建筑廢棄混凝土再生骨料在道路路基中的應(yīng)用

張靈通,張 棟,李寶元,安美辰,吳智強(qiáng),高俊濤

(新疆理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,新疆 阿克蘇 843000)

0 引言

以阿克蘇地區(qū)某縣2022年道路維修改造項(xiàng)目施工為例,路線(xiàn)長(zhǎng)度5314 m,原有路面為混凝土路面,經(jīng)多年運(yùn)行后路面的混凝土面層板出現(xiàn)沉陷或隆起、面層開(kāi)裂破碎、接縫剝落等病害,已影響到路面車(chē)輛的行駛舒適性及交通安全。為了消除病害隱患,對(duì)原水泥混凝土路面銑刨,把原混凝土廢棄物作為路基層上面重新鋪設(shè)瀝青,經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行,路面沒(méi)有出現(xiàn)裂縫、錯(cuò)臺(tái)、隆起等病害,運(yùn)行良好。由此可見(jiàn),把固廢混凝土作為路面基層具有可實(shí)現(xiàn)性、操作性,減小了直接清除原路面混凝土帶來(lái)的材料浪費(fèi)。隨著我國(guó)新型城鎮(zhèn)及新型工業(yè)的快速發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)全面推進(jìn),建筑固廢的科學(xué)處理及資源化利用已成要迫切需要解決的問(wèn)題。

選取阿克蘇市郊區(qū)的建筑廢棄混凝土及磚塊,在結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大塊分解,剝離出混凝土塊,用錘式破碎機(jī)進(jìn)行破碎分解,對(duì)破碎后的混凝土塊進(jìn)行自動(dòng)篩分、人工清洗,獲得不同粒徑區(qū)間的建筑固廢骨料。針對(duì)道路各層特性,提出在路基中高摻量50%、60%、70%再生混凝土骨料,開(kāi)展不同摻量的建筑固廢混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性等路用性能[1-4]試驗(yàn)。

1 原材料特性

1.1 抗硫酸鹽水泥

阿克蘇地區(qū)分布著大量鹽漬土,為了能夠在硫酸鹽鹽漬土中推廣該項(xiàng)技術(shù),試驗(yàn)采用P.HSR 42.5抗硫酸鹽水泥,技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 粗骨料

采用阿克蘇地區(qū)筑路材料豐富的天然礫石。

1.3 建筑固廢

采用的建筑固廢為拆除、破碎、篩分過(guò)的混凝土樓板及框架柱,其壓碎值、表觀(guān)密度及吸水率見(jiàn)表2。

表2 建筑固廢物理性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of physical performance test of building solid waste

從表2數(shù)據(jù)分析可知,建筑固廢細(xì)骨料的吸水率比中粗骨料高,根據(jù)骨料粒徑較小、吸水率增高的現(xiàn)象,壓碎值滿(mǎn)足規(guī)范中不大于30%的規(guī)定,可作為公路路基粗骨料使用。

2 高摻量再生混凝土骨料配合料

將天然礫石與建筑固廢人工篩分,將破碎后的混凝土以質(zhì)量比50%、60%、70%摻入混合料中,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)整混合料顆粒級(jí)配,令其滿(mǎn)足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)用于高速公路與一級(jí)公路底基層、二級(jí)及其以下等級(jí)公路基層的級(jí)配規(guī)范要求,級(jí)配見(jiàn)表3。

表3 建筑固廢高摻量混合料級(jí)配Tab.3 Grading of high content mixture of construction solid waste

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 最佳含水率與最大干密度

依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430-2020)的擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)測(cè)試不同水泥劑量(3%、4%、5%、 6%),確定高摻量50%、60%、70%再生混凝土骨料的最大干密度ρ(g/cm3)與最佳含水量(%),見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 不同水泥劑量高參量最大干密度變化Fig.1 Variation of maximum dry density at different cement dosages

圖2 不同水泥劑量高參量最大含水率變化Fig.2 Changes in maximum moisture content at different cement dosages

從圖1、圖2試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,在水泥劑量試驗(yàn)范圍內(nèi),高摻量建筑固廢水穩(wěn)層的最大干密度隨著摻量的增加呈下降的變化規(guī)律,最佳含水率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。這是因?yàn)槠扑楹蟮脑偕炷凉橇峡紫堵逝c裂縫高于天然礫石,隨著再生骨料的增加,混合料的密度下降,吸水量增加。在試驗(yàn)范圍內(nèi)水泥劑量的增加對(duì)再生骨料水穩(wěn)層的最大干密度、最佳含水量影響不大,這是因?yàn)樵谒€(wěn)層水泥的用量不是很大,隨著水泥用量增加,最佳含水率有小幅度上升,這主要是因?yàn)殡S著水泥的增加,更多的水參加水化反應(yīng)。

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

依據(jù)《新疆公路瀝青路面設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)》與《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430-2020)要求,3種高摻配下廢棄混凝土再生骨料的路基水泥穩(wěn)定層試件采用 φ100 mm×100 mm 圓柱形,按照 JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》采用靜壓方式,試驗(yàn)試件用于 7 d、28 d、90 d 齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.3 Measured results of unconfined compressive strength

從圖3實(shí)測(cè)結(jié)果得出,在養(yǎng)護(hù)齡期相同的條件下,隨著固廢混凝土摻量的增加,測(cè)得的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值在下降,這是因?yàn)榻ㄖ虖U混凝土比天然礫石骨料孔隙率及裂縫都要高,壓碎值大,摻量越多,強(qiáng)度下降得越多。3種高摻量7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低為2.76 MPa,均能滿(mǎn)足《新疆公路瀝青路面設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)》對(duì)于水泥穩(wěn)定材料在高速公路及一級(jí)公路中、輕交通道路的底基層與二級(jí)及二級(jí)以下公路基層 2～4 MPa的強(qiáng)度要求,高摻配50%的建筑固廢還可用于高速公路及一級(jí)公路重交通和二級(jí)及二級(jí)以下公路特重交通道路的底基層。

3.3 劈裂強(qiáng)度

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430-2020)操作規(guī)范,以工程中常用5%水泥劑量作為試驗(yàn)劑量,水泥穩(wěn)定建筑固廢礫石90 d齡期的劈裂強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同摻量的建筑固廢劈裂強(qiáng)度實(shí)測(cè)值Fig.4 Measured values of splitting strength of construction solid waste with different dosages

從圖4可以看出,隨著廢棄混凝土摻量的增加,劈裂強(qiáng)度逐漸下降,高摻量60%～70%的劈裂強(qiáng)度實(shí)測(cè)值下降值比高摻量50%～60%下降值要大,這是因?yàn)楣虖U混凝土本身性能使得摻和量越多,混合料中相對(duì)薄弱的部位越多,劈裂強(qiáng)度下降越快。

3.4 抗壓回彈模量

以5%水泥劑量作為膠凝材料,在建筑固廢質(zhì)量比為0%、50%、60%、70% 的4組摻量下,水泥穩(wěn)定層礫石在養(yǎng)護(hù)室溫度20 ℃養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、90 d,測(cè)定不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的抗壓回彈模量,為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,每組摻量取3個(gè)試驗(yàn)樣品的平均值作為最終抗壓回彈模量結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of compressive rebound modulus test

由圖5可知,在養(yǎng)護(hù)條件、養(yǎng)護(hù)周期相同時(shí),隨著建筑固廢摻量的增加,抗壓回彈模量降低。以7 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間為例,沒(méi)有摻入固廢的3個(gè)試樣平均抗壓回彈模量為896 MPa,而高摻配70%的固廢混凝土3個(gè)試樣平均抗壓回彈模量?jī)H為356 MPa。這是因?yàn)閾饺氲墓虖U混凝土在錘式破碎機(jī)破碎過(guò)程中產(chǎn)生大量的微裂紋,隙率高,固廢表面包裹著水泥砂漿,由于水泥砂漿的親水性導(dǎo)致再生骨料的吸水率大、堆積密度小、壓碎指標(biāo)高、硬化后的強(qiáng)度低、彈性模量低[6]。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,不同摻量的試件抗壓回彈模量均增大。

3.5 建筑固廢混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)

考慮到建筑固廢混凝土需用于道路工程實(shí)際,受試驗(yàn)場(chǎng)地限制,結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁?在室內(nèi)制作模型進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),以驗(yàn)證多次凍融后建筑固廢混合料是否能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。試件3個(gè)為一組,每組數(shù)據(jù)為3個(gè)試件的平均值,溫度變化區(qū)間設(shè)為-20 ℃～+20 ℃,凍融循環(huán)次數(shù)暫設(shè)定10次,以模擬在室外環(huán)境中冬春季節(jié)路基溫度變化,測(cè)試建筑固廢混凝土摻量為0%、50%、60%、70%時(shí)的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知,隨著固廢混凝土添加量的增加,試驗(yàn)值下降,這揭示了建筑物廢棄的混凝土再次破碎后得到的骨料裂縫及氣孔較多,經(jīng)多次凍融循環(huán)后試件內(nèi)部裂縫不斷膨脹增多,骨料黏結(jié)力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定降低,表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度值下降,摻和量越大,降低得越多。

4 結(jié)論

隨著建筑廢棄混凝土再生骨料混合料含量的增加,路基結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能逐漸降低。推薦將配比參數(shù)為60%、70%的再生骨料混合料用于二級(jí)及以下公路路基基層中,配比參數(shù)為50%的再生骨料混合料運(yùn)用于二級(jí)及以下公路路基水泥穩(wěn)定層中,也可用于高速公路及一級(jí)公路重交通和二級(jí)及二級(jí)以下公路特重交通道路的底基層。通過(guò)工程實(shí)例證實(shí),建筑固廢在道路路基工程中的性能設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求,為建筑固廢高摻量再生骨料在道路工程中的應(yīng)用推廣提供了參考。