基于地聚合物再生混凝土的道路基層結(jié)構(gòu)力學性能研究

(1.濰坊科技學院，山東 濰坊 262700； 2.中國海洋大學，山東 青島266100; 3.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提升，城鎮(zhèn)道路硬化率也在逐步提高，同時一些齡期較長混凝土結(jié)構(gòu)因不能滿足社會需求被拆除，造成大量建筑垃圾。為了資源循環(huán)利用和減少建筑垃圾對自然環(huán)境的污染，研究者提出將廢棄的混凝土重新加工利用形成新的混凝土材料即再生混凝土材料用于道路路基中，出于環(huán)?？紤]，再生混凝土大多采用礦物或地質(zhì)材料做膠凝材料代替水泥[1-2]。Hord研究了粉煤灰中提煉地聚合物方法，并將提煉的地聚合物用做混凝土膠凝材料，得到了很好的應用效果[3]；Phbr對粉煤灰中銅、鉛等金屬離子含量進行研究，得到了其不同含量下的凝結(jié)效果[4]；王剛利用粉煤灰為原材料，從中添加堿性物質(zhì)制備地聚合物，并將其與水泥膠凝材料對比分析了抗壓性能[5]；侯云芬研究了不同養(yǎng)護濕度和溫度下以粉煤灰為主要原材料制備的地聚合物的抗壓性能，研究結(jié)果表明，養(yǎng)護溫度越高混凝土的抗壓強度越大[6]。本文從再生混凝土的路用性能出發(fā)，將粉煤灰、氫氧化鈉溶液及水玻璃組成的混合物作為膠凝材料，利用試驗的方法得到了再生混凝土的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和無側(cè)限抗壓回彈模量，對再生混凝土在道路基層中的應用奠定了理論基礎。

1 地聚合物再生混凝土配合比試驗

地聚合物再生混凝土是由再生集料、地聚合物、外加劑及水組成。每種材料的物理、力學性能直接影響再生混凝土的力學性能[7]，因此在對地聚合物再生混凝土進行力學試驗前有必要測試其組成材料的物理力學性能。

試驗用粗骨料為再生級配碎石，經(jīng)鑒定該再生粗骨料為花崗巖，再生級配碎石如圖1所示，其各項指標見表1所示。

圖1 級配碎石Figure 1 Graded macadam

表1 再生碎石性能指標Table1 Performanceindicatorsofreclaimedcrushedstone粒徑/mm表觀密度/(g·m-3)堆積密度/(g·m-3)空隙率/%吸水率/%壓碎值/%磨耗值/%5～402.551.3650.35.8112.124.3

細骨料是為了填充粗骨料間的空隙以節(jié)約膠凝材料增強混凝土的力學性能，再生混凝土細骨料由兩種組成，一種是組成原混凝土的細砂，一種是水泥顆粒，其各項指標間表2所示。

表2 細集料性能指標Table2 Performanceindicatorsoffineaggregate表觀密度/(g·m-3)堆積密度/(g·m-3)空隙率/%吸水率/%壓碎值/%磨耗值/%2.511.4342.210.223.125.6

地聚合物再生混凝土的膠凝材料采用粉煤灰和水泥，粉煤灰特性見表3和表4，水泥性能見表5，從相關研究[8-9]可以發(fā)現(xiàn)，地聚合物中要添加堿性聚合物才能更好的發(fā)揮粉煤灰的膠凝特性，本次試驗采用水玻璃溶液作為堿性激發(fā)劑，地聚合物的最佳配合比應為水泥∶粉煤灰=7∶3，水玻璃模數(shù)1.5。

表3 粉煤灰主要化學成份Table3 Mainchemicalcompositionsofflyash成份CaOK2OSiO2Na2OFe2O3Al2O3SO3MgO含量/%6.351.2354.210.414.6124.21.031.31

表4 粉煤灰物理特性Table4 Physicalpropertiesofflyash比表面積/(m2·kg-1)密度/(g·cm-3)含水量/%燒失率/%3922.351.381.94

為研究地聚合物膠凝材料在不同配合比下混凝土的力學性能，將地聚合物膠凝材料摻量分為表6所示的6組。再生集料方孔篩余見表7。

表5 水泥性能指標Table5 Cementperformanceindex成份CaOK2OSiO2Na2OFe2O3Al2O3SO3MgO含量/%7.351.3734.130.634.6126.73.211.46

表6 材料配合比Table6 Materialmixratio編號J1J2J3J4J5J6地聚合物膠凝材料摻量/%4.55.05.56.06.57.0含水率/%10.811.111.511.912.312.8

表7 再生集料方孔篩余Table7 Recycledaggregatesquareholescreeningresidues篩孔直徑/mm31.5199.54.752.360.60.075累計篩余/%10080462525102

2 地聚合物再生混凝土力學性能分析

道路基層作為路面結(jié)構(gòu)層和道路面層一起承受車輛荷載[10]，因此基層材料的力學性能直接決定了道路的承載能力和使用壽命，本文通過再生混凝土的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和無側(cè)限抗壓回彈模量3個力學指標研究其力學性能。

2.1 無側(cè)限抗壓強度

混凝土抗壓強度采用尺寸為直徑150 mm，高150 mm的圓柱形試塊，澆筑完成24 h后拆除模板并置于室內(nèi)養(yǎng)護，室內(nèi)溫度20±5 ℃，相對濕度≥95%，養(yǎng)護齡期根據(jù)實驗需要決定，最長齡期為90 d，實驗中分別取7、28、90 d不同齡期試塊放于壓力機上進行抗壓實驗，相同條件下試塊分別取3塊，實驗結(jié)果取平均值，強度計算公式如式1所示，壓力機為如圖2所示的SYE-2000 型壓力機。

(1)

式中：fcu為抗壓強度，MPa；F為破壞荷載，N；A為受力面積,mm2。

圖2 試驗用壓力機 Figure 2 Test press

按照試驗標準和程序，得到了再生混凝土不同齡期的無側(cè)限抗壓強度，其結(jié)果如表8所示，根據(jù)表8繪制圖3。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，當膠凝材料摻量為4.5%時，混凝土7 d齡期下抗壓強度小于3 MPa，不符合規(guī)范要求，其余條件下再生混凝土抗壓強度均大于3 MPa。隨著混凝土齡期的增加，其抗壓強度也

表8 混凝土無側(cè)限抗壓強度Table8 Unconfinedcompressivestrengthofconcrete膠凝材料摻量/%養(yǎng)生齡期/d無側(cè)限抗壓強度/MPa72.64.5283.4904.173.15.0283.6904.373.55.5283.9904.673.86.0284.4905.174.26.5284.8905.574.77.0285.4906.2

圖3 再生混凝土抗壓強度Figure 3 Compressive strength of recycled concrete

隨之增加。膠凝材料的用量直接影響了混凝土的抗壓強度，從圖中可以看出任一齡期下的混凝土在膠凝材料摻量從4.5%增加到7%，抗壓強度均隨之增強。

2.2 劈裂強度

剛性路面的破壞取決于基層混凝土的極限彎拉強度，因此道路基層混凝土的抗拉強度直接影響了道路的使用年限[11]。劈裂強度是對混凝土抗拉強度的側(cè)面反映，由于混凝土的抗拉強度不容易測得，研究中往往測試其劈裂強度代替抗拉強度，混凝土劈裂強度測定采用尺寸為直徑150 mm，高150 mm的圓柱形試塊，澆筑完成24 h后拆除模板并置于室內(nèi)養(yǎng)護，室內(nèi)溫度20±5 ℃，相對濕度≥95%，養(yǎng)護齡期90 d。測得混凝土試塊劈裂強度如表9所示，根據(jù)表9繪制圖4。

表9 再生混凝土劈裂強度Table9 Splittingstrengthofrecycledconcrete膠凝材料摻量/%齡期/d劈裂強度/MPa4.5900.345.0900.405.5900.486.0900.576.5900.617.0900.67

圖4 混凝土劈裂強度Figure 4 Concrete splitting strength

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，當膠凝材料摻量為4.5%時混凝土的劈裂強度為0.34 MPa，不符合規(guī)范要求，其余試塊均符合規(guī)范要求。隨著膠凝材料摻量的增加，再生混凝土的劈裂強度也隨之增加。

2.3 無側(cè)限抗壓回彈模量

基層材料的回彈模量反映了基層在荷載作用下抵抗變形的能力，回彈模量越大，路基在承受相同豎向荷載時變形越小[12]。當基層回彈模量不符合規(guī)范要求時，需增加結(jié)構(gòu)層厚度以將彈性變形分散給更多的路基材料，當基層結(jié)構(gòu)層厚度過大時材料的彈性變形很小，不能充分發(fā)揮材料性能造成資源浪費，因此確定再生混凝土材料的抗壓回彈模量，制定合理的基層厚度是十分必要的。混凝土無側(cè)限抗壓回彈模量測定采用尺寸為直徑150 mm，高150 mm的圓柱形試塊，澆筑完成24 h后拆除模板并置于室內(nèi)養(yǎng)護，室內(nèi)溫度20±5 ℃，相對濕度≥95%，養(yǎng)護齡期90 d，試驗用萬能試驗機如圖5所示，根據(jù)試驗結(jié)果計算得到表10所示的不同膠凝材料摻量下再生混凝土無側(cè)限抗壓回彈模量。

根據(jù)表10繪制了如圖6所示的曲線圖。

圖5 萬能試驗機Figure 5 Universal testing machine

表10 再生混凝土回彈模量Table10 Modulusofresilienceofrecycledconcrete膠凝材料摻量/%齡期/d回彈模量/MPa4.59025515.09027615.59029946.09032176.59035887.0903923

圖6 混凝土無側(cè)限抗壓回彈模量Figure 6 Unconstrained compressive resilience modulus of concrete

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，膠凝材料不同摻量下再生混凝土的無側(cè)限抗壓回彈模量值均在2 500 MPa以上，均滿足規(guī)范要求，隨著膠凝材料摻量的增加，再生混凝土的無側(cè)限抗壓回彈模量增強，應對彈性變形的能力也隨之增強。

3 結(jié)論

地聚合物是利用礦物或工業(yè)廢渣提煉的一種聚合材料，地聚合物在堿性溶液催發(fā)下有良好的膠凝效果，是水泥的理想替代品。再生混凝土是將廢棄的混凝土材料破碎后通過篩分形成不同級配的集料重新澆筑的一種混凝土材料。用地聚合物代替水泥作為再生混凝土的膠凝材料是真正做到廢物重新利用，本文從再生混凝土的路用性能出發(fā)，以粉煤灰氫氧化鈉堿性溶液及水玻璃混合物作為膠凝材料，主要得出了以下結(jié)論：

a.通過對混凝土試塊進行無側(cè)限抗壓強度試驗，得到了不同膠凝材料摻量下的再生混凝土抗壓強度曲線，從曲線得出，隨著地聚合物膠凝材料摻量從4.5%增加到7%，混凝土的抗壓強度也隨之增長，當膠凝材料摻量為4.5%時，混凝土7 d齡期下抗壓強度小于3 MPa，不符合規(guī)范要求，其余摻量下任何齡期混凝土抗壓強度均滿足規(guī)范要求。

b.通過對混凝土試塊進行劈裂強度試驗，得出了不同膠凝材料摻量下的再生混凝土90 d齡期的劈裂強度曲線，從曲線中可以發(fā)現(xiàn)，當膠凝材料摻量為4.5%時混凝土的劈裂強度不符合規(guī)范要求，其余摻量下試塊劈裂強度均符合規(guī)范要求。

c.通過對混凝土試塊進行無側(cè)限抗壓回彈模量試驗，得出了不同膠凝材料摻量下的再生混凝土90 d齡期的無側(cè)限抗壓回彈模量曲線，從曲線中可以發(fā)現(xiàn)，當膠凝材料摻量從4.5%增加到7%，試塊無側(cè)限抗壓回彈模量均符合規(guī)范要求。