水泥穩(wěn)定碎石再利用試驗(yàn)研究

李麗慧，馬金柱

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

我國公路及城市道路的設(shè)計(jì)年限一般為15～20年，當(dāng)已建成的路面達(dá)到使用年限或因重交通、超載等原因提前被破壞，甚至是結(jié)構(gòu)性破壞，路面必須進(jìn)行改造[1,2].水泥穩(wěn)定碎石基層是我國高等級(jí)公路基層和底基層應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)型式[3,4].

我國每年的路面改造工程都會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊水泥穩(wěn)定碎石.以前，大部分建筑垃圾未經(jīng)任何處理就被運(yùn)往郊外露天堆放或填埋[5]；近十年來，隨著國家對(duì)資節(jié)約源和環(huán)保問題的日益重視，全國各地陸續(xù)建設(shè)了建筑垃圾處理廠[6]，對(duì)本地區(qū)的建筑垃圾進(jìn)行回收、集中處理與再利用.建筑垃圾通常要經(jīng)過分類、破碎、分揀等工藝后存放，然后根據(jù)需求再利用.廢舊水泥穩(wěn)定碎石如果由建筑垃圾清運(yùn)公司集中回收，從銑刨到再利用通常需要一段時(shí)間；如果由該道路工程的施工單位直接回收后再利用，不僅大大縮短其存放時(shí)間，而且能夠節(jié)約占地.本研究以廢舊水泥穩(wěn)定碎石為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)，分析其存放前后各方面性能的差異，為廢舊水泥穩(wěn)定碎石資源化處置效益的最大化提供科學(xué)依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

在道路改造工程水泥穩(wěn)定碎石基層銑刨現(xiàn)場(chǎng)取樣，分兩個(gè)批次進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石再生試驗(yàn)，一批立即進(jìn)行配合試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和收縮試驗(yàn)，并將該配合比應(yīng)用于本工程水泥穩(wěn)定碎石底基層；另一批放置三個(gè)月后，再進(jìn)行相同試驗(yàn)，與之前的再生集料進(jìn)行對(duì)比.

2 原材料試驗(yàn)

2.1 再生集料

再生集料為許昌市某道路改建工程中舊水泥穩(wěn)定碎石基層的銑刨料.取樣之后立即用于試驗(yàn)研究的集料簡稱為1#集料，經(jīng)過露天放置3個(gè)月之后用于試驗(yàn)研究的集料簡稱為2#集料.經(jīng)過篩分試驗(yàn)測(cè)得再生集料的級(jí)配變化，1#集料和2#集料級(jí)配組成見表1和圖1.

表1 兩批集料級(jí)配

圖1 兩批集料的級(jí)配曲線

由圖1可以看出，再生集料19 mm以上粒徑所占比例較少.2#集料與1#集料相比，大粒徑的比例變小.所以，再生集料出現(xiàn)了“粉化”現(xiàn)象.

2.2 天然集料

由于水泥穩(wěn)定碎石再生集料中大粒徑所占比例較少，而且物理力學(xué)性能往往不均勻[7]，在施工過程中可能出現(xiàn)粗細(xì)料離析、強(qiáng)度不均勻等質(zhì)量問題[8].因此，再生集料中摻加一定比例的天然集料，以改善其級(jí)配，提高再生水泥穩(wěn)定碎石的品質(zhì).摻加的天然集料粒徑為9.5～19 mm的碎石.

2.3 水泥

水泥為許昌豫新P.O32.5水泥，初凝時(shí)間為169 min，終凝時(shí)間為262 min，滿足《通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》GB175-2007要求.

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 集料組成設(shè)計(jì)

《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034—2000)(簡稱《規(guī)范1》)和《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》 [JTG D50—2006](簡稱《規(guī)范2》)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的集料級(jí)配提出了要求.本項(xiàng)目為瀝青混凝土路面，由于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的力學(xué)性能、抗收縮能力，所以參考了《規(guī)范1》中高速和一級(jí)公路公路底基層和《規(guī)范2》中骨架密實(shí)型級(jí)配.1#和2#再生集料都選擇3種摻配比例，分別為35%碎石+65%再生集料(簡稱1—35和2—35)、40%碎石+60%再生集料(簡稱1—40和2—40)和45%碎石+55%再生集料(簡稱1—45和2—45)，級(jí)配組成見表2.

表2 1#集料3種摻配比例的級(jí)配

根據(jù)混合料篩分結(jié)果，選擇1-35和2-35 ，即兩種再生集料的摻配比例均為35%碎石+65%再生集料.

3.2 最佳含水量的確定

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求為大于等于3.5MPa.采用擊實(shí)法成型試件，確定最佳干密度和最佳含水率.試件從試模內(nèi)脫出后,立即用塑料薄膜包覆，放置于養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d、浸水1 d，進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).

研究表明，摻加一定比例的粉煤灰，可以改善水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能[9].5%的粉煤灰摻量可以顯著改善水泥穩(wěn)定碎石收縮性能[10].因此，本研究摻加的粉煤灰用量為5.0%.1-35集料，采用水泥用量為4.0%，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖2，2-35集料擊實(shí)試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖3.

表3 1-35擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過擊實(shí)試驗(yàn)，得到1-35最佳干密度為2.232 g·cm-3，最佳含水量為7.4%.

2-35集料，水泥用量4.0%，粉煤灰5.0%，經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)后，試件強(qiáng)度達(dá)不到目標(biāo)要求.因此，水泥用量調(diào)整為5%，粉煤灰用量不變，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖3，水泥穩(wěn)定碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖3.

表4 2-35擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 1-35擊實(shí)曲線

圖3 2-35擊實(shí)曲線

經(jīng)過擊實(shí)試驗(yàn)，得到2-35最佳干密度為2.212 g·cm-3，最佳含水量為7.6%.

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

用重型擊實(shí)法制備試件.試件從試模內(nèi)脫出并稱量后立即用塑料薄膜包覆，在25±2 ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室保濕養(yǎng)生 6 d, 浸水1 d，進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見表 5.

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：1-35與2-35的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大致相當(dāng)，均滿足強(qiáng)度要求，但是1-35的水泥用量為4%，2-35的水泥用量為5%，因此，再生集料經(jīng)過存放后的經(jīng)濟(jì)性有所下降.

4 干縮試驗(yàn)

按照最佳含水量制備100 mm×100 mm×40 mm梁試件.試件脫模后用塑料袋密封，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室保濕養(yǎng)生7d后，測(cè)定試件的收縮情況.每隔 24h測(cè)一次試件的干燥收縮值及相應(yīng)含水量，直至含水量基本保持不變[11].測(cè)得1-35和2-35的干縮系數(shù)分別為49×10-6和,62×10-6.表明：摻加粉煤灰的再生水泥穩(wěn)定碎石干縮性能較好；1-35的干縮性能優(yōu)于2-35.分析原因：2-35與1-35集料相比偏細(xì)，尤其是粒徑小于2.36 mm的成分明顯偏多.細(xì)集料，尤其是2.36 mm以下的集料會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石收縮率的增大[12].縮短再生骨料的存放時(shí)間，有利于改善其收縮性能.

5 結(jié)語

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：

(1)水泥穩(wěn)定碎石再生集料可以作為骨料的主要來源，用于水泥穩(wěn)定碎石中；

(2)水泥穩(wěn)定碎石再生集料放置過程中，級(jí)配發(fā)生了一定變化，出現(xiàn)了“粉化”現(xiàn)象；

(3)放置一段時(shí)間后的再生水泥穩(wěn)定碎石集料，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需要的水泥用量有所增加.

因此，建議道路改造工程中產(chǎn)生的水泥穩(wěn)定碎石銑刨料宜盡快利用，應(yīng)用于本項(xiàng)工程水泥穩(wěn)定碎石基層中，縮短存放時(shí)間，以提高其經(jīng)濟(jì)性.

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