水泥穩(wěn)定類基層摻入再生粗骨料的強(qiáng)度試驗(yàn)研究

張立群 楊歡歡 熊 航 余澤韜 張學(xué)峰 林起飛 周 輝 任忠釗

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化速度加快，每年產(chǎn)生大量建筑垃圾.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2006年～2017年建筑垃圾年產(chǎn)量由4.7億噸增長至15.93億噸[1].截至2018年，中國城市固體生活垃圾量已達(dá)70億噸，可推算建筑垃圾總量為21億～28億噸[2].如果隨意堆放建筑垃圾，不僅占用土地資源還污染環(huán)境，還給人民生活帶來不便和隱患.為了解決建筑垃圾再利用問題，對建筑垃圾中的廢棄混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究.國外學(xué)者M(jìn)ohammed Nisreen[3]研究不同強(qiáng)度破碎下的再生骨料性能，在再生骨料取代率分別是50%和100%時(shí)，對再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、劈裂強(qiáng)度和斷裂模量等進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，高強(qiáng)度的再生骨料與天然集料性能相當(dāng).國內(nèi)學(xué)者張海偉[4]對不同再生骨料取代率(0%、40%、70%、100%)的半剛性基層的路用性能進(jìn)行研究，得出結(jié)論：當(dāng)再生骨料取代率和水泥摻量一定時(shí)，隨著齡期的增長，再生骨料水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)強(qiáng)度和抗壓彈性模量不斷增加.莫俊明[5]將廢舊混凝土利用形成再生骨料，以0%、20%、40%、60%、80%、100%的取代率替代天然集料，制備水泥穩(wěn)定再生碎石基層材料，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、劈裂強(qiáng)度、抗凍性能、疲勞性能試驗(yàn)，得出結(jié)論：隨著再生骨料摻量增加材料的力學(xué)性能下降，對疲勞壽命的影響尤為顯著，對劈裂強(qiáng)度的影響較小，綜合考慮摻量應(yīng)控制在40%以內(nèi).本文主要研究廢棄混凝土再生粗骨料替代部分天然集料，在不同取代率、不同水泥含量下，分析混合料的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的變化規(guī)律，為再生粗骨料在道路基層的應(yīng)用提供參考.

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥：河北張家口金隅水泥生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥.

(2)天然集料：粒徑為0～0.075 mm、0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、0.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm的碎石.

(3)再生骨料：粒徑為4.75-9.5 mm、9.5-13.2 mm、13.2-16 mm、16-19 mm的再生骨料.

(4)水：普通自來水.

1.2 材料配合比

表1 材料配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)集料級(jí)配采用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)中表4.5.4高速公路和一級(jí)公路C-B-2級(jí)配中值.

1.3 試驗(yàn)方法

試件制備參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E51-2009)》中T0843-2009無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法，采用靜力壓實(shí)法制備圓柱形.首先，按照高速公路和一級(jí)公路等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，壓實(shí)度為98%、保證率是95%(即=1.645)計(jì)算數(shù)據(jù)，稱量每個(gè)試件不同粒徑集料的質(zhì)量以及水、水泥質(zhì)量，集料加水悶料4h，悶料時(shí)少加入2.0%的水；然后，在悶好的料中加入剩余的水和水泥進(jìn)行拌和，分3次灌入模具中搗實(shí)，模具上下墊塊各外露2 cm；最后放到壓力機(jī)上，以1 mm/min的速率加載，直到墊塊全部壓入模具為止，并穩(wěn)壓2 min.放置6 h后脫模，裝入塑料袋封口放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù).

試件尺寸：直徑×高=φ100 mm×100 mm，每組制備9個(gè)試件，養(yǎng)護(hù)齡期7 d，最后一天浸水.

7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E51-2009)》中T0805-1994無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，以1mm/min的加載速率加載至試件破壞，記錄最大壓力P(KN).

圖1 壓力試驗(yàn)機(jī) 圖2 脫模器

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程 圖4 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

7d間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)：按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E51-2009)》中T0806-1994無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料間接抗拉強(qiáng)度(劈裂強(qiáng)度)試驗(yàn)方法，將試件放到全自動(dòng)劈裂試驗(yàn)儀上，進(jìn)行加載至試件破壞.

本試驗(yàn)所用設(shè)備采用WHY-2000型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)、LD178多功能電動(dòng)液壓脫模器、LD716全自動(dòng)劈裂試驗(yàn)儀.

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 抗壓強(qiáng)度分析

表2 7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

通過Origin軟件擬合抗壓強(qiáng)度代表值與水泥含量的關(guān)系，得到抗壓強(qiáng)度代表值等于5MPa的水泥含量.

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)論如下：

(1)同一取代率不同水泥含量時(shí)，隨著水泥含量增加，試件抗壓強(qiáng)度值越大；同一水泥含量不同取代率時(shí)，隨著取代率增大，試件抗壓強(qiáng)度值越小.

(2)A組試件水泥含量由3%增加到4%，試件抗壓強(qiáng)度增加39.6%，水泥含量再由4%增加到5%，試件抗壓強(qiáng)度增加25.7%；

B組試件水泥含量由3%增加到4%，試件抗壓強(qiáng)度增加38.5%，水泥含量再由4%增加到5%，試件抗壓強(qiáng)度增加37.5%；

C組試件水泥含量由3%增加到4%，試件抗壓強(qiáng)度增加40.0%，水泥含量再由4%增加到5%，試件抗壓強(qiáng)度增加22.0%；

D組試件水泥含量由3%增加到4%，試件抗壓強(qiáng)度增加15.0%，水泥含量再由4%增加到5%，試件抗壓強(qiáng)度增加43.5%.

(3)通過Origin軟件擬合7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值與水泥含量的關(guān)系，得到：A、B、C、D組抗壓強(qiáng)度代表值=5MPa時(shí)，水泥含量分別為3.3%、3.3%、3.6%、4.3%.本試驗(yàn)按照高速公路和一級(jí)公路重交通標(biāo)準(zhǔn)，其水泥穩(wěn)定材料基層的7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為4.0～6.0MPa，取中值5MPa，且強(qiáng)度代表值大于等于標(biāo)準(zhǔn)值，故四組取代率的抗壓強(qiáng)度代表值滿足5MPa的水泥含量應(yīng)最少為4.3%.

原因分析：水泥為膠結(jié)材料，質(zhì)量越多水化反應(yīng)越劇烈強(qiáng)度增長越多，強(qiáng)度越高；再生骨料表面被水泥包裹，對集料之間咬合力有不利影響，減弱混合料的強(qiáng)度，所以取代率增加強(qiáng)度降低.

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖6 3%水泥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖7 4%水泥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 5%水泥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5～圖7可知：應(yīng)力由0增加到峰值的應(yīng)變小于由應(yīng)力峰值降低至0.5MPa的應(yīng)變，上升段較急，下降段較緩；四組取代率的應(yīng)力應(yīng)變曲線中，取代率為0%的應(yīng)力峰值應(yīng)變均大于取代率為30%、60%、100%的應(yīng)力峰值應(yīng)變，說明再生骨料的加入使應(yīng)變變小，使混合料的韌性變差.

A組 B組

2.3 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)分析

本試驗(yàn)研究水泥含量為4.5%、5.0%，取代率為0%、30%、60%、100%，養(yǎng)護(hù)齡期7d，并擬合再生骨料與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系曲線.

試驗(yàn)結(jié)果如下：

表3 7d劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖9 再生骨料取代率與劈裂強(qiáng)度的擬合曲線

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)論如下：

(1)水泥含量一定，隨著取代率增加劈裂強(qiáng)度越來越??；5.0%水泥的劈裂強(qiáng)度高于4.5%水泥的劈裂強(qiáng)度；

(2)水泥含量4.5%，取代率從0%依次增加到30%、60%、100%，劈裂強(qiáng)度分別下降10.7%、8.0%、4.3%；水泥含量5.0%，取代率從0%依次增加到30%、60%、100%，劈裂強(qiáng)度分別下降10.2%、3.8%、3.9%；5.0%水泥的強(qiáng)度下降率低于4.5%水泥的下降率，水泥含量的增加使劈裂強(qiáng)度下降減少；

(3)水泥含量從4.5%增加到5.0%，A、B、C、D四組取代率的劈裂強(qiáng)度分別增加5.4%、6.0%、10.9%、11.4%，再生骨料含量越多強(qiáng)度增加越明顯.

3 結(jié) 論

(1)7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值達(dá)到5MPa時(shí)，A、B、C、D四組取代率的水泥含量分別至少為3.3%、3.3%、3.6%、4.3%.

(2)取代率一定，水泥含量越多抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度越大；水泥含量一定，取代率增加，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度越來越小.

(3)7d抗壓強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，應(yīng)力從零增加至峰值應(yīng)變變化量小于應(yīng)力峰值下降至0.5MPa的應(yīng)變變化量，上升段較陡，下降段較平緩.