廢棄水泥混凝土集料再生應(yīng)用的試驗(yàn)研究

張錦德

(漣水丙辰工程養(yǎng)護(hù)有限公司，江蘇 淮安 223400)

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廢棄水泥混凝土集料再生應(yīng)用的試驗(yàn)研究

張錦德

(漣水丙辰工程養(yǎng)護(hù)有限公司，江蘇 淮安 223400)

文章通過室內(nèi)試驗(yàn)對水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量等性能進(jìn)行了研究。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：相同水泥摻量下，水泥穩(wěn)定天然集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要優(yōu)于水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料；水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料中，水泥的最佳摻入量為4.5%；水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料的90d劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量值均低于水泥穩(wěn)定天然集料，但滿足相關(guān)規(guī)范要求。同時，通過工程實(shí)例應(yīng)用表明：水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料可用于道路基層，具有良好的路用性能。

再生水泥混凝土；路面基層；強(qiáng)度；工程實(shí)例；試驗(yàn)研究

0 引言

在高等級道路中，水泥混凝土路面占到了50%左右，大部分路面由于使用已久，已經(jīng)到了維修和重建期[1]。水泥混凝土路面的維修與重建必然會產(chǎn)生大量的廢棄水泥混凝土塊，若不對這些廢棄水泥混凝土塊進(jìn)行妥善處治，必然會造成環(huán)境污染，如占用耕地、堵塞河道、影響道路周圍的景觀[2]。如果能將廢棄的水泥混凝土變廢為寶，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

國內(nèi)外對混凝土的再生利用研究始于二次世界大戰(zhàn)后，美國、日本、歐洲等國家最早開始對水泥混凝土骨料的基本性能展開研究[3-4]，然而，再生混凝土的使用主要是在建筑行業(yè)。美國在20世紀(jì)70年代開始采用再生混凝土路面骨料混合料對新建混凝土面層進(jìn)行鋪筑，并取得了較好的路用性能。我國對再生混凝土在道路中再生利用的研究起步比較晚，長安大學(xué)的研究人員在2001年時利用水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土骨料鋪筑了一段試驗(yàn)路段，并通過鉆芯取樣對其強(qiáng)度進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)再生水泥混凝土路面的強(qiáng)度低于水泥穩(wěn)定碎石混凝土路面，但它的強(qiáng)度和路面性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。荊門市公安局在2005年同樣鋪筑了一段500 m的水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料試驗(yàn)路段，并取得了良好的路用性能。但國內(nèi)外對廢棄混凝土集料應(yīng)用研究尚不完善，對其路用性能缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，對再生水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性能及水穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究和分析。通過工程實(shí)例，對再生水泥混凝土在路面基層中的應(yīng)用及性能進(jìn)行了評價和分析。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)水泥：試驗(yàn)用水泥采用海螺CONCH牌普通325#硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)性能檢測結(jié)果如表1所示。

表1 水泥性能檢測結(jié)果表

(2)砂：采用天然河砂，其質(zhì)地均勻且無雜質(zhì)，為細(xì)度模數(shù)為2.54的中砂。

(3)天然粗骨料：采用4.75～26.5 m連續(xù)級配碎石。

(4)再生集料：試驗(yàn)所用再生混凝土集料來自江蘇省某高速公路翻修產(chǎn)生的原料。對廢棄水泥混凝土路面進(jìn)行兩次破碎篩分，將再生集料分為四個粒徑等級。參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，對天然集料、再生集料的各項(xiàng)性能進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

表2 集料的技術(shù)性能指標(biāo)表

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用水泥穩(wěn)定碎石基層的方法對水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，水泥的摻入量按正交試驗(yàn)法分別取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，按最佳含水率配制水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土試樣，測定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，確定水泥的最佳摻入量。

(1)級配選擇

水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料的級配選用骨架密實(shí)型級配組成，具體級配組成如表3所示。

表3 水泥穩(wěn)定再生集料的級配組成表

(2)最佳含水率與最大干密度

參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[7]，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)得到水泥穩(wěn)定集料的最佳含水率和最大干密度如表4所示。

表4 不同水泥摻量下集料的最佳含水量與最大干密度表

(3)確定水泥最佳摻入量

參照相關(guān)規(guī)范[7]，按最佳含水率配制水泥穩(wěn)定集料試樣，試樣脫模標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后，對其進(jìn)行無側(cè)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同水泥穩(wěn)定集料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值表

由表5可知，相同水泥摻量下，水泥穩(wěn)定天然集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要優(yōu)于水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料。且隨著水泥摻量的增加，各種集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增加。由相關(guān)規(guī)范可知[6，8]，對于一級公路及高速公路，半剛性基層材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的范圍為3～5 MPa，瀝青路面在特重交通情況下的范圍為3.5～4.5 MPa。因此當(dāng)水泥摻量為4%時，水泥穩(wěn)定再生集料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度3.8 MPa已滿足要求，為達(dá)到規(guī)范所規(guī)定的中值強(qiáng)度值4.0 MPa，應(yīng)取水泥的最佳摻入量為4.5%。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)最佳含水率及最佳水泥摻入量4.5%，分別配制水泥穩(wěn)定再生集料試樣，并以相同水泥摻入量的水泥穩(wěn)定天然集料試樣作為對照組，分別測定水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料的各種路用性能，包括強(qiáng)度、抗壓回彈模量與抗凍性能。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[7]，制備不同水泥集料試樣，每組試驗(yàn)配制3組平行試樣，試樣標(biāo)準(zhǔn)的正方體試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度20 ℃±1 ℃，濕度≥95%。分別測定水泥穩(wěn)定再生集料與水泥穩(wěn)定天然集料的7 d、28 d、90 d無側(cè)抗壓強(qiáng)度，對不同水泥穩(wěn)定集料試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度取平均值，可得如表6、圖1所示試驗(yàn)結(jié)果。

表6 各齡期下水泥穩(wěn)定集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表(MPa)

圖1 不同水泥穩(wěn)定集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度柱形圖

由圖1所示試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥穩(wěn)定再生集料的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度要低于水泥穩(wěn)定天然集料，而90 d抗壓強(qiáng)度則大于水泥穩(wěn)定天然集料。隨著齡期的增長，水泥穩(wěn)定再生混凝土集料與水泥穩(wěn)定天然集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都會隨之有不同程度的增長，且前者的后期強(qiáng)度增長幅度大于后者。其中，水泥穩(wěn)定再生集料的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為6.44 MPa，相比于7 d時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值增長了1.98 MPa，水泥穩(wěn)定天然集料的抗壓強(qiáng)度增長值為1.70 MPa。

2.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

參照相關(guān)規(guī)范[7]，制備直徑與高均為150 mm的圓柱體試樣，共制備三組平行試樣，對試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90 d后，進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，對各水泥穩(wěn)定集料試樣的劈裂強(qiáng)度取平均值，可得水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料的90 d劈裂強(qiáng)度為0.59 MPa，低于水泥穩(wěn)定天然集料，但滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.3 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果分析

按照相關(guān)規(guī)范[7]，對試樣進(jìn)行90 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，試樣的制備與養(yǎng)護(hù)同無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣相同，采用承載板法對不同穩(wěn)定集料試樣進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)，可得水泥穩(wěn)定再生集料的回彈模量值小于水泥穩(wěn)定天然集料，約為水泥穩(wěn)定天然集料的90%，但在路面基層半剛性材料模量規(guī)范中，水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料符合規(guī)范要求。

2.4 抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果分析

以水泥穩(wěn)定集料試樣在凍融后與凍融前的抗壓強(qiáng)度之比作為抗凍指數(shù)來評價水泥穩(wěn)定集料的抗凍性能。按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]，采用快凍法對不同水泥穩(wěn)定集料的抗凍性能進(jìn)行試驗(yàn)。試樣為標(biāo)準(zhǔn)的棱柱體試件，每組制備3個平行試樣，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，對養(yǎng)護(hù)后的試樣進(jìn)行抗凍性能試驗(yàn)，凍融循環(huán)時間應(yīng)在2～5 h完成，凍結(jié)和解凍的轉(zhuǎn)換時間應(yīng)<10 min。分別測定凍融前后試樣的抗壓強(qiáng)度，所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 水泥穩(wěn)定集料的抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果圖

由圖2所示試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料與水泥穩(wěn)定天然集料的抗凍指數(shù)分別為92.2%與98.8%，水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料的抗凍性能雖稍低于水泥穩(wěn)定天然集料，但抗凍性能良好，可適用于冰凍地區(qū)。

3 再生水泥混凝土路面集料在路面基層中的工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

本文結(jié)合江蘇省內(nèi)某一級公路的水泥混凝土路面改造項(xiàng)目展開，該公路K253+236～K254+236段為試驗(yàn)路段，路面基層采用水泥穩(wěn)定再生混凝土集料鋪筑，路面結(jié)構(gòu)如圖3所示。所用再生混凝土集料來自江蘇省某高速公路翻修產(chǎn)生的原料，其各項(xiàng)性能參數(shù)同表2所示，再生水泥混泥土混合料的配合比設(shè)計(jì)同室內(nèi)試驗(yàn)，水泥采用海螺CONCH牌普通325#硅酸鹽水泥，水泥摻入量為4.5%，路面施工完全按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[6]。

上面層下面層基層底基層中粒式瀝青混凝土(5m)粗粒式瀝青混凝土(7m)4.5%水泥穩(wěn)定再生集料(20cm)3.5%水泥穩(wěn)定碎石(20cm)

圖3 試驗(yàn)路段的路面結(jié)構(gòu)圖

3.2 路面彎沉檢測

經(jīng)實(shí)地觀測，該試驗(yàn)路段鋪筑完成行車3年內(nèi)，路面經(jīng)歷了不利的行車荷載及惡劣的雨雪天氣，試驗(yàn)路段路面的各項(xiàng)性能均完好，無病害產(chǎn)生。按照相關(guān)規(guī)范[10]，采用貝克曼梁法對試驗(yàn)路段路面及正常路段路面進(jìn)行彎沉檢測，所得結(jié)果如表7所示。

表7 各路段的路面彎沉檢測值表

由表7所示彎沉檢測結(jié)果可知，試驗(yàn)路段的路面彎沉值與正常路段路面彎沉值相近，均符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，且試驗(yàn)路段的路面彎沉值隨著時間的增長呈下降趨勢。因此，工程實(shí)例表明，水泥穩(wěn)定的水泥混凝土骨料可用于道路基層，具有良好的路用性能。

4 結(jié)語

(1)相同水泥摻量下，水泥穩(wěn)定天然集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要優(yōu)于水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料；水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料中，水泥的最佳摻入量為4.5%。

(2)隨著齡期的增長，水泥穩(wěn)定再生混凝土集料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增加，且后期抗壓強(qiáng)度的增長幅度大于水泥穩(wěn)定天然集料。

(3)水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料的90d劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量值均低于水泥穩(wěn)定天然集料，但滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(4)水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土集料的抗凍性能雖稍低于水泥穩(wěn)定天然集料，但抗凍性能良好，可適用于冰凍地區(qū)。

(5)工程實(shí)例表明，水泥穩(wěn)定再生水泥混凝土骨料可用于道路基層，具有良好的路用性能。

[1]李言芳.水泥混凝土路面再生利用[J].江蘇交通科技，2008(6)：4-5.

[2]王博銘，張 璠，王志文，等.舊路面水泥混凝土再生集料在公路基層中的應(yīng)用[J].交通科技，2010(10)：58-60.

[3]TopcuIB：PhysicalandmechanicalpropertiesofconcreteproducedwithwasteconcreteproducedwithwasteconcretecementandconcreteResearch[J].1997，27(12)：1817-1823.

[4]B.C.Han.Shearcapacityofreinforcedconcretebeamsmadewithrecycledaggregate[J].ACISpecialPublication，2001(5)：200-202.

[5]JTGE42-2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[6]JTG/TF20-2015，公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則[S].

[7]JTGE51-2009，公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[8]JTGD50-2006，瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]GB/T50082-2009，普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[10]JTGE60-2008，公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程[S].

Experimental Study on the Recycled Applications of Waste Cement Concrete Aggregate

ZHANG Jin-de

(Lianshui Bingchen Engineering Conservation Co.，Ltd.，Huai’an，Jiangsu，223400)

Through laboratory tests，this article studied the compressive strength，splitting strength，compressive resilient modulus and other properties of cement stabilized recycled concrete aggregate.Laboratory test results showed that：under the same cement content，the unconfined compressive strength of cement stabilized natural aggregates is superior to cement stabilized recycled concrete aggregate；in the cement stabilized recycled concrete aggregates，the optimum adding amount of cement is 4.5%；90d splitting strength and compressive resilient modulus values of cement stabilized recycled concrete aggregates are lower than the cement stabilized natural aggregates，which，however，can meet the relevant regulatory requirements.At the same time，the engineering applications showed that：the cement stabilized recycled concrete aggregate can be used for pavement base，with good road performance.

Recycled cement concrete；Pavement base；Strength；Engineering cases；Experimental study

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.002

1673-4874(2016)10-0004-04

2016-09-02

張錦德(1977—)，工程師，研究方向：公路橋梁施工。