水泥穩(wěn)定再生粗集料級(jí)配設(shè)計(jì)方法研究

楊寶帥，關(guān)博文，孫增智，薛 程，鄧陳記，陳玉宏

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710064；2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，合肥 230009)

1 研究背景

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)與舊城改造更新的加快，大量建筑物和混凝土路面被拆除重建，產(chǎn)生的混凝土建筑垃圾數(shù)量巨大[1-2]，由此引起的土地占用、環(huán)境污染問(wèn)題已成為城市發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)[3-6]?；炷两ㄖ厥绽玫姆绞街皇菍⑵浼庸こ稍偕旨嫌糜谒喾€(wěn)定碎石基層[7-9]。

級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定再生粗集料的性能有非常重要的影響，不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定再生粗集料力學(xué)性能差異較大[10-12]。目前，我國(guó)對(duì)于水泥穩(wěn)定再生粗集料的級(jí)配范圍尚未形成統(tǒng)一要求，只有工業(yè)和信息化部、陜西省、吉林省和北京市對(duì)水泥穩(wěn)定再生粗集料的級(jí)配范圍有規(guī)定，其中僅北京地方規(guī)范水泥穩(wěn)定再生粗集料級(jí)配范圍與工業(yè)和信息化部一致[13-16]，各地規(guī)范尚未形成統(tǒng)一的級(jí)配要求，其水泥穩(wěn)定再生粗集料級(jí)配范圍較大，合成級(jí)配的選擇隨意性大，對(duì)施工質(zhì)量的控制作用較小。

Larrard等[17]分析最大密度曲線理論，認(rèn)為當(dāng)集料級(jí)配曲線為拋物線時(shí)，集料密實(shí)程度最大。馬骉等[18]研究粒子干涉理論，通過(guò)振動(dòng)填充試驗(yàn)確定嵌鎖密實(shí)結(jié)構(gòu)的粗集料比例。彭波等[19]采用逐級(jí)填充發(fā)和n法(指數(shù)法)確定級(jí)配，提高了基層的力學(xué)性能。何建元等[20]研究發(fā)現(xiàn)最大密度曲線理論和粒子干涉理論可以較好地評(píng)價(jià)集料級(jí)配。因此，借鑒以上研究成果，本文運(yùn)用連續(xù)級(jí)配理論對(duì)水泥穩(wěn)定再生粗集料的級(jí)配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。

2 連續(xù)級(jí)配理論

2.1 最大密度曲線理論

最大密度曲線理論是20世紀(jì)初由Fuller和Thompson[21]根據(jù)試驗(yàn)提出的，該理論在文獻(xiàn)[22]—文獻(xiàn)[25]也得到應(yīng)用。Fuller認(rèn)為顆粒級(jí)配曲線越接近拋物線，則密度愈大，目前存在如下3種級(jí)配計(jì)算方法。

(1)n法。泰波(Talbol)在Fuller級(jí)配理論的基礎(chǔ)上提出的級(jí)配計(jì)算公式[26-27]為

Px=100(d/D)n。

(1)

式中：Px為期望計(jì)算的某級(jí)集料的通過(guò)百分率(%)；D為集料的最大粒徑(mm)；d為期望計(jì)算的某級(jí)集料粒徑(mm)。

當(dāng)n=0.5時(shí),用式(1)計(jì)算所得曲線即為Fuller曲線(最大密度曲線理論)。

(2)k法。前蘇聯(lián)的伊萬(wàn)諾夫和奧浩欽等提出用顆粒分級(jí)質(zhì)量遞減系數(shù)k為參數(shù)的礦料級(jí)配曲線[28]，公式為：

(2)

(3)

x=3.32lg(D/d) 。

(4)

式中：ψa為次粒級(jí)的實(shí)用實(shí)積率；ψ0為次粒級(jí)的理論實(shí)積率；k為顆粒分級(jí)質(zhì)量遞減系數(shù)；x為粒料分檔所在級(jí)數(shù)；y為總級(jí)數(shù)。

(3)i法。同濟(jì)大學(xué)林繡賢教授[29]對(duì)i法和k法進(jìn)行研究，提出了直接以通過(guò)百分率的遞減率i為參數(shù)的礦料級(jí)配理論，公式為

Px=100ix。

(5)

式中：i為通過(guò)百分率的遞減率。

相關(guān)研究表明i為0.65時(shí)，細(xì)集料級(jí)配較好，混合料性能良好[30-31]。

2.2 粒子干涉理論

粒子干涉理論[32-33]表明：當(dāng)次粒級(jí)粒徑的顆粒填充前粒級(jí)粒徑的顆粒間空隙時(shí)，集料可以填充密實(shí)。如果次粒級(jí)粒徑大于空隙，粒子間會(huì)發(fā)生干涉，集料整體不密實(shí)。為使集料達(dá)到最大密實(shí)狀態(tài)，前粒級(jí)粒徑的顆粒應(yīng)滿足式(6)，即

(6)

式中：t為次粒級(jí)顆粒粒徑；D′為前粒級(jí)顆粒粒徑。

當(dāng)處于臨界干涉狀態(tài)時(shí)，t=d，則式(6)可寫為

(7)

3 原材料

原材料主要有水泥、集料和水。水泥選用肥西南方水泥有限公司P.C 32.5R水泥，相關(guān)性能指標(biāo)按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)[34]進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。集料性能指標(biāo)按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)[35]進(jìn)行測(cè)試，再生粗集料性能指標(biāo)見(jiàn)表2，天然細(xì)集料性能指標(biāo)見(jiàn)表3。水采用一般生活用水。

表1 水泥性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of cement

表2 再生粗集料性能指標(biāo)Table 2 Performance indicators of recycled coarse aggregates

表3 天然細(xì)集料性能指標(biāo)Table 3 Performance indicators of natural fine aggregates

4 級(jí)配設(shè)計(jì)方法

4.1 再生粗集料級(jí)配的確定

集料間相互嵌擠會(huì)引起自鎖現(xiàn)象，增加混合料料的強(qiáng)度[36]。級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定再生粗集料的抗壓性能具有重要影響，級(jí)配越好，水泥穩(wěn)定再生粗集料結(jié)構(gòu)越密實(shí)，水泥穩(wěn)定再生粗集料的抗壓強(qiáng)度越高。根據(jù)粒子干涉理論，對(duì)不同檔粒徑再生粗集料進(jìn)行不同比例的填充，并計(jì)算振實(shí)密度。由于19,9.5,4.75 mm的篩孔是關(guān)鍵篩孔，選取D0([19,31.5) mm)，D1([9.5,19) mm)，D2([4.75,9.5) mm)3個(gè)檔位的再生粗集料進(jìn)行逐級(jí)填充試驗(yàn)。

在Ⅰ級(jí)填充試驗(yàn)中，將D1檔位的再生粗集料填充到D0檔，建立D0檔與D1檔的填充比例與振實(shí)密度的關(guān)系曲線，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1(a)。在Ⅱ級(jí)填充試驗(yàn)中，將D2檔填充到已經(jīng)達(dá)到最大密實(shí)狀態(tài)的D0+D1混合檔，建立D2檔與D0+D1混合檔的填充比例與振實(shí)密度的關(guān)系曲線，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1(b)。

圖1 填充試驗(yàn)成果Fig.1 Result of filling test

由圖1(a)可知，隨著D1檔含量的增加，D0檔與D1檔混合集料的振實(shí)密度呈先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)D1檔與D0檔質(zhì)量比r1-0為62%時(shí)，D0+D1混合檔集料的振實(shí)密度最大，兩檔再生粗集料可以達(dá)到最大密實(shí)狀態(tài)。

由圖1(b)可知，隨著D2檔含量的增加，三檔混合集料的振實(shí)密度呈先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)D1檔與D0檔質(zhì)量比r1-0為62%時(shí)，D2檔與D0+D1混合檔質(zhì)量比r2-01為67%時(shí)，三檔再生粗集料的振實(shí)密度最大，達(dá)到最大程度緊密填充。

根據(jù)兩級(jí)振實(shí)試驗(yàn)結(jié)果確定，當(dāng)D0、D1、D2三檔粗集料摻入比例為37∶23∶40時(shí)，集料間相互嵌擠作用最大，混合集料的振實(shí)密度最大。結(jié)合三檔再生粗集料級(jí)配組成，計(jì)算確定骨架密實(shí)型再生粗集料級(jí)配，見(jiàn)表4。

表4 骨架密實(shí)型再生粗集料級(jí)配Table 4 Gradation of skeleton-dense recycled coarse aggregate

4.2 天然細(xì)集料級(jí)配的確定

最大密度曲線理論可以確定級(jí)配中各粒徑的分布，使集料達(dá)到最大密實(shí)度[22]。天然細(xì)集料的級(jí)配越好，其密度越大，能更好地填充再生粗集料間的空隙，使水泥穩(wěn)定再生粗集料更加密實(shí)。根據(jù)最大密度曲線理論，采用i法，i取0.65，按式(5)和式(6)計(jì)算確定天然細(xì)集料的級(jí)配，最終提出骨架密實(shí)型天然細(xì)集料級(jí)配見(jiàn)表5。

表5 骨架密實(shí)型天然細(xì)集料級(jí)配Table 5 Gradation of skeleton dense natural fine aggregate

4.3 再生粗集料和天然細(xì)集料比例的確定

為使水泥穩(wěn)定再生粗集料達(dá)到骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，再生粗集料和天然細(xì)集料比例的確定至關(guān)重要[37]。根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)[38]對(duì)高速公路和一級(jí)公路基層的7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的規(guī)定，采用7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為確定粗、細(xì)集料比例的指標(biāo)。水泥劑量為5%，將再生粗集料和天然細(xì)集料按照不同比例成型試件，并進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同集料比例的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.2 Unconfined compressive strength (7-d age) at different aggregate ratios

由圖2可知，隨著天然細(xì)集料與再生粗集料含量之比rs-b的增加，水泥穩(wěn)定再生粗集料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，在rs-b為45%時(shí)，水泥穩(wěn)定再生粗集料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值3.9 MPa，然后逐漸減小。原因是當(dāng)rs-b<30%時(shí)，再生粗集料較多，形成的空隙較多，天然細(xì)集料較少，細(xì)集料與水泥水化產(chǎn)物不能充分填充再生粗集料間的空隙，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定再生粗集料沒(méi)有形成骨架結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度較低。當(dāng)rs-b>60%時(shí)，再生粗集料較少，粗集料間沒(méi)有形成緊密嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)，天然細(xì)集料較多，導(dǎo)致再生粗集料懸浮在細(xì)集料與水泥水化產(chǎn)物之間，水泥穩(wěn)定再生粗集料的抗壓強(qiáng)度較低。當(dāng)rs-b為30%～60%時(shí)，水泥穩(wěn)定再生粗集料形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度較高，水泥穩(wěn)定再生粗集料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度符合我國(guó)高速公路和一級(jí)公路基層強(qiáng)度3.0～5.0 MPa的要求。

因此，根據(jù)連續(xù)級(jí)配理論和我國(guó)對(duì)高速公路和一級(jí)公路基層的具體要求，確定了骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定再生粗集料推薦級(jí)配范圍，如表6所示。

表6 骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定再生粗集料推薦級(jí)配范圍Table 6 Recommended grading range of skeleton-dense cement-stabilized coarse aggregate

5 水泥穩(wěn)定再生粗集料級(jí)配對(duì)比分析

5.1 級(jí)配曲線

將文中設(shè)計(jì)的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定再生粗集料級(jí)配上限(A)、級(jí)配下限(B)分別與工業(yè)和信息化部發(fā)布《道路用建筑垃圾再生骨料無(wú)機(jī)混合料》(JC/T 2281—2014)[13]級(jí)配上限(C)、級(jí)配下限(D)、陜西省發(fā)布的《水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生集料基層施工技術(shù)規(guī)范》(DB 61/T 1150—2018)[14]級(jí)配上限(E)、級(jí)配下限(F)、吉林省發(fā)布的《再生骨料道路基層工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 22/T 5015—2019)[15]級(jí)配上限(G)、級(jí)配下限(H)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，水泥用量為5%，4種骨架密實(shí)型級(jí)配上限曲線和下限曲線見(jiàn)圖3。根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[39]測(cè)試不同級(jí)配水泥穩(wěn)定再生粗集料的最佳含水量、最大干密度和7 d抗壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)級(jí)配的范圍小于地方規(guī)范級(jí)配的范圍。

圖3 4種骨架密實(shí)型級(jí)配曲線Fig.3 Upper and lower limit curves of gradation of skeleton-dense cement-stabilized coarse aggregates

由圖3(a)可知，在4種骨架密實(shí)型級(jí)配上限中，篩孔通過(guò)率大小排序?yàn)椋杭?jí)配C>級(jí)配G>級(jí)配A>級(jí)配E。在[2.36，31.5)mm粒徑范圍內(nèi)，級(jí)配C和級(jí)配G篩孔通過(guò)率遠(yuǎn)高于級(jí)配A和級(jí)配E。級(jí)配C各檔篩孔通過(guò)率均高于級(jí)配G，級(jí)配曲線變化趨勢(shì)一致。在[0.075,2.36)mm粒徑范圍內(nèi)，級(jí)配E通過(guò)率高于級(jí)配A。[2.36，9.5)mm粒徑范圍內(nèi)，級(jí)配A通過(guò)率高于級(jí)配E。[9.5,31.5)mm粒徑范圍內(nèi)，級(jí)配A通過(guò)率與級(jí)配E基本一致。

由圖3(b)可知，在4種骨架密實(shí)型級(jí)配下限中，篩孔通過(guò)率大小排序?yàn)椋杭?jí)配H>級(jí)配D>級(jí)配B>級(jí)配F。[2.36,26.5)mm粒徑范圍內(nèi)，級(jí)配H篩孔通過(guò)率高于其他3種級(jí)配。級(jí)配B與級(jí)配F的區(qū)別主要是[26.5,31.5)mm級(jí)配B篩孔通過(guò)率較高。

5.2 擊實(shí)特性

通過(guò)對(duì)8種不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定再生粗集料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，分別得到4種骨架密實(shí)型級(jí)配上限、下限的最佳含水量和最大干密度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 4種骨架密實(shí)型級(jí)配擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Compaction test results of skeleton-dense cement-stabilized coarse aggregates

由圖4(a)和圖4(b)可知，級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定再生粗集料的擊實(shí)特性影響明顯。在4種骨架密實(shí)型級(jí)配上限中，擊實(shí)試驗(yàn)最佳含水量大小排序?yàn)椋杭?jí)配C>級(jí)配G>級(jí)配E>級(jí)配A，擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度大小排序?yàn)椋杭?jí)配C<級(jí)配G<級(jí)配E<級(jí)配A。原因是級(jí)配C和級(jí)配G在[0,4.75)mm粒徑范圍通過(guò)率較高，細(xì)集料含量高，比表面積大，集料整體吸水能力強(qiáng)，導(dǎo)致以級(jí)配C和級(jí)配G為合成級(jí)配的水泥穩(wěn)定再生粗集料所需水量更大。級(jí)配C和級(jí)配G最佳含水量均>7.5%，不利于水泥穩(wěn)定再生粗集料基層的施工。而級(jí)配A最佳含水量小，最大干密度高于其他級(jí)配上限，是良好的水泥穩(wěn)定再生粗集料合成級(jí)配。

由圖4(c)和圖4(d)可知，在4種骨架密實(shí)型級(jí)配下限中，擊實(shí)試驗(yàn)最佳含水量大小排序?yàn)椋杭?jí)配H>級(jí)配D>級(jí)配B>級(jí)配F，擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度大小排序?yàn)椋杭?jí)配H<級(jí)配D<級(jí)配B<級(jí)配F。在[4.75,26.5)mm粒徑范圍內(nèi)，級(jí)配B篩孔通過(guò)率小于級(jí)配H和級(jí)配D(圖3(b))，再生粗集料形成緊密嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)，有較大的內(nèi)摩阻角，天然細(xì)集料和水泥水化產(chǎn)物充分填充骨架間空隙，有較大的黏聚力。以級(jí)配B為合成級(jí)配的水泥穩(wěn)定再生粗集料最佳含水量<7%，密實(shí)程度較好。

5.3 抗壓性能

通過(guò)對(duì)8種不同級(jí)配的水泥穩(wěn)定再生粗集料進(jìn)行抗壓性能試驗(yàn)，分別得到4種骨架密實(shí)型級(jí)配上限、下限的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 4種骨架密實(shí)型級(jí)配抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Compressive performances of skeleton-dense cement-stabilized coarse aggregates

由圖5(a)可知，級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定再生粗集料的抗壓性能影響明顯。在4種骨架密實(shí)型級(jí)配上限中，抗壓強(qiáng)度排序?yàn)椋杭?jí)配C<級(jí)配G<級(jí)配E<級(jí)配A。在填充密實(shí)的狀態(tài)下，粗集料含量的增加會(huì)增強(qiáng)骨架的嵌擠作用[12]。在骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定再生粗集料中，級(jí)配A再生粗集料含量高于級(jí)配(C)和級(jí)配(G)，再生粗集料緊密嵌擠并形成骨架結(jié)構(gòu)，級(jí)配A再生粗集料內(nèi)摩阻角高于級(jí)配(C)和級(jí)配(G)，并且天然細(xì)集料和水泥水化產(chǎn)物以充分密實(shí)狀態(tài)填充再生粗集料中空隙，形成力學(xué)性能較好的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。因此，級(jí)配A的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定再生粗集料力學(xué)性能較好。

由圖5(b)可知，在4種骨架密實(shí)型級(jí)配下限中，抗壓性能排序?yàn)椋杭?jí)配H<級(jí)配D<級(jí)配F<級(jí)配B。原因是級(jí)配H和就級(jí)配D各檔粒徑通過(guò)率明顯高于級(jí)配B，再生粗集料沒(méi)有形成緊密骨架，細(xì)集料較多，導(dǎo)致級(jí)配H和級(jí)配D中的再生粗集料懸浮于細(xì)集料之間，水泥穩(wěn)定再生粗集料沒(méi)有形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度主要來(lái)源于黏聚力，受力易被破壞，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度低于級(jí)配B。

6 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)連續(xù)級(jí)配理論的研究，采用粒子干涉理論與最大密度曲線理論確定了再生粗集料級(jí)配和天然細(xì)集料級(jí)配。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)D0、D1、D2三檔粗集料摻入比例為37∶23∶40時(shí)，再生粗集料間相互嵌擠作用最大，振實(shí)密度最大；i取0.65時(shí)，天然細(xì)集料密實(shí)程度較大。

(2)通過(guò)對(duì)不同粗、細(xì)集料比例的水泥穩(wěn)定再生粗集料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)天然細(xì)集料與再生粗集料含量之比為30%～60%時(shí)，水泥穩(wěn)定再生粗集料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高，符合我國(guó)高速公路和一級(jí)公路基層強(qiáng)度要求，計(jì)算得到骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定再生粗集料推薦級(jí)配范圍。

(3)對(duì)比分析了地方規(guī)范級(jí)配與設(shè)計(jì)級(jí)配，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)級(jí)配的范圍小于地方規(guī)范級(jí)配的范圍，對(duì)施工控制作用明顯，可以減少由于級(jí)配范圍過(guò)大引起的抗壓強(qiáng)度低的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)，設(shè)計(jì)級(jí)配的水泥穩(wěn)定再生粗集料的最佳含水量較小，最大干密度較大，抗壓強(qiáng)度高于其他3種規(guī)范級(jí)配。