?guī)r集料的小，但相差不大。

3.3 顆粒形狀

我國尚缺粗集料形狀特征的試驗方法和指標(biāo)。美國(ASTM)D3398-97試驗方法提出了表征粗集料輪廓形狀、棱角性和表面紋理的顆粒指數(shù)Ia。為綜合反映不同組合狀態(tài)下的粗集料形狀特性，劉振清等采用間隙率試驗與計算方法表征粗集料形狀特性時，考慮自然堆積狀態(tài)下的粗集料間隙率來改進計算粗集料顆粒指數(shù)。結(jié)合粗集料顆粒指數(shù)Ia計算公式，提出改進表征法的粗集料顆粒指數(shù)Iap計算式為：

Iap=2.5V0-1.25V10-0.25V50-0.32

(1)

式中：V0、V10、V50分別為自然堆積、搗實10次、50次狀態(tài)下的粗集料間隙率。

采用公路工程集料試驗規(guī)程(JTGE42-2005)中的T0309-2005(粗集料堆積密度及空隙率試驗)和劉振清等改進的粗集料顆粒指數(shù)Ia試驗和計算方法，對天然集料和再生集料分別進行自然堆積、搗實10次和搗實50次狀態(tài)下的堆積密度試驗，計算這3種狀態(tài)下粗集料的間隙率，再按式(1)計算粗集料顆粒指數(shù)Iap。具體的數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 粗集料顆粒指數(shù)Iap表

數(shù)據(jù)表明：再生集料的粗集料顆粒指數(shù)Iap比天然集料的略大些，這是緣于再生集料中包裹有一定數(shù)量的砂漿或是有部分集料被再次破碎，使再生集料的表面粗糙度比天然集料的大些，同時在破碎時，部分石子因受力而沿紋理開裂，增加了新的粗糙表面和棱角效應(yīng)。再生花崗巖的粗集料顆粒指數(shù)Iap比再生石灰?guī)r的小些，這也說明了強度低些的石灰?guī)r碎石出現(xiàn)了碎石被再次破碎的程度大于花崗巖碎石。再生粗集料呈現(xiàn)出較多的棱角和較粗糙的表面。

4 再生細集料的物理和力學(xué)性能評價

再生細集料主要包括砂漿體破碎后形成的表面附著水泥漿的砂礫、表面無水泥漿的砂礫、水泥石顆粒及破碎過程中產(chǎn)生的少量石屑。廢舊混凝土在破碎中往往會混入一些粘土、塵屑等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)妨礙水泥與再生集料的粘結(jié)，降低水泥穩(wěn)定再生集料的強度，增加用水量，增大溫、干縮，降低水穩(wěn)定性和抗凍性能。所以必須控制細集料中有害雜質(zhì)的含量。依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTGE42-2005)相關(guān)試驗方法檢測評價細集料的物理力學(xué)性能，試驗結(jié)果見表4。我國對再生細集料的吸水率沒有具體要求。

表4 再生細集料物理力學(xué)性能試驗結(jié)果表

試驗結(jié)果表明：

(1)再生細集料的視密度、含泥量和堅固性、砂當(dāng)量、棱角性(流動時間)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求，說明再生細集料物理力學(xué)性能良好。

(2)再生細集料的含泥量和砂當(dāng)量與規(guī)范要求的指標(biāo)差別不大，說明再生細集料的粘土、塵屑等雜質(zhì)還是存在著相當(dāng)?shù)臄?shù)量，在生產(chǎn)加工時應(yīng)加以注意。

(3)由于再生細集料主要包括砂漿體破碎后形成的表面附著水泥漿的砂礫、表面無水泥漿的砂礫、水泥石顆粒及破碎過程中產(chǎn)生的少量石屑，所以其堅固性比再生粗集料的大。

(4)再生粗集料的吸水率約為3.4%，再生細集料的吸水率約為9.0%，增大約為2倍。這是緣于再生細集料中的水泥砂漿的數(shù)量相比再生粗集料的多，且水泥砂漿、表面附著水泥漿的砂礫在再生細集料中占相當(dāng)部分。再生細集料中的水泥砂漿的含量大于再生粗集料中的水泥砂漿的含量，再生細集料的比表面積和表面孔隙較大。

(5)細集料棱角性是評定細集料顆粒的表面構(gòu)造和粗糙度，預(yù)測細集料對混合料的內(nèi)摩擦角和抗流動變形性能的影響。再生粗集料的棱角性達到約38s，說明其顆粒的表面構(gòu)造和粗糙度較好，多棱角且表面粗糙。

5 級配

分別對第二次、第三次加工破碎后的再生集料進行篩分試驗，篩分結(jié)果與《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTGD40-2006)中骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石的級配要求進行比較，以確定再生集料破碎加工的次數(shù)。具體結(jié)果詳見表5。

表5 舊混凝土板再生集料級配表

圖1 碎石級配曲線圖

由圖1及表5可得：舊混凝土板經(jīng)過三次破碎加工后所得到的集料，滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTGD40-2006)中骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石的級配要求，集料級配組成偏粗，處于級配范圍要求的下限范圍，試驗結(jié)果與以上分析的結(jié)果一致：再生破碎舊混凝土板，是把砂漿從碎石中剝離出來，而得到局部有砂漿包裹的滿足粒徑要求的碎石和成為石屑的包裹砂粒的砂漿，級配組成偏粗，細集料較少。從圖1的9.5mm以上集料的通過率曲線圖差距可看出，再生花崗巖集料級配比再生石灰?guī)r的要粗，這說明石灰?guī)r碎石的強度通常比花崗巖碎石的強度低，在破碎加工中，強度低些的石灰?guī)r碎石出現(xiàn)了碎石被再次破碎的程度大于花崗巖碎石，并造成包裹在石灰?guī)r碎石的砂漿也被破碎剝離出來。于是在所獲得的集料中，包裹有砂漿的石灰?guī)r碎石比包裹有砂漿的花崗巖碎石少，石灰?guī)r碎石集料的級配比花崗巖碎石集料的級配細。

以上研究表明，試驗室內(nèi)采用顎式破碎機經(jīng)三次破碎加工舊混凝土所得的再生集料，級配方面是可滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTGD40-2006)中骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石的要求。

6 結(jié)語

(1)舊混凝土板再生集料的物理力學(xué)性能、顆粒形狀和級配良好，滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTGD40-2006)中骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石的物理力學(xué)性能指標(biāo)要求，可應(yīng)用于瀝青路面的水泥穩(wěn)定碎石。

(2)由于再生集料的多棱角性且集料中有一定量的碎石表面粘附著一定量的砂漿，所以其壓碎值、磨耗損失率、堅固性、針片狀和吸水率的指標(biāo)均大于天然集料的指標(biāo)，但均滿足規(guī)范的要求。再生集料中的砂漿量直接影響了吸水率，再生集料的吸水率較天然集料的吸水率高達約5倍之多，再生粗集料的吸水率比再生細集料的吸水率增大約為2倍。

(3)由于花崗巖碎石的強度通常比石灰?guī)r碎石的強度高，所以花崗巖再生集料的壓碎值、磨耗損失率、堅固性、針片狀的指標(biāo)均小于石灰?guī)r再生集料。

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Technology Assessment of Old Cement Concrete Recycled Aggregate

ZHOU Zheng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

To solve the application problem of old cement concrete being crushed recycled into the aggregate，this article studied the physical and mechanical properties，particle shape，gradation and other inherent characteristics and road performance of old cement concrete recycled aggregates，as well as the differences of recycled aggregates with different lithology.The study showed that the old cement concrete recycled ag-gregate has excellent physical and mechanical properties，particle shape and grading，which can meet the physical and mechanical performance requirements of skeleton dense-type cement stabilized gravel，able to be used in cement stabilized gravel，thus it provides the technical support for fully applying the crushed pro-cessing of old cement concrete recycled aggregate in cement stabilized gravel.

Old cement concrete recycled aggregate；Cement stabilized gravel；Physical properties；Mechan-ical properties；Technology assessment

U418.8

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.001

1673-4874(2015)04-0001-04

2015-03-05

周 錚，高級工程師，從事道路工程勘察設(shè)計研究及管理工作。