石灰粉煤灰穩(wěn)定混凝土再生集料最優(yōu)配合比的試驗研究

彭艷周王華鋒史宏宇張 典徐 港

(1.三峽大學 湖北省防災減災重點實驗室,湖北 宜昌443002；2.三峽大學 土木與建筑學院,湖北 宜昌443002)

有研究發(fā)現(xiàn)[4-6],骨架密實型的石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料不但具有良好的力學性能、水穩(wěn)定性、抗凍性,而且對環(huán)境的保護和我國廢棄資源的開發(fā)利用帶來很大的益處,是一種環(huán)保型路面基層材料,目前正逐漸應用于道路建設中[7].然而由于廢舊混凝土自身強度和破碎工藝等原因,在破碎時造成再生集料壓碎值過大而不能應用于高級和Ⅰ級公路的基層,另外還會出現(xiàn)再生集料級配不良的現(xiàn)象,在級配設計時多數(shù)表現(xiàn)為再生細集料(0～5 mm)含量高達50%左右,會使得最后的混合料形成懸浮密實類型的骨架,與骨架密實型的應用廣泛不同[8],此種骨架類型的研究相對較少.從加快建筑垃圾資源化和降低工程成本的角度出發(fā),以材料的力學性能、抗沖刷性能、抗凍等性能為指標,同時考慮工程成本的因素,首先進行了再生集料復合料的級配設計,其次對石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料混合料的配合比進行優(yōu)化設計,最后對石灰粉煤灰穩(wěn)定混合料的最優(yōu)配合比進行了抗凍性能的研究,擬將石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料應用于Ⅱ級及以下公路中的基層中去,為廢棄混凝土的開發(fā)和利用帶來更廣的出路.

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

石灰:采用湖北省夷陵區(qū)龍泉鎮(zhèn)雙泉精制灰加工廠的鈣質(zhì)消石灰粉,有效CaO+MgO含量為87%,含水量為0.3%,Mg O 含量為1.1%,品質(zhì)Ⅰ級.粉煤灰:采用華潤電力(宜昌)有限公司中澤公司的粉煤灰,SiO2、Al2O3和Fe2O3總含量為80%,SO3含量為1.7%,比表面積為390 m2/g,燒失量為6.4%,含水量為0.2%,f-CaO 含量為0.3%.水:采用自來水.再生混凝土集料:采用某廢舊混凝土路面板破碎加工而成的粒徑范圍分別為0～5 mm的再生細集料(RCA-1)、5～20 mm(RCA-2)和20～30mm(RCA-3)的再生粗集料,再生細集料和再生粗集料基本性能分別見表1和表2,再生集料篩分析試驗結(jié)果見表3.

表1再生細集料基本性能

表2再生粗集料基本性能

表3 3種再生集料的篩分試驗結(jié)果(單位:%)

由表1可知,再生細集料的各指標均滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)[9]中的相應要求；通過對比表2中RCA-2、RCA-3基本性能的檢測結(jié)果,根據(jù)規(guī)范規(guī)定此再生集料可以用于二級及二級以下公路工程中.

1.2 試驗方法

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)[10]進行了重型擊實、無側(cè)限抗壓強度、劈裂凍強度、抗沖刷性能、凍融等試驗.其中重型擊實試驗嚴格按照以上規(guī)范中無機結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實試驗方法類別中的丙法進行；無側(cè)限抗壓強度、劈裂凍強度、抗沖刷性能、凍融等試驗試件的制作嚴格按照以上規(guī)范中無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法(圓柱形)進行,選擇的試件尺寸為:直徑×高=Φ150 mm×150 mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 再生集料復合料的級配設計

《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中對石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石,公路等級為二級及二級以下公路應符合LF-B-1S這一推薦級配.為得到滿足LF-B-1S3 種粒徑范圍的RCA摻配比例,借助Matlab工具,運用數(shù)學中的枚舉法進行求解,方法如下:首先,假設RCA-1、RCA-2、RCA-3三種粒級的再生集料摻量分別為m、n、k.為了盡量精確,這里m、n、k 的取值范圍都取1∶100,共有1 000 000種組合；其次,計算與每個篩孔相對應的通過率,如公式(1)所示,并通過與規(guī)范給出的推薦級配上下限作比較進行篩選,把滿足要求的m、n、k挑選出來.最后,為了方便記錄并化為比例的形式,取k為1,再分別用m、n里的對應項分別除以k,分別得到m、n的比例范圍.設計計算結(jié)果見表4.

其中:pi表示通過第i個篩孔尺寸的累計通過率；ρi1表示RCA-1中第i個篩孔尺寸的篩余百分率；ρi2表示RCA-2中第i個篩孔尺寸的篩余百分率；ρi3表示RCA-3中第i個篩孔尺寸的篩余百分率.

表4再生集料復合料配比例的設計計算結(jié)果

為得到良好的級配,RCA-1和RCA-2的摻量比例取其中間值,得到3種粒徑范圍的RCA 混合料的最優(yōu)摻配比例,即RCA-1∶RCA-2∶RCA-3=50∶30∶20.最后按照此比例進行3種再生集料的復合摻配,并對復合料進行篩分試驗以驗證,篩分結(jié)果見表5,篩分曲線如圖1所示.由表5可知,按照以上摻量比得到的再生復合料的級配與計算出的理論級配非常相近,誤差很小,而且都落在LF-B-1S這一推薦級配范圍內(nèi).由圖1可以看出,實際篩分結(jié)果基本上在規(guī)范級配范圍的中間部分,而且由于破碎工藝和廢舊混凝土強度等原因使其最后獲得的混合料中細集料RCA-1的含量高達50%左右,由此形成的骨架類型為懸浮密實型[8].

對比實驗組與參照組腦卒中后認知障礙護理干預前后簡易精神狀態(tài)量表評分數(shù)據(jù)（見表1），護理前兩組患者簡易精神狀態(tài)量表評分比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。經(jīng)護理干預2組患者精神狀態(tài)評分均有所升高，但實驗組護理3個月、6個月、9個月后簡易精神狀態(tài)量表評分均高于參照組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表1。

表5 3種再生集料按最佳比例摻配得到的復合料的級配

2.2 石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料最佳配合比的確定

在研究石灰與粉煤灰的用量比例對石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料性能的影響時,選取的石灰粉煤灰摻量為《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)規(guī)范中推薦摻量范圍的中間值18%,選取試驗組號A1,A2,A3,A4,A5,5 個試驗組號的設計配合比中石灰與粉煤灰比例分別為1∶1,1∶2,1∶3,1∶4,1∶5,并依照設計配合比進行擊實試驗和7 d無側(cè)限抗壓強度試驗,得到不同配合比的石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料(Lime Flyash Stable Regeneration aggregate,RSFL)的最大干密度、最佳含水量、7 d無側(cè)限抗壓強度.并以7 d無側(cè)限抗壓強度為主要指標,確定石灰粉煤灰的最佳比例.

石灰粉煤灰摻量對石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料性能影響的研究,保持石灰粉煤灰最佳比例1∶2不變,選取試驗組號A2-1,A2-2,A2-3,A2-4,并4個試驗組號的設計配合比中石灰粉煤灰的總量分別為18%,15%,13%,9%,并依照設計配合比進行擊實試驗、7 d無側(cè)限抗壓強度試驗、28 d劈裂強度試驗、90 d沖刷質(zhì)量損失率試驗,得到不同配合比的RSFL的最大干密度、最佳含水量、7 d抗壓強度、28 d劈裂強度、90 d沖刷質(zhì)量損失率等試驗結(jié)果,并以各實驗結(jié)果確定RSFL的最佳配合比.

對于室內(nèi)試驗取得的抗壓強度均取95%的代表值,另外對其試驗的工序進行了嚴格的控制,所有混合料均按照有關規(guī)范的時間進行拌制和悶料,各項試驗中的試件成型參數(shù)、數(shù)量、質(zhì)量、養(yǎng)護條件及測試內(nèi)容,也均參照有關試驗規(guī)程和設計規(guī)范來完成[10].

2.2.1 石灰與粉煤灰用量比對混合料最大干密度和最佳含水量的影響

由圖2可知,在石灰粉煤灰與再生集料用量不變的情況下,石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料的最大干密度和最佳含水量的變化趨勢都是隨著石灰粉煤灰比的逐漸減少,即隨著石灰含量減小粉煤灰含量增多呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；且不難發(fā)現(xiàn)最大干密度和最佳含水量都在石灰與粉煤灰的用量比為1∶2 時達到最大,分別為1.98 g·cm-3和11%；此外和石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石相比最大干密度有所降低,最佳含水量有所升高,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能是由于RCA表面以及內(nèi)部孔洞增加、微裂縫較多、附著過多硬化水泥砂漿,使其表觀密度減小,吸水量增多造成的[11].

2.2.2 石灰與粉煤灰的用量比例對混合料7 d無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖3可知,隨著石灰粉煤灰比的逐漸降低,其7 d抗壓強度由低到高后出現(xiàn)回落,抗壓強度的峰值出現(xiàn)在石灰粉煤灰比為1∶2左右,而且在峰值過后隨著石灰與粉煤灰用量比的降低,混合料的強度變化幅度逐漸減小,于石灰/粉煤灰比為1∶4 后趨于穩(wěn)定.值得注意的是在石灰粉煤灰含量為18%,RCA 含量為82%時,石灰粉煤灰比在1∶1～1∶5之間的范圍內(nèi),其抗壓強度都高于規(guī)范中對二級及二級以下公路規(guī)定的石灰粉煤灰穩(wěn)定材料的7 d無側(cè)限抗壓強度標準Rd(數(shù)值為0.9 MPa),因此石灰粉煤灰的用量最佳比為1∶2左右.

2.2.3 石灰粉煤灰含量對混合料最大干密度和最佳含水量的影響

由圖4可知,隨著石灰粉煤灰含量的逐漸減少,混合料的最大干密度會隨之增大,而最佳含水量的變化則相反,即石灰粉煤灰含量越小,其含水量也逐漸減小；由于RCA 的表觀密度為2 490 kg·m-3左右,而通常情況下要比石灰粉煤灰的表觀密度大,一般只有1800 kg·m-3左右,因此在保證密實度的情況下,隨著RCA 含量的增加,混合料的干密度也會隨之增大.

2.2.4 石灰粉煤灰含量對混合料7 d無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖5可以看出,隨著石灰粉煤灰含量的減少和RCA 含量的增加,抗壓強度呈現(xiàn)下降的趨勢,這說明抗壓強度與石灰粉煤灰和RCA含量有著密切的關系,并且把灰固比(石灰粉煤灰含量和RCA 含量的比值)與7 d抗壓強度值進行線性擬合,得到兩者的關系如圖7所示；并且可以從圖中可以發(fā)現(xiàn)懸浮密實型骨架結(jié)構(gòu)在石灰粉煤灰比為1∶2,含量達到最低值9%時,其強度仍然滿足規(guī)范所要求的石灰粉煤灰穩(wěn)定材料的7 d無側(cè)限抗壓強度標準Rd(數(shù)值為0.9 MPa).

2.2.5 結(jié)合料和被穩(wěn)定材料之比與混合料7 d無側(cè)限抗壓強度的關系

由圖6可看出,結(jié)合料(石灰粉煤灰)和被穩(wěn)定材料(再生復合集料)之比與抗壓強度是正相關關系,以灰固比為x,抗壓強度為y,擬合的方程為y=0.74+11.77x.結(jié)合料中石灰的主要成分為CaO,粉煤灰的成分主要為SiO2和Al2O3.石灰與水發(fā)生水化反應,生成氫氧化鈣,為粉煤灰的水化提供鈣源和堿性環(huán)境,生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣,能將再生集料膠結(jié)在一起,形成固化粘聚力,這是混合料強度的主要來源.因此隨著結(jié)合料/被穩(wěn)定材料的比例逐漸增大時,混合料中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠就會相對增多,混合料中的再生集料被包裹得更加嚴密,且之間的粘聚力也會更大,強度也會更高.其中組號A2-3的石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料混合料通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)檢測,其微觀形貌如圖7所示,圖7(a)可看出中間是一些石灰、粉煤灰生成的產(chǎn)物,把旁邊的較疏松的再生集料顆粒聯(lián)系起來,從圖7(b)、7(c)可以看出產(chǎn)物的產(chǎn)量不多,孔隙率較高,因此雖可以形成一定的強度,但不會很高.

2.2.6 石灰粉煤灰含量與混合料劈裂強度、抗沖刷性能的關系

對抗裂性能、抗沖刷性能進行檢驗,以上4個配比的28 d劈裂強度和90 d沖刷質(zhì)量損失率如圖8所示.

由圖8可以看出,隨著結(jié)合料含量的減少,劈裂強度呈現(xiàn)下降的趨勢,并從斜率可以看出當石灰粉煤灰含量在13%～9%之間下降趨勢更加明顯,石灰粉煤灰含量9%(A2-4)時,劈裂強度僅有0.05MPa；對于沖刷質(zhì)量損失率,隨著石灰粉煤灰含量的減少呈現(xiàn)增大的趨勢,從折線的斜率可以看出石灰粉煤灰含量在15%～13%之間上升趨勢相對比較平緩,而13%～9%之間上升趨勢相對比較明顯,石灰粉煤灰含量為9%時,沖刷質(zhì)量損失率高達10%左右.從以上分析可以發(fā)現(xiàn)雖然石灰粉煤灰含量為9%時強度滿足要求,但其劈裂強度過低,沖刷質(zhì)量損失率過高,因此可以發(fā)現(xiàn)石灰粉煤灰含量為9%時并不適合作為道路基層材料使用.相比較之下,石灰粉煤灰含量在18%(A2-1)時其各個方面的路用性能都比較好,石灰粉煤灰含量在13%～15%時,雖然其性能方面略有不及A2-1,但從測試結(jié)果可以看出仍能使用于道路基層中,并且隨著粉煤灰的使用日益普遍,價格增幅劇烈,因此,在工程中不得不考慮成本的限制,故石灰粉煤灰含量在13%～15%時最為理想.

綜上所述,由于廢舊混凝土本身強度以及其他性能的原因,在破碎后生產(chǎn)出的再生集料經(jīng)過級配設計不能形成骨架密實型的相對穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),而只能形成懸浮密實型的骨架結(jié)構(gòu).經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)懸浮密實型石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料的最佳石灰粉煤灰比在1∶2左右,最佳石灰粉煤灰含量在13%～15%,RCA含量建議在85%～87%,此時的石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料不僅具有良好的抗壓、抗裂、抗沖刷性能.

2.3 石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料的抗凍性能

選取石灰和粉煤灰質(zhì)量比為1∶2,石灰粉煤灰含量為13%,RCA含量為87%這一配比的混合料,進行了石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料的抗凍性能的試驗研究,結(jié)果見表6.

表6 RSFL抗凍性能的試驗結(jié)果

由表6可知,石灰和粉煤灰質(zhì)量比為1∶2,石灰粉煤灰含量為13%,RCA 含量為87%這一配比的混合料經(jīng)5次標準凍融試驗后,其質(zhì)量損失率均不超過0.14%,且各試件的外觀質(zhì)量良好,未見有明顯破損,第5次凍融循環(huán)后抗壓強度損失率僅為4.7%.

3 結(jié)論

針對再生集料壓碎值過大和級配不良造成廢舊混凝土利用率低的問題,借助Matlab以3種粒級的再生集料(粒徑分別為0～5 mm、5～20 mm、20～30 mm,依次記為RCA-1、RCA-2、RCA-3)為原料進行再生復合料的級配優(yōu)化設計,并通過重型擊實、無側(cè)限抗壓強度、劈裂試驗、抗沖刷性能等試驗,研究了石灰粉煤灰的組分比例(即石灰/粉煤灰比例)、結(jié)合料摻量(石灰與粉煤灰的總摻量)對混合料的最大干密度、最佳含水量、7 d無側(cè)限抗壓強度、28 d劈裂強度、90 d沖刷質(zhì)量損失等性能的影響,在此基礎上,研究了石灰粉煤灰穩(wěn)定再生集料混合料的抗凍性能,得到如下結(jié)論:

1)提出了一種借助于Matlab軟件進行再生集料復合料級配設計的計算方法,并據(jù)此得到了3種再生集料的適宜摻配比例,即RCA-1∶RCA-2∶RCA-3=50∶30∶20.

2)以石灰粉煤灰為結(jié)合料,對再生復合集料進行穩(wěn)定,所得混合料為懸浮密實型結(jié)構(gòu)的道路基層材料.結(jié)合料(石灰粉煤灰)與被穩(wěn)定材料的質(zhì)量比(x)對混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度(y)有著較大的影響,兩者之間存在著以下關系:y=0.74+11.77x.

3)得到了石灰粉煤灰穩(wěn)定廢舊混凝土再生集料的最優(yōu)配合比,本試驗條件下最優(yōu)配合比為:石灰/粉煤灰用量比為1∶2左右,石灰粉煤灰總量為13%～15%(RCA 含量為85%～87%時).此時,混合料的抗壓強度、劈裂強度、抗沖刷性能等力學性能滿足二級及二級以下公路對基層材料的要求,并且其抗凍性能也表現(xiàn)良好.