混凝土再生骨料在路基路面工程中的應(yīng)用研究

康美琪 王 玥 張齡尹 趙 琴 湯誌恒

(蘇州科技大學(xué)天平學(xué)院,江蘇 蘇州215000)

1 研究背景

水泥混凝土是工程建筑等基礎(chǔ)設(shè)施中最常見的建筑材料之一,隨著建筑物、道路結(jié)構(gòu)的破壞,不斷的翻新重建,會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土,造成了生態(tài)的破壞和資源的浪費。根據(jù)資料顯示,廢棄混凝土在美國的廢棄量約1.36 億噸,歐洲則產(chǎn)生了約2億噸的廢棄量。不僅如此,我國每年需占地約2000萬平方米用來填埋廢棄混凝土。我國建筑廢棄物資源化率不足5%,而歐洲每年資源化率超過90%,日韓廢棄物資源化率已經(jīng)達到97%以上。[1]由此可見:國際上,各國每年廢棄混凝土的數(shù)量都很驚人,但是在資源利用率上,我國明顯不足于歐盟、韓國、日本等國家,為了提高資源利用率,減少廢棄混凝土掩埋處理對生態(tài)的破壞,對廢棄混凝土進行回收利用具有巨大的社會意義。不僅如此,利用好廢棄混凝土,還能減少使用水泥、開采原石,減少空氣中CO2的排放,也能減少堆積建筑垃圾的占地面積和車輛運輸。

近年來,我國在建筑垃圾再生技術(shù)上有了更深的研究和進步,在路基路面工程中,利用混凝土再生骨料代替天然骨料,因此我們需要檢測其相關(guān)性能,研究其應(yīng)用于路基路面工程中的可行性。

2 試驗安排及過程

為了深入研究混凝土主體再生合成骨料在應(yīng)用于路基以及路面主體工程設(shè)計中的實際可行性,需要對混凝土主體再生合成骨料和天然合成骨料的實際基礎(chǔ)應(yīng)用性能分別進行綜合檢測,還可能需要通過室內(nèi)力學(xué)試驗方法研究再生骨料及其應(yīng)用于道路主體工程設(shè)計中的基礎(chǔ)性能。

2.1 混凝土再生骨料和天然骨料的基礎(chǔ)性能檢測

該試驗的原材料有再生粗骨料、再生瓜子片、再生石粉和天然粗骨料?；A(chǔ)性能檢測分為五個部分:針片狀含量、粗骨料的吸水率和相對密度、細骨料的吸水率和相對密度、壓碎值和含泥量試驗?；A(chǔ)性能的檢測能夠讓我們更加直觀的了解再生骨料和天然骨料的性能和區(qū)別,通過性能的不同,調(diào)節(jié)級配和使用方法。

2.1.1 針片狀含量

針片狀含量的定義是用游標(biāo)卡尺來測量粗骨料顆粒的最大長度方向和最小厚度方向的尺寸之比為3的顆粒,該方法可以用來評定粗骨料的形狀和力學(xué)特性。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)[2]試驗要求,測得再生粗骨料的針片狀含量大約占比7.7 %,再生瓜子片的針片狀含量大約占比6.6 %,天然粗骨料的針片狀含量大約占比15.7%。在投入使用粗骨料時,針片狀的骨料越少越好,過多針片狀的骨料也會影響混凝土的性能和使用感受。

2.1.2 再生骨料的吸水率和相對密度

天然再生骨料的孔由于體積小和含量低,所以就會導(dǎo)致其高度吸水率遠遠小于其他再生天然骨料,并且經(jīng)過水洗粉碎的這些再生天然骨料在沒有經(jīng)過水洗后的處理,會殘留有很多量的泥土和白色泥塊,也就是會逐漸增大其對再生天然骨料的高度吸水率。吸水率是水泥穩(wěn)定無機集料的最具影響力的性能,吸水率反映集料的孔徑大小,也影響著未來投入使用時的滲水率、抗?jié)B性、強度、耐久性、適用性等性能。通過再生骨料和天然骨料吸水率的差異,可以通過配合比的調(diào)節(jié),來達到最佳使用配合比,將資源利用最大化,實現(xiàn)其價值。

經(jīng)過試驗得到再生骨料和天然骨料的吸水率和相對密度,如表1。

表1 天然再生優(yōu)質(zhì)骨料和天然再生骨料的相對吸水率和相對吸水密度

由上表可知:再生骨料的吸水率比天然骨料的吸水率大得多,因此,在拌制混凝土的時候,用水和水泥要比天然骨料多一些。

2.1.3 再生骨料的壓碎值

集料壓碎值用于評定集料在加壓荷載下抵抗壓碎的能力,可以用來評定其在路基路面工程中的適用性,可以通過使用計算機和方法分析來準(zhǔn)確判斷它們在建筑路基和地下坡道建筑工程設(shè)計中的重要應(yīng)用。實驗方法參照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)[2],得出再生骨料的壓碎值為18.8%。與天然骨料相比,再生骨料的組成更加復(fù)雜、孔隙率高、吸水率高,因此也會影響壓碎值,使得壓碎值明顯大于天然骨料。

壓碎值越大,其強度越低,材料質(zhì)量越差。在實際使用時應(yīng)當(dāng)選擇壓碎值更小的再生骨料,若再生骨料的壓碎值過高,則不可以投入使用。

2.1.4 粗骨料的含泥量

粗骨料的含泥量對混凝土的性能也有著一定的影響,含泥量一般會降低混凝土的和易性、抗凍性、抗?jié)B性。由于含泥量會影響混凝土的均勻,所以很大程度上也會影響耐久性。根據(jù)實驗測得各集料的含泥量,如表2所示。

表2 粗骨料的含泥量

再生粗骨料和其他再生瓜子片的水泥質(zhì)量均明顯高于天然的粗骨料。因此,在瓜子片投入使用后,再生粗骨料的強度和耐久性將明顯低于天然的粗骨料。

2.2 室內(nèi)試驗

為了深入系統(tǒng)研究各種再生骨料在路基樁和路面穩(wěn)定工程設(shè)計中的重要應(yīng)用性及可行性,需要定期針對各種再生無機骨料應(yīng)用進行高強度穩(wěn)定試驗,試驗按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)[3]根據(jù)采用的試驗方案及配合比分別對再生骨料進行無側(cè)限抗壓強度、間接抗拉強度和室內(nèi)抗壓回彈模量的測定。

2.2.1 擊實試驗

試驗結(jié)果以干密度為縱坐標(biāo),含水量為橫坐標(biāo),得到再生骨料和天然骨料不同水含量的干密度與含水量關(guān)系曲線。

由表3可知,該級別分配下的最優(yōu)含水量應(yīng)該是6.0%,最大干密度應(yīng)該為2.0 g/m2。

表3 含水量和干密度關(guān)系曲線

2.2.2 無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓強度是評價集料路用性能的一個重要指標(biāo)。無側(cè)限抗壓強度試驗按擊實試驗確定的最大干密度和最佳含水量制備試件,并在規(guī)定的溫度下保濕養(yǎng)生,養(yǎng)生期的最后一天將試件浸泡在水中。到試驗齡期后對集料進行無側(cè)限抗壓強度試驗,試驗結(jié)果如表4。

表4 無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)規(guī)范要求,應(yīng)用于公路的集料無側(cè)限抗壓強度平均在4.5 Mpa,當(dāng)水泥含量為5%,強度符合規(guī)定。

2.2.3 間接抗拉強度和室內(nèi)回彈模量試驗

好的基層材料不僅需要較高的抗壓強度,還需要一定的抗拉強度。間接抗拉試驗的實驗步驟與無側(cè)限抗壓強度相似,根據(jù)石海義的《廢棄混凝土再生骨料道路基層試驗研究》[4]的實驗數(shù)據(jù)可知,再生骨料制作的集料抗拉強度高于天然骨料,且高強度再生骨料抗拉強度高于低強度再生骨料。

路面工程能夠抵抗車載壓力的因素是良好剛度和高耐久性,室內(nèi)回彈模量試驗可以評定材料剛度,試驗結(jié)果表明再生骨料和天然骨料制作的基層材料剛度沒有明顯差別。

以上試驗結(jié)果表明,再生骨料制作的基層材料各性能都符合規(guī)定,其中包括了擊實試驗得出的最大干密度、最佳含水率,無側(cè)限抗壓強度要求,間接抗拉強度即劈裂強度試驗強度要求,室內(nèi)回彈模量得出的剛度,以及相關(guān)基礎(chǔ)性能均在可行范圍之內(nèi)。因此再生骨料可以用來代替天然骨料應(yīng)用于路基路面工程中。并且,通過再生骨料替代天然骨料,或者混合使用,能夠產(chǎn)生巨大的效益。

3 結(jié)論

通過對再生骨料和天然骨料基礎(chǔ)性能檢測對比以及再生骨料制作基層材料的抗拉、抗壓、剛度等力學(xué)性質(zhì)的研究測定,將再生骨料應(yīng)用于路基路面工程是可行的,不僅如此,在經(jīng)濟、生態(tài)和社會方面,再生骨料也具有巨大的價值。

3.1 經(jīng)濟價值

再生骨料來源于工程和生活中廢棄的混凝土,減少了天然砂石開采的費用。目前社會面臨著廢棄物堆放過度積累和新建原材料的大量需求的問題,如果利用好建筑垃圾再生技術(shù),那么堆放問題產(chǎn)生土地占用和開采原材料的費用也大大減少。不僅如此,原地利用廢棄混凝,減少了搬運廢棄建筑垃圾和引入原材料上交通運輸費用,具有良好的經(jīng)濟價值。

3.2 生態(tài)價值

建筑垃圾的堆放處理會產(chǎn)生大量的有害氣體,污染空氣環(huán)境,露天堆放和焚燒是處理建筑垃圾司空見慣的處理方式。隨著建筑業(yè)發(fā)展蒸蒸日上,所需要的建筑原材料越來越多,生產(chǎn)開挖也會對山體生態(tài)造成破壞。建筑垃圾不但會影響城市的美觀,也是環(huán)境破壞的罪魁禍?zhǔn)?。將建筑垃圾廢物利用,比如用再生骨料運用于工程中,能夠節(jié)約資源、減少建筑成本,讓建筑垃圾不再堆放過度,從而破壞環(huán)境。

3.3 社會價值

社會能夠發(fā)展得益于建筑業(yè)的發(fā)展,而建筑業(yè)發(fā)展的同時,也伴隨著大量建筑垃圾的產(chǎn)生。全球面臨著資源短缺的環(huán)境問題,如何節(jié)約資源、減少污染是全球都關(guān)注的問題,走可持續(xù)發(fā)展是科學(xué)發(fā)展觀的基本要求之一。我國堅定的走可持續(xù)發(fā)展,利用廢棄建筑垃圾是可持續(xù)發(fā)展很可觀的一步,盡管再生骨料的經(jīng)濟社會意義巨大,其用于路基路面工程依舊有許多不足之處,需要我們不斷完善,尋找最優(yōu)級配,提高再生技術(shù),推向國際。