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        再生混凝土集料在水泥穩(wěn)定碎石中的應(yīng)用研究

        2018-09-10 09:00:04孫鐘良汪道靜
        城市道橋與防洪 2018年7期
        關(guān)鍵詞:水泥砂漿集料含水量

        張 言,孫鐘良,汪道靜

        (1.湖州南潯交通水利投資建設(shè)有限公司,浙江湖州 313009;2.中交第一航務(wù)工程有限公司,天津市 300450)

        0 引言

        隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快,大量舊的建筑物被拆除,從而產(chǎn)生大量的建筑垃圾。我國建筑垃圾數(shù)量已占到城鎮(zhèn)垃圾總量的30%~40%[1,2],成為城市主要固體廢棄物之一。國家發(fā)展改革委統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[3],2013年我國建筑垃圾產(chǎn)生量約為10億t,其中資源化利用率僅為5%。而國外一些發(fā)達(dá)國家建筑垃圾的資源化率已經(jīng)達(dá)到85% 以上,甚至接近100%[4]。大部分建筑垃圾未經(jīng)任何處理便被運(yùn)往郊區(qū)或鄉(xiāng)村,以露天堆放或填埋的方式進(jìn)行處理,不僅污染環(huán)境,還會造成巨大的資源浪費(fèi)。

        水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面是我國公路的主要鋪裝形式之一。近年來隨著公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展,大量優(yōu)質(zhì)天然集料被用于水泥穩(wěn)定碎石基層建設(shè),部分地區(qū)出現(xiàn)了天然集料短缺的情況。建筑廢棄物分揀、剔筋、破碎、分級后,可形成再生混凝土集料(Recycled concrete aggregate,RCA),如果實(shí)現(xiàn)RCA在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用,不僅可實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的資源化利用、降低建筑垃圾對環(huán)境的影響,而且可在一定程度上減少天然石料的開采、緩解我國公路高速發(fā)展對石料的需求壓力。

        國內(nèi)外學(xué)者圍繞RCA在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用開展了大量研究。Chi等[5]則從抗壓能力、抗剪能力等力學(xué)性能論證了RCA完全替代天然集料在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用的可行性。Park[6]也認(rèn)為RCA完全可以取代天然集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層及底基層材料。李曉靜[7]研究表明水泥穩(wěn)定RCA基層能夠滿足輕交通量公路要求。Nataatmadja等[8]認(rèn)為級配良好的水泥穩(wěn)定RCA的回彈模量較天然集料更高。Sobhan等[9]將鋼纖維加入水泥穩(wěn)定RCA中,發(fā)現(xiàn)鋼纖維能夠顯著改善其疲勞性能。焦建偉[10]對不同摻量的水泥穩(wěn)定RCA進(jìn)行了研究,認(rèn)為RCA的增加會降低RCA混凝土的強(qiáng)度,RCA宜與天然集料結(jié)合使用。文獻(xiàn)[11]研究了含建筑垃圾水穩(wěn)碎石路面基層材料的使用性能,認(rèn)為再生集料的摻加可以提高材料的回彈模量,減小材料干縮系數(shù),但增大溫縮系數(shù),必要時(shí)應(yīng)控制其摻量。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為RCA的摻入會減小混合料的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,增大溫縮系數(shù),降低干縮系數(shù),并通過試驗(yàn)路證明了水泥穩(wěn)定RCA作為基層和底基層具有可行性。

        為分析RCA完全替代天然集料用于水泥穩(wěn)定碎石基層的技術(shù)可行性,本文測試了RCA吸水率、壓碎值等物理性能,開展了以RCA完全替代天然集料的水泥穩(wěn)定碎石組成設(shè)計(jì)研究。采用MTS測試了3.5%和4%兩種水泥摻量下水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,并與采用天然集料的碎石穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了比較分析。

        1 原材料

        水泥為42.5普通硅酸鹽水泥。采用三種不同粒徑的RCA,按粒徑大小分為粗RCA、中RCA和細(xì)RCA三種。將這三種RCA按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)集料篩分方法進(jìn)行篩分試驗(yàn),得到的篩分結(jié)果見表1。

        表1 回收水泥混凝土骨料的級配

        將RCA以公稱粒徑4.75 mm為臨界點(diǎn),分為0~4.75 mm和4.75~31.5 mm兩檔。分別測試這兩檔RCA的物理性能,結(jié)果見表2。

        表2 回收混凝土骨料物理性能測試結(jié)果

        由表2可以看出,RCA的吸水率遠(yuǎn)高于天然集料,這是因?yàn)?RCA表面粘附有較多的水泥砂漿,使得其表面空隙發(fā)達(dá),更易吸水。另外,按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)方法對RCA的壓碎值進(jìn)行了測試。為了能更充分說明RCA的強(qiáng)度,對4.75~9.5 mm、13.2~16 mm的RCA也進(jìn)行了壓碎值試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

        表3表明RCA的壓碎值較高,這是由于RCA表面附著的水泥砂漿強(qiáng)度較低,容易被壓碎,但各檔集料的壓碎值仍能夠滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

        電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)能夠分辨光學(xué)顯微鏡所無法分辨的顯微結(jié)構(gòu),常用來觀測固體表面的形貌特征。本文采用場發(fā)射掃描電鏡(Field Emission-Scanning Electron Microscope,FE-SEM)觀測RCA的微觀形貌特征,放大倍數(shù)為1000下RCA的SEM掃描照片見圖1。

        表3 RCA的壓碎值

        圖1 RCA的SEM掃描照片

        由圖1可知,RCA的表面非常粗糙,且空隙發(fā)達(dá)。這是因?yàn)镽CA表面附著水泥砂漿,SEM觀測到的是水泥砂漿。因此,水泥砂漿的存在,使得RCA有著吸水率高,壓碎值低,密度小的特征。

        2 水泥穩(wěn)定再生混凝土碎石配合比設(shè)計(jì)

        2.1 級配確定

        本研究采用100%的RCA替代天然集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定基層,即RCA對天然集料的全替代。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)中關(guān)于骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類集料級配要求,進(jìn)行了粗RCA、中RCA、和細(xì)RCA的配比設(shè)計(jì),最終確定三種集料的質(zhì)量配比為45:30:25,繪制級配曲線見圖2。

        2.2 水泥用量

        《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)建議水泥穩(wěn)定類材料水泥劑量為3.0%~6.0%。本文選取3.5%和4.0%兩個(gè)水泥用量進(jìn)行研究。

        2.3 最佳含水量的確定

        圖2 水泥穩(wěn)定RCA混合料合成級配曲線

        本研究通過對不同含水量的RCA混合料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí),使混合料在標(biāo)準(zhǔn)夯實(shí)功作用下達(dá)到最佳密實(shí)狀態(tài),繪制擊實(shí)曲線,確定最佳含水率和最大干密度。

        根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)和《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)要求,最大公稱粒徑為31.5 mm的混合料,宜采用重型Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法,選取3×98擊的擊實(shí)功,按3層擊實(shí)法制樣。

        重型擊實(shí)測出的含水率包含了RCA中的水分和外摻的水,在擊實(shí)試驗(yàn)開始前應(yīng)先預(yù)估混合料的最佳含水率,計(jì)算出需外摻的水量,其計(jì)算公式如下:

        式中:w為需外摻的用水量;W為混合料預(yù)估的含水量;α,β,χ分別為粗RCA、中RCA和細(xì)RCA的含水率;φ1,φ2,φ3分別為粗 RCA、中 RCA 和細(xì)RCA 的摻配比例,φ1+φ2+φ3=1。

        考慮RCA的吸水率較大,其最佳含水率應(yīng)高于采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石(約5%)。因此,預(yù)估RCA基層和底基層混合料的最佳含水率為8%~10%。設(shè)定5%,7.5%,10%,12.5%,15%共五種不同含水量拌制混合料,其外摻的用水量見表4。

        表4 基層和底基層混合料外摻水量

        按照表5的外摻水量,分別對水泥用量為4.0%和3.5%的RCA基層和底基層混合料進(jìn)行拌和?;旌狭蠍灹?4 h后,對上述五種含水率的基層混合料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)。然后實(shí)測含水率并繪制水泥穩(wěn)定RCA的擊實(shí)曲線,見圖3和圖4。

        圖3 水泥穩(wěn)定RCA含水量-干密度曲線(4.0%水泥)

        圖4 水泥穩(wěn)定RCA含水量-干密度曲線(3.5%水泥)

        由圖3和圖4可知,4%水泥摻量的RCA混合料的最佳含水率為10.8%,對應(yīng)的最大干密度為2.118 g/cm3。3.5%水泥摻量的RCA混合料的最佳含水率為10.3%,對應(yīng)的最大干密度為2.073 g/cm3。采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石一般最佳含水量為5%左右[11,12],可見水泥穩(wěn)定RCA的最佳含水偏高,在工程應(yīng)用中應(yīng)給予重視。

        3 水泥穩(wěn)定再生混凝土碎石抗壓強(qiáng)度測試

        采用材料測試儀(MTS)測試兩種水泥摻量的水泥穩(wěn)定RCA無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,見圖5。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果和文獻(xiàn)參考值見表5??梢姡喾€(wěn)定RCA抗壓強(qiáng)度與采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石基本相當(dāng)。

        圖5 MTS無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試

        表5 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

        4 結(jié)論

        (1)RCA的吸水率和壓碎值高于天然集料。SEM觀測結(jié)果表明 RCA表面粘附有較多的水泥砂漿,使得RCA表面空隙發(fā)達(dá),更易吸水;由于RCA表面存在較低強(qiáng)度的水泥砂漿,造成RCA的壓碎值偏大。

        (2)水泥穩(wěn)定RCA的最佳含水量高于采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石,在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)給予特別重視。

        (3)水泥穩(wěn)定再生混凝土碎石抗壓強(qiáng)度與采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石基本相當(dāng),再生混凝土集料在水泥穩(wěn)定基層中應(yīng)用具有一定的技術(shù)可行性。

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