堿激發(fā)廢舊混凝土道路基層材料在馬橋河路改建工程中的應(yīng)用

郭一枝，萬暑，吳超凡

(1.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410003；2.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心)

1 前言

建筑業(yè)作為中國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在中國現(xiàn)代化建設(shè)的過程中扮演了重要的角色，但建筑業(yè)的繁榮發(fā)展也產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國所產(chǎn)生的建筑固體廢棄物占全世界的30%，而在這些建筑固體廢棄物中有40%是城市建筑垃圾。2017年中國產(chǎn)生的建筑垃圾超過了29億t，其再生利用率僅10%左右，2020年時(shí)建筑垃圾的產(chǎn)量可能達(dá)到峰值。目前，中國政府已十分重視建筑垃圾危害問題，通過出臺相關(guān)政策，極力號召社會各界力量尋找一條建筑垃圾資源化利用的可持續(xù)發(fā)展道路。另外，截止到2016年年底，中國高速公路建成通車總里程突破13萬km，為世界第一位，并且2017年預(yù)計(jì)新增高速公路5 000 km，增速也位居全球第一。就湖南而言，2016年底，湖南省公路通車總路程238 273 km，其中高速公路通車?yán)锍踢_(dá)6 080 km，排名中國第六，預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到7 000 km以上。中國公路建設(shè)的快速發(fā)展消耗了大量天然集料。近些年，由于礦石過渡開采造成一系列的環(huán)境問題，并且許多大城市周圍礦石資源枯竭，用于道路建設(shè)的集料往往來源于數(shù)百公里以外的礦區(qū)，上述現(xiàn)象給中國環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成巨大困難。合理地把建筑固廢物替代天然集料用于道路工程建設(shè)中是解決上述問題的最佳途徑。

由建筑固廢物破碎而成的再生集料具有吸水率大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，如將再生集料直接制備基層混合料，混合料工作性、路用性能波動(dòng)較大，質(zhì)量較難控制。近年來，堿激發(fā)膠凝材料被看作是一種能替代傳統(tǒng)水泥的環(huán)保型建筑材料，具有強(qiáng)度高、抗酸堿腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。堿激發(fā)膠凝材料主要由具有一定急冷熱歷史的含鋁硅酸鹽煅燒天然礦物或工業(yè)廢渣(礦渣、粉煤灰等)和堿激發(fā)劑(氫氧化鈉、水玻璃、硫酸鈉等)組成。將堿激發(fā)膠凝材料用于再生集料作基層材料有較多優(yōu)點(diǎn)：① 堿激發(fā)膠凝材料能替代大部分水泥，減少水泥的用量；② 礦渣、粉煤灰等摻入能填充再生集料的孔隙，并且礦渣和粉煤灰具有火山灰活性，能與再生集料表面老的漿體發(fā)生二次水化作用，使集料強(qiáng)度增大；③ 再生集料中具有一定量的火山灰活性物質(zhì)，在堿激發(fā)劑的作用下能發(fā)生水化反應(yīng)，生成更多的凝膠使混合料的整體強(qiáng)度變大。

基于上述問題，圍繞堿激發(fā)廢舊混凝土道路基層材料的研究進(jìn)行了多項(xiàng)室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：堿激發(fā)廢舊混凝土道路基層材料具有強(qiáng)度高、路用性能優(yōu)異等特點(diǎn)，且各項(xiàng)性能指標(biāo)都能達(dá)到高等級公路路面基層材料要求，該文依托湖南長(沙)益(陽)(擴(kuò)容)高速公路馬橋河道路路面改建工程進(jìn)行工程應(yīng)用。

2 工程概況

馬橋河路是湖南望城經(jīng)開區(qū)規(guī)劃“六縱四橫”的主次干道路網(wǎng)框架中的一縱，路線走向?yàn)槟媳毕?，等級為城市次干路，設(shè)計(jì)速度50 km/h。由于馬橋河路原路面一段與長益(擴(kuò)容)高速交叉，所以將此段路面降低標(biāo)高，新路面從長益(擴(kuò)容)高速下面穿過。破除原路面所產(chǎn)生的道路固廢全部進(jìn)行再生資源化利用。新路面結(jié)構(gòu)層包括：4 cmSMA-13上面層、6 cmAC-20中面層、8 cmAC-25下面層、1 cmSBS改性瀝青同步碎石封層+透層、18 cm5%水泥穩(wěn)定碎石上基層、18 cm5%水泥穩(wěn)定碎石下基層和20 cm4%水泥穩(wěn)定碎石底基層。其中，上、下基層水泥穩(wěn)定碎石重型壓實(shí)度不應(yīng)小于98%，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5 MPa；底基層水泥穩(wěn)定碎石重型壓實(shí)度不應(yīng)小于96%，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3 MPa。

3 原材料試驗(yàn)

膠凝材料：水泥采用湖南南方P.C.32.5級水泥，密度為3 150 kg/m3，水泥性能指標(biāo)如表1所示，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求；礦渣來自湖南婁底漣鋼，為白色粉狀，比表面積為455 m2/g，密度為2 950 kg/m3。水泥與礦渣化學(xué)組分如表2所示。

堿活性激發(fā)劑Z-1：該研究中采用的堿活性激發(fā)劑Z-1為氫氧化鈉、硅酸鈉與碳酸鈉按一定比例配置而成，碳酸鈉和氫氧化鈉都為工業(yè)級，純度99%±1%，硅酸鈉的化學(xué)成分見表3，3種化學(xué)產(chǎn)品都由長沙某公司提供。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 水泥與礦渣化學(xué)成分

表3 硅酸鈉化學(xué)成分

集料：再生集料主要為馬橋河路原路面混凝土板和民用建筑拆除后的混凝土經(jīng)加工處理后所得。天然集料由江西某廠提供。兩種集料都包括0～4.75、4.75～9.5、9.5～19和19～31.5 mm共4檔。按照J(rèn)TG E42-2 005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)試驗(yàn)方法，測得集料性能指標(biāo)如表4所示。從表4可知：再生集料壓碎值大于天然集料，即強(qiáng)度低于天然集料，另外除細(xì)集料外，再生集料吸水率大于天然集料，但再生集料針片狀含量低于天然集料，表明再生集料之間的鑲嵌作用要優(yōu)于天然集料。表5為不同再生集料摻量壓碎值。由表5可見，隨再生集料摻量增加壓碎值逐漸變大。

4 混合料配合比設(shè)計(jì)

4.1 集料級配合成

該研究將堿激發(fā)廢舊混凝土應(yīng)用于路面底基層及基層中，馬橋河路為城市主干道，中輕交通流量。因此集料級配主要參考DBCJ 008-2017《建筑固體廢棄物在城鎮(zhèn)道路中應(yīng)用技術(shù)指南》中表8.3.3.1推薦級配A-1、A-3，如表6所示。另外，根據(jù)上述指南，對于城市主干道底基層，再生集料摻量為100%，而對于基層，再生集料摻量為80%。通過對兩類集料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得出各檔集料粒徑分布情況，進(jìn)而按照各結(jié)構(gòu)層再生集料摻量情況進(jìn)行級配合成，級配合成情況如表7、8所示。

表4 再生集料技術(shù)指標(biāo)

表5 不同再生集料摻配比例壓碎值

4.2 混合料擊實(shí)試驗(yàn)

將滿足相應(yīng)再生集料摻量的混合料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，得出不同摻量再生料條件下混合料最大干密度和最佳含水率。底基層混合料膠凝材料摻量為3%、4%及5%，基層混合料膠凝材料摻量為4%、5%及6%。具體試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》。另外，堿活性激發(fā)劑添入方式為按比例摻入水中，但相對于水的摻量，堿活性激發(fā)劑摻量較少，因此堿活性激發(fā)劑摻入不會影響混合料最大干密度和最佳含水量數(shù)值。表9、10為擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。

4.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將上述不同組分混合料在最大干密度和最佳含水率條件下進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)具體方法參照J(rèn)TG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》。表11、12為抗壓強(qiáng)度結(jié)果。

表6 級配粒徑范圍

表7 底基層、基層各檔集料使用比例

表8 底基層、基層各檔集料合成級配

表9 底基層混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表10 基層混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表11 底基層混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表12 基層混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4.4 膠凝材料用量及相關(guān)參數(shù)的確定

馬橋河路路面底基層設(shè)計(jì)要求為4%水泥摻量，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3 MPa；基層設(shè)計(jì)要求為5%水泥摻量，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5 MPa。因此，對于底基層混合料，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，膠凝材料摻量選取試件強(qiáng)度代表值大于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)3.0 MPa，且同時(shí)考慮工程經(jīng)濟(jì)性與現(xiàn)場施工條件綜合確定，膠凝材料最小用量不低于4%。對于基層混合料，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選取膠凝材料摻量試件強(qiáng)度代表值大于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)5.0 MPa，且同時(shí)考慮工程經(jīng)濟(jì)性與現(xiàn)場施工條件綜合確定，最小用量不低于5%。

具體目標(biāo)配合比為：底基層膠凝材料摻量為4%，再生集料摻量100%，Z-1堿活性激發(fā)劑為水摻量的1.5%；基層膠凝材料摻量為5%，再生集料摻量80%，Z-1堿活性激發(fā)劑為水摻量的1.5%。對于各方案生產(chǎn)配合比確定，根據(jù)JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》的要求，視施工現(xiàn)場情況，對試驗(yàn)室確定的配合比進(jìn)行調(diào)整，膠凝材料劑量可增加0.5%，含水量要較最佳含水量增大0.5%～1.0%。

5 混合料路用性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述配比條件下混合料的路用性能，下面將進(jìn)行混合料路用性能指標(biāo)試驗(yàn)。驗(yàn)證的混合料共4種，即底基層4%堿激發(fā)廢舊混凝土(Z4)以及對照組4%水泥穩(wěn)定再生集料(P4)、基層5%堿激發(fā)廢舊混凝土(Z5)以及對照組5%水泥穩(wěn)定再生集料(P5)。底基層混合料再生集料摻量為100%，基層為80%?；旌狭闲阅軠y試項(xiàng)目有延時(shí)性能試驗(yàn)、7 d劈裂抗拉強(qiáng)度、90 d抗壓回彈模量、90 d干縮應(yīng)變、28 d沖刷質(zhì)量損失率，其中干縮試驗(yàn)既測量試件收縮變形，同時(shí)測量試件失水率，干縮性能試驗(yàn)開始的一周內(nèi)，每天記錄收縮組的千分表讀數(shù)和失水率組的標(biāo)準(zhǔn)試件質(zhì)量，在一周后每兩天進(jìn)行一次試驗(yàn)記錄，1個(gè)月后每隔30 d進(jìn)行一次試驗(yàn)記錄，直至第90 d；沖刷試驗(yàn)采用全自動(dòng)沖刷儀，沖刷頻率為10 Hz，沖刷時(shí)間為30 min，取出沖刷后的試件，把筒中渾濁的水與沖刷物小心地倒入金屬盆中沉淀，沖刷物沉淀12 h后，將上部清水倒掉，把金屬盆放入烘箱中烘干，烘干后稱量沖刷物質(zhì)量。具體試驗(yàn)步驟參照J(rèn)TG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。

表13為混合料試件延時(shí)成型后7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，表13中試驗(yàn)與表12試驗(yàn)為不同批次試驗(yàn)，由于試驗(yàn)存在波動(dòng)，部分?jǐn)?shù)據(jù)不一致，但不影響同批試件性能對比結(jié)果。從表13可得：堿激發(fā)廢舊混凝土試件在延時(shí)成型2 h時(shí)強(qiáng)度最大，主要原因是混凝土再生集料孔隙較多，前期會吸入部分堿溶液，在堿的作用下，混凝土再生集料內(nèi)部活性物質(zhì)發(fā)生水化反應(yīng)使基體強(qiáng)度增加。成型過早時(shí)，試件靜壓成型過程中，再生集料吸入孔隙的堿有限，上述效果不明顯。成型過晚時(shí)，膠凝材料已發(fā)生部分凝膠反應(yīng)，降低混合料整體強(qiáng)度。另外還可得出堿激發(fā)廢舊混凝土強(qiáng)度高于水泥穩(wěn)定再生集料強(qiáng)度。在延時(shí)成型6 h內(nèi)，水泥穩(wěn)定再生集料試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨延時(shí)時(shí)間增加而大幅下降，堿激發(fā)廢舊混凝土在6 h內(nèi)延時(shí)成型強(qiáng)度下降較小。上述可以說明，堿激發(fā)廢舊混凝土要比水泥穩(wěn)定再生集料強(qiáng)度高，且混合料的施工工作性能更好。

表13 延時(shí)性能測試結(jié)果

表14為混合料綜合性能測試結(jié)果，應(yīng)用堿激發(fā)技術(shù)相較于摻純水泥的混合料試件劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓回彈模量都有明顯的提高。從干縮試驗(yàn)測試結(jié)果可知，摻加純水泥混合料試件干縮應(yīng)變值較大，并且隨膠凝材料摻量增加，混合料試件干縮應(yīng)變值變大。從沖刷試驗(yàn)結(jié)果可得，堿激發(fā)廢舊混凝土試件被水沖刷后質(zhì)量損失相對較少，這說明使用堿激發(fā)膠凝材料對再生集料的黏結(jié)作用要大于水泥對再生集料的黏結(jié)作用。

表14 綜合性能測試結(jié)果

6 施工質(zhì)量控制與效益分析

6.1 施工質(zhì)量控制

由于水泥穩(wěn)定碎石是碾壓成型，其強(qiáng)度主要來源于集料之間的鑲嵌力和混合料化學(xué)膠結(jié)力，而壓實(shí)度是混合料強(qiáng)度關(guān)鍵參數(shù)。因此在施工過程中主要對混合料的含水率和壓實(shí)度進(jìn)行控制。表15為路面壓實(shí)度檢測數(shù)據(jù)，底基層壓實(shí)度設(shè)計(jì)要求為不小于96%，基層為98%。從表15可得：混合料壓實(shí)度控制較好，全部滿足設(shè)計(jì)要求。從芯樣圖可知，芯樣完整密實(shí)，且外表較光滑，說明混合料碾壓成型后強(qiáng)度發(fā)展較好。

表15 路面底基層與基層壓實(shí)度檢測

6.2 效益分析

該項(xiàng)目在馬橋河道路改建工程中開展試驗(yàn)研究與應(yīng)用，其效益主要包括直接經(jīng)濟(jì)效益和間接社會效益。

(1)經(jīng)濟(jì)效益。馬橋河試驗(yàn)路段長817 m，主線與輔道寬共36 m，底基層與基層設(shè)計(jì)厚度共0.5 m，共用混合料約3.5萬t。原材料成本價(jià)格為：廢棄混凝土板從工地運(yùn)輸?shù)焦S，然后破碎加工成再生集料，所生產(chǎn)的再生集料成本為50元/t；碎石到場平均最低價(jià)格為100元/t；P.C.32.5級水泥的到場價(jià)格為500元/t；礦渣到廠價(jià)格為380元/t；活性堿激發(fā)劑3 000元/t。該項(xiàng)目采用堿激發(fā)建筑固廢物原材料總成本約為250萬元，而如果采用水泥穩(wěn)定碎石，原材料成本為420萬元。因此采用堿激發(fā)技術(shù)，原材料成本節(jié)約40%，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)社會效益。該項(xiàng)目的研究為豐富中國高速公路建設(shè)用大宗材料提供了理論支持與借鑒意義，充分實(shí)現(xiàn)就地取材、降低工程造價(jià)的原則，同時(shí)為瀝青路面設(shè)計(jì)與施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)基礎(chǔ)。利用工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的固體廢物物代替優(yōu)質(zhì)的碎石修建高速公路路面結(jié)構(gòu)層，可以大量減少碎石的開采量，從而減少礦山開采過程中帶來的山體破壞、森林與植被毀壞、水土流失。大量固體廢物的堆放與儲存，不僅占據(jù)大量的土地，而且產(chǎn)生的環(huán)境污染十分嚴(yán)重，這些固廢物是城市近郊大宗固體環(huán)境污染源之一，其對社會構(gòu)成的危害主要表現(xiàn)為固廢物內(nèi)的有害物質(zhì)在雨水作用下對江河地表水系與地下水系的污染。把固廢物用于高速公路路面結(jié)構(gòu)層，可最大限度地消耗與掩埋這種大宗固體廢棄物，一方面節(jié)約土地資源；另一方面保護(hù)環(huán)境，改善人類賴以生存的自然環(huán)境，完全符合中國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、清潔發(fā)展的重大戰(zhàn)略。

7 結(jié)語

該文主要對堿激發(fā)廢舊混凝土道路基層材料的應(yīng)用進(jìn)行了研究，根據(jù)堿激發(fā)膠凝材料強(qiáng)度、耐久性好等特點(diǎn)，成功地將其與再生集料結(jié)合應(yīng)用于道路基層材料中。試驗(yàn)首先對比了天然集料與再生集料性能，再生集料強(qiáng)度弱于天然集料，吸水率大于天然集料。其次根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范和設(shè)計(jì)要求對混合料相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)和控制?；旌狭蠝y試指標(biāo)有延時(shí)成型強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、干縮性、抗沖刷性能，從混合料路用性能測試結(jié)果得出，同等材料摻量條件下，堿激發(fā)廢舊混凝土道路基層材料各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于水泥穩(wěn)定再生集料。將堿激發(fā)廢舊混凝土道路基層材料應(yīng)用于馬橋河路改建工程中，實(shí)現(xiàn)原材料成本節(jié)約40%，并且相關(guān)性能指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為日后該技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于長益(擴(kuò)容)高速公路打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，該項(xiàng)目對推進(jìn)建筑固廢物資源化利用具有深遠(yuǎn)意義。