建筑垃圾廢棄混凝土再生集料 應(yīng)用于路面基層材料的可行性分析

黃朝廣

摘 要：為適應(yīng)節(jié)能減排和海綿城市建設(shè)的多重需求，文章將探究建筑垃圾廢棄混凝土再生集料的組合設(shè)計方法、路用性能。通過試驗方法，以不同摻量的建筑廢棄混凝土再生集料進行透水混凝土的組合設(shè)計，成型試件放置規(guī)定齡期，測定排水、壓縮強度、抗沖刷等性能。結(jié)果表明，同等級配和實驗條件下，建筑垃圾廢棄混凝土再生集料較天然集料的路用性能更優(yōu)，隨著摻量增加，其排水性能增加，但7d無側(cè)限壓縮強度、抗沖刷等性能隨著再生集料摻量增加存在既定峰值，在40%摻量以下，各性能較優(yōu)，所以，合理控制摻量可提升再生集料的路用可行性。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾;再生集料;路用性能;摻量

中圖分類號：U414? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0115-05

Feasibility analysis of Recycled Aggregate of Construction Waste Concrete Applied to Pavement Base Material

Huang Chaoguang

（Hubei Industrial Polytechnic， Shiyan 442000， China）

Abstract：In order to meet the multiple needs of energy conservation and emission reduction and sponge city construction， this paper will explore the combination design method and road performance of recycled aggregate of construction waste concrete. Through the test method， the composite design of pervious concrete is carried out with recycled aggregate of building waste concrete with different content. The age of formed test piece is specified， and the properties of drainage， mechanics， shrinkage， anti scour， etc. are measured. The results show that under the same grade and experimental conditions， recycled aggregate of construction waste concrete has better road performance than natural aggregate. With the increase of the amount of recycled aggregate， its drainage performance increases， but with the increase of the amount of recycled aggregate， the 7d unconfined compressive strength， erosion resistance and other properties have a set peak value. Under 40% of the amount of recycled aggregate， the performance is better. Therefore， reasonable control of the content can improve the road use feasibility of recycled aggregates.

Key words：construction waste; recycled aggregate; road performance; dosage

0 引言

建筑垃圾廢棄混凝土是建筑拆遷、構(gòu)建、維修過程中產(chǎn)生的廢棄物，城市化建設(shè)加速、不可抗力摧毀、供需調(diào)配失當(dāng)下，使得建筑廢棄混凝土的總量日漸增多，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國每年建筑垃圾達6億t，其中60%以上的為混凝土，廢棄混凝土占據(jù)相當(dāng)大的比例。但是，以往粗放式的填埋或堆放處理方式，耗費人工、財力，占用土地資源、容易造成水土、空氣等污染，而且，大規(guī)模公路建設(shè)的高耗需求下，天然集料短期內(nèi)無法再生，資源短缺問題較為凸顯，此種形勢下，建筑廢棄混凝土的再生利用、資源化，成為破解這些問題的關(guān)鍵。

建筑廢棄混凝土通過裂解、破碎、篩分、清洗等處理工藝，可生成再生集料，部分或全部替代天然集料，用作路面基層材料，如此，不僅可以節(jié)約清運、填埋成本，而且，還能夠環(huán)節(jié)高耗、高污染問題，具有經(jīng)濟、環(huán)保、社會等多重效益。尤其節(jié)能減排+海綿城市的雙重目標(biāo)驅(qū)動下，再生集料的循環(huán)再利用成為必然，為此，本文著眼于建筑垃圾廢棄混凝土的路用方法及性能，針對海綿城市下高透水性，及中、輕公路中行車承重負荷下較優(yōu)壓縮強度的設(shè)計需求，圍繞再生集料的不同摻量，在不同級配、水泥砂漿用量下探究其在透水路面基層材料中應(yīng)用性能的演變規(guī)律，以便根據(jù)路用工況條件，靈活進行再生集料的組合設(shè)計，達到規(guī)范要求的路用性能。

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

試驗所用的再生集料是框架結(jié)構(gòu)的房屋、橋梁、水泥路面拆除過程中產(chǎn)生的廢棄混凝土，利用破碎、篩分、磁吸分類、風(fēng)選除雜等設(shè)備，通過人工分揀→破碎→風(fēng)、水、磁選→篩分→各檔再生集料等處理工藝，生成再生集料，采用31.5mm篩剔除超粒徑集料[1]。再生集料制備過程中，因反式破碎機可選控出料粒徑，減少出料的針片狀含量，使其形狀趨近規(guī)則圓形，故而，選用該設(shè)備進行破碎處理。同時，因海綿城市路面基層材料的透水性需求，將根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程JTEE42—2005》規(guī)定的試驗方法[2]，檢測再生集料的吸水性技術(shù)指標(biāo)均達到了規(guī)程要求，如表1所示。

由表1可知，與天然集料相比，建筑垃圾廢棄混凝土再生集料的密度偏小、吸水率、壓碎值偏高，該差異源于再生集料表層包裹了硬化的水泥砂漿和顯著的表觀開口孔隙，該特性對于透水混凝土路面基層材料的空隙率、滲透性具有重要影響。

1.2 基層材料組合設(shè)計

透水混凝土路面基層材料要求兼顧透水性、力學(xué)性能，而結(jié)合上述分析可知，再生集料的吸水率高、強度低，一定程度上影響了路面透水混凝土基層材料的強度和抗裂變性，為彌補該缺陷，本文參照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范 JTG D50—2006》（JTG D50 規(guī)范），選用骨架密實型結(jié)構(gòu)，以粗集料構(gòu)建彼此嵌擠的骨架，以細集料填充骨架孔隙，以此優(yōu)化壓縮強度、抗沖刷性[3]。同時，參照最大密度理論的Tabol公式，以粗集料摩阻力較大、細集料含量較少為原則，進行級配設(shè)計，最大密度曲線為n次冪的通式，也即[4]：

式中，D為最大粒徑，mm，P利用篩孔的集料百分數(shù)，%，d為篩孔孔徑，mm，n為試驗指數(shù)，此處n取值0.3～0.6，同時，結(jié)合美國AASHTO推薦的水泥穩(wěn)定碎石排水基層No.56、No.57級配，使用31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm分別篩選，分為8檔料、4級配備用，如表2所示。

在相同級配下，采用體積法進行配合比設(shè)計，以0%、25%、50%、75%、100%等不同摻量的再生集料，規(guī)范推薦的天然集料水灰比應(yīng)在0.25～0.35之間，過稠無法充分包裹集料，過稀則會出現(xiàn)漏漿問題，故而，選定在0.3～0.80范圍內(nèi)，并通過試拌試驗得出水灰比及水泥用量經(jīng)歷“水灰比偏小，水泥用量偏大→水灰比最佳，兩者俱佳→水灰比偏大，水泥用量偏小”3個階段，第2階段下路面基層材料的強度最優(yōu)，基于路用成本、施工和易性的考量，最終選用水灰比 0.55、水泥用量 214.0kg/m3作為最佳配合比成型試件，進行路用性能測試。

1.3 性能測試

透水混凝土路面基層材料對于排水性和力學(xué)強度均有要求，結(jié)合實踐，排水性由空隙率、滲透系數(shù)決定，力學(xué)強度則是7d浸水無側(cè)限壓縮強度，可以此作為再生集料路用可行性的評價指標(biāo)?？障堵手笜?biāo)，目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一定論，依工程實踐，水泥穩(wěn)定碎石排水基層的最小孔隙率為15%～25%，而RG理論指出級配混合料臨界孔隙率為17.33%，小于該值，則透水率顯著降低，且《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T135-2009）規(guī)定面層透水混凝土的有效孔隙率應(yīng)在10%以上[5]，路面基層更應(yīng)大于該指標(biāo)，試驗將有效孔隙率設(shè)定在15%～30%?！豆放潘O(shè)計規(guī)范》（JTG/T）、《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中（CJJ/T135-2009）中分別規(guī)定基層滲透系數(shù)應(yīng)大于0.35cm/s、0.05cm/s[6]，試驗滲水系數(shù)設(shè)定在0.35cm/s以上。同時，依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/TF20-2015）規(guī)定，以7d齡期無側(cè)限壓縮強度作為力學(xué)測定指標(biāo)，且因透水混凝土多用于中、輕交通，指標(biāo)值應(yīng)在3MPa以上。性能測試指標(biāo)如表3所示。

全孔隙率是混合料總體積中全部孔隙率占比，而有效孔隙率是混合料總體重有效孔隙率的占比，為此，本文以此計算再生集料路用材料的空隙率，并根據(jù)《土木工程師用水泥化學(xué)與物理性質(zhì)》水泥可與占其質(zhì)量1/4的水成為化學(xué)上持久的結(jié)合狀態(tài)，而除去該部分化學(xué)結(jié)合水外，其他自由水僅將在水泥完全水化過程中收縮、消散。全孔隙率的計算公式為[7]：

式中，no為試件的全孔隙率，%，ρs、ρt分別為試件的毛體積密度、理論密度，g/m3。其中，ρt計算公式為：

式中，ρc為水泥與集料質(zhì)量比值，ρc、ρw分別為水泥密度、水密度，試驗各取值3.1g/m3、1.0g/m3。

試驗中，采用重量法測定再生集料路面基層材料的有效空隙率，將試件放入烤箱在60℃溫度下烘干24h后稱重，而后分3層浸水稱，待完全浸泡后稱重，以兩個重量之差，依照下式計算有效空隙率[8]：

式中，m1、m2分別為試件浸水、烘干后的質(zhì)量，g;V為量體積法測得的試件體積，cm3。

滲水系數(shù)試驗中，為確保再生集料路面基層材料處于穩(wěn)定的透水狀態(tài)，選用的是常水頭法，在實驗前將試件浸水24h，使其處于保水狀態(tài)，而后進行試驗，根據(jù)下式計算試驗水溫T下的滲水系數(shù)[9]：

式中，Q為單位時間內(nèi)水流體的體積，A為恒定的橫截面積，h1～h2為水頭差，L為試件長度，t為滲流時間。

抗沖刷試驗中，行車荷載作用下，路面沖刷基層的細漿在水壓力下容易引致唧泥、網(wǎng)裂、板底脫空、斷裂等問題，將參照JTGE51規(guī)程中T 0860—2009 方法進行抗沖刷試驗，采用不同摻量的再生集料制備透水混凝土后，養(yǎng)至齡期28h后，采用廣西大學(xué)建材試驗室的NYL-60型壓力測試儀進行試驗。試件沖刷質(zhì)量損失根據(jù)下式計算[10]：

式中，mf、m0分別為沖刷物質(zhì)量、試件質(zhì)量，單位均為g。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生集料路用排水性能分析

根據(jù)上述測試方法，可得透水路用基層材料的空隙率與再生集料摻量關(guān)系如圖1所示。相同級配條件下，隨著再生集料摻量的增加，不同透水路面基層材料的空隙率、滲水系數(shù)均在增加，這是因為再生集料表面附帶水泥沙，在破碎過程中，沖擊作用使其表層產(chǎn)生裂縫，且與天然集料相比，其密度更低、吸水率較大。在水泥漿用量不變的條件下，試件的理論密度與毛體積密度均為確定值，全孔隙率亦可確定，有限水泥漿用量下，其包裹、填充集料間的空隙既定，隨著再生集料摻量的增加，即便水灰比增大，再生集料路面基層材料和易性再好，水泥漿體“漏漿”堵塞的試件空隙也有限，開放空隙隨之增加，其連通的有效空隙率比值也將增大，繼而讓滲透系數(shù)也得以顯著增長。而為探究空隙率對滲水系數(shù)的影響性，取設(shè)計空隙率為15%、20%、25%、30%，水灰比為0.55，分別成型再生集料路面基層材料試件，進行試驗，結(jié)果如圖2所示，隨著設(shè)計空隙率的增加，其連通的有效空隙比值增大，使得材料的滲水系數(shù)呈明顯遞增趨勢。

2.2 再生集料路用壓縮強度分析

為探究再生集料不同摻量下路面基層材料的壓縮強度，在3%、4%、5%、6%水泥摻量下，進行混合料的組合設(shè)計，而后，將試件置于標(biāo)準養(yǎng)護箱養(yǎng)護7d后測定其壓縮強度，所得結(jié)果如圖3所示。

結(jié)合圖3可知，不同摻量再生集料的路面基層材料7d無側(cè)限壓縮強度，基本均能夠達到3MPa的下限要求，水泥用量3%、4%、5%、6%時再生集料的7d無側(cè)限壓縮強度范圍分別為2.9～4.3.0MPa、3.1～5.0MPa、4.2～4.5.8MPa、2.9～4.3.0MPa、5.2～6.5MPa，顯然，3%、4%低水泥用量、5%、6%高水泥用料下，試件的壓縮強度變化規(guī)律存在一定差異。低水泥用量下，水泥砂漿強度和粘結(jié)力較強，此時，再生集料摻量增加時，因其密度低，集料自身的整體強度將降低，但再生集料表面粗糙，在水泥砂漿包裹下容易形成更強的粘結(jié)力，進而提升試件的壓縮強度;隨著再生集料摻量的增加，雖然其與水泥砂漿的粘結(jié)力增強，但集料自身強度的大幅下降，也會降低試件的壓縮強度。在高水泥用量下，水泥砂漿自身的強度和粘結(jié)力已經(jīng)足夠強，再生集料的摻量增加雖可提升其與水泥砂漿的粘結(jié)力，但效果并不顯著，相反對集料強度下將的影響更為凸顯，從整體上拉低試件的壓縮強度。而從圖3可知，無論水泥砂漿用量高低，再生集料摻量在50%以內(nèi)時，試件的壓縮強度基本均處于上升趨勢，超出50%以后則呈下降趨勢，為此，為確保再生集料透水混凝土路面基層材料的可用性，需合理把控再生集料的摻量。

2.3 再生集料路用抗沖刷性分析

以沖刷質(zhì)量損失為測評指標(biāo)，通過試驗測得，再生集料透水路面基層材料的抗沖刷性如圖4所示，可見，隨著再生集料摻量的增加，試件的沖刷質(zhì)量損失呈逐漸遞增趨勢，也即抗沖刷性能有下降趨勢。這是因為建筑垃圾廢棄混凝土再生集料以粗集料為主，其表層大而多的空隙可有效吸附一些細集料，由此，隨著再生集料摻量的增加，路面基層材料的空隙率不斷增大，而較大的孔隙率會吸收過多水分，造成沖刷過程中基層材料含水量的大幅增加，進而讓細集料遭受更大的沖刷作用，使得基層材料的抗沖刷性顯著下降。而且，再生集料不同摻量下，與0%對比，25%、50%、75%、100%時，沖刷質(zhì)量損失增加了26.67%、203.33%、450%、793.33%，可見，隨著再生集料摻量的增加，路面基層材料的抗沖刷性能下降趨勢明顯，為優(yōu)化該性能，再生集料路用設(shè)計時應(yīng)合理控制摻量比。

3 結(jié)語

（1）在水泥用量既定的情況下，隨著建筑垃圾廢棄混凝土再生集料摻量的增加，路面基層材料的全空隙率和有效空隙率均呈現(xiàn)逐漸遞增趨勢，且空隙率的增加對于滲水系數(shù)的增加具有正向影響性，實際路面工程建設(shè)中，若僅考量透水性，則再生集料摻量在100%、75%左右，此時，可最大限度發(fā)揮再生集料的路用排水性優(yōu)勢，節(jié)省天然集料的耗費，并降低建筑垃圾廢棄混凝土的排放，以此實現(xiàn)節(jié)能減排的效應(yīng)。

（2）不同水泥用量工況下，隨著再生集料摻量的增加，路面基層材料的壓縮強度因水泥用量而呈現(xiàn)差異化特質(zhì)，總體來講，并非摻量越多越好，在50%左右試件的壓縮強度達到限值，在該值以內(nèi)，再生集料與水泥砂漿的粘合力和強度，尚能夠彌補再生集料摻量增加下自身強度下降的不足，但是超過50%以后，因再生集料摻量過多，自身強度下降明顯，其與水泥砂漿的粘合力和強度無法予以補足，故而，試件的壓縮強度將顯著下降。所以，行車動態(tài)承重負荷下，為達到壓縮強度要求，應(yīng)合理調(diào)控再生集料的摻量，以確保路面基層材料的實用性。

（3）同等級配、相同水泥用量下，隨著再生集料摻量增加，路面基層材料的抗沖刷性能有遞減趨勢，這是因為與天然集料相比，再生集料的密度低、吸水率高，在摻量不斷增加的情況下，其空隙率及空隙的吸水含量不斷增加，在沖刷過程中因行車載荷，基層材料會產(chǎn)生動水壓力沖刷再生集料表層的細集料，由此造成唧泥，使得基層與面層脫離，破壞路面承壓結(jié)構(gòu)，進而引致開裂或沉陷，讓基層材料的抗沖刷新顯著下降?？梢?，因路面基層材料的應(yīng)用工況條件不同，其所受沖刷作用各異，需針對具體情況，選用適宜摻量的再生集料，以達到物盡其效的目的。

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