水泥混凝土路面板廢棄料作為半剛性基層材料的研究

李濤

水泥混凝土路面板廢棄料作為半剛性基層材料的研究

李濤

(廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 公路市政三所, 廣東 廣州, 510080)

為了解水泥混凝土面板破碎料作為半剛性基層材料的力學(xué)性能, 在室內(nèi)完成了水泥混凝土路面板破碎料與石灰?guī)r的壓碎值、擊實(shí)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度等物理力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比試驗(yàn), 結(jié)果表明: 水泥混凝土路面板破碎料的針片狀、壓碎值等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求; 水泥混凝土路面板破碎料的最佳含水率較大, 同時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均較石灰?guī)r高; 水泥混凝土路面板破碎料可作為基層材料, 后期使用階段具有良好的服役狀態(tài), 力學(xué)指標(biāo)可滿足高速及一級(jí)公路重載交通的規(guī)范要求。

水泥混凝土路面板破碎料; 物理指標(biāo); 最佳含水率; 道路再生資源

1 物理指標(biāo)

室內(nèi)試驗(yàn)所用破碎料材料均來源于湖南省某干線公路大修改造的施工現(xiàn)場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)破除的水泥混凝土面板采用顎式破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎工藝處理, 完成除雜、歸檔工序后破碎料分為: 0～4.75 mm, 4.75～9.5 mm, 9.5～19.0 mm及19.0～31.5 mm 4檔。室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)所用的石灰?guī)r為本地集料, 規(guī)格尺寸同上述破碎料。破碎料與石灰?guī)r如圖1、2所示, 其物理、力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

圖1 石灰?guī)r

圖2 破碎料

表1 原材料的物理、力學(xué)指標(biāo)

通過觀察發(fā)現(xiàn), 石灰?guī)r表面光滑且棱角突出, 而破碎料顆粒被一層水泥膠凝的砂石包裹, 表面較粗糙。由表1可知, 與石灰?guī)r材料相比, 破碎料的表觀密度較小且吸水率大, 分析其原因有: ①破碎料外表粗糙、內(nèi)部含有大量的孔隙, 同時(shí)二次破碎工藝導(dǎo)致內(nèi)部存在微小的裂縫; ②破碎料表面粘附的灰塵顆粒、砂漿粉粒等材料具有一定的吸水性能; ③破碎料內(nèi)部的水泥石成分含有大量的結(jié)晶水。通常, 結(jié)晶水在常溫下屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu), 但在高溫條件下內(nèi)部結(jié)構(gòu)極易被破壞、蒸發(fā), 從而導(dǎo)致含水率偏大[2]; ④壓碎值指標(biāo)表明破碎料集料的強(qiáng)度比石灰?guī)r高, 同時(shí)針片狀指標(biāo)顯示破碎料的針片狀指標(biāo)較低, 表明混凝土面板廢棄料經(jīng)過兩級(jí)破碎加工工藝后具有良好的棱角性, 其力學(xué)性能達(dá)到規(guī)范要求。通過表1的對(duì)比可知, 破碎料在壓碎值、針片狀顆粒含量等指標(biāo)都較石灰?guī)r優(yōu)越, 符合規(guī)范要求[7], 能滿足高速、一級(jí)公路重交通基層的技術(shù)要求。

2 力學(xué)指標(biāo)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

混合料合成級(jí)配的設(shè)計(jì)以填充理論及粒子干涉理論為向?qū)? 以粗集料形成相互嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)為目標(biāo), 采用細(xì)集料填充骨架結(jié)構(gòu)間的空隙達(dá)到密實(shí)狀態(tài), 最終形成骨架密實(shí)性結(jié)構(gòu)。相互嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)具有良好的內(nèi)摩擦阻力, 同時(shí)密實(shí)結(jié)構(gòu)提高了混合料的粘聚力, 使得該結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)穩(wěn)定性及耐久性[8–9]。根據(jù)美國(guó)伊利諾伊州交通局Robert. Bailey提出的貝雷法, 通過控制(Coarse Aggregate Ration)、FA(Coarse Portion of Fine Aggregate)、FA(Portion of Fine Aggregate)等指標(biāo)的范圍可以保證結(jié)構(gòu)的骨架密實(shí)性。針對(duì)基層、面層混合料, 國(guó)內(nèi)大量研究學(xué)者通過試驗(yàn)得到了、FA、FA等貝雷指標(biāo)的有效范圍[10–11]。進(jìn)一步研究指出[12], 當(dāng)0.85 << 1.0值時(shí), 試件具有較高的抗壓強(qiáng)度。因此本次不同材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的級(jí)配曲線從線型、貝雷指標(biāo)等方面控制。混合料合成級(jí)配及其貝雷指標(biāo)值見表2、3, 合成級(jí)配曲線見圖3。

表2 混合料合成級(jí)配

注: 表中規(guī)范指《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20–2015), 規(guī)范上下限為C-B-3的級(jí)配范圍。

表3 貝雷指標(biāo)值

注: 建議值指文獻(xiàn)[13–15]中推薦的貝雷指標(biāo)范圍。

圖3 合成級(jí)配圖

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

采用重型擊實(shí)試驗(yàn)(T0804–1994)[16]確定混合料的最大干密度及最佳含水率?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)細(xì)則》指出, 當(dāng)無機(jī)結(jié)合料選用P.O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥, 基層中水泥摻量不應(yīng)超過6.0%, 故本次試驗(yàn)水泥外摻5.0%。試驗(yàn)結(jié)果如表4、圖4所示。

表4 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 擊實(shí)擬合曲線

擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用二次曲線擬合方法, 得出可兩曲線:=-0.0342+ 0.508+ 0.227(= 0.996, 破碎料);=-0.0682+ 0.663+ 0.826(= 0.983, 石灰?guī)r)。通過二次擬合曲線可知, 破碎料的最佳含水率是石灰?guī)r1.5倍, 對(duì)應(yīng)的最大干密度分別為2.15、2.45 g/cm3, 表明破碎料顆粒內(nèi)部含有較多的孔隙。通常由于混凝土澆筑時(shí)采用振搗工藝依然有大量氣泡未能完全消除, 后期水分的蒸發(fā)導(dǎo)致混凝土中含有大量的孔隙, 同時(shí)破碎料的塊石內(nèi)部存在微小的裂縫, 因此破碎料具有很強(qiáng)的吸水性。其次, 含有大量結(jié)晶水的水泥石高溫加熱時(shí)易分解揮發(fā), 根據(jù)含水率=水/石可知,水的增加導(dǎo)致含水率偏大, 因此破碎料的最佳含水率較石灰?guī)r大。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率及最大干密度, 進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件的制作(T0843–2009)。試件以壓實(shí)度為98%為標(biāo)準(zhǔn), 采用靜壓成型方法各制作13組(150 mm× 150 mm× 150 mm), 脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度: 20 ± 2℃; 相對(duì)濕度: ≥ 95%)養(yǎng)護(hù)7 d。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度對(duì)比如表5所示, 水泥穩(wěn)定材料7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值d如表6所示, 強(qiáng)度對(duì)比如圖5、6所示。

由表5可知, 破碎料及石灰?guī)r試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度有一定的差距, 破碎料試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值為4.14 MPa、劈裂強(qiáng)度平均值為0.36 MPa, 石灰?guī)r試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值為3.19 MPa、劈裂強(qiáng)度平均值為0.28 MPa。

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度對(duì)比

注: 表中規(guī)范指《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTG-T-F20-2015。

由表6可知, 破碎料試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值滿足高速公路和一級(jí)公路重載交通要求。

由圖5、6可知, 破碎料試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度較石灰?guī)r試件高, 破碎料試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是石灰?guī)r的1.30倍, 劈裂強(qiáng)度是石灰?guī)r的1.29倍。影響試件強(qiáng)度的主要因素有結(jié)合料的摻量、原材料物理指標(biāo)、混合料配合比等。在相同結(jié)合料摻量條件下, 集料的物理指標(biāo)對(duì)試件的力學(xué)指標(biāo)有較大的影響, 因此本次試驗(yàn)中強(qiáng)度的差異原因有:

(1) 試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度與集料的針片狀、壓碎值等物理指標(biāo)聯(lián)系緊密。集料的針片狀顆粒含量越低, 壓碎值越低, 故試件的強(qiáng)度越高。對(duì)比破碎料與石灰?guī)r, 前者的壓碎值和針片狀顆粒含量均較低, 故其試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均較高;

(2) 水泥混凝土由一定比例的碎(礫)石、砂、水泥及水混合而成, 在膠凝介質(zhì)—水泥的作用下碎(礫)石與河沙膠結(jié)形成的一個(gè)整體。破碎料是由水泥混凝土面板經(jīng)過二次破碎工藝而來, 在外力的作用下混凝土的破碎均為砂—礫石之間的剝離, 因此破碎料表面比較粗糙、摩擦系數(shù)大, 從而使得顆粒間的內(nèi)摩擦力較大。在水泥的膠凝作用下混合料有較高的粘結(jié)力, 進(jìn)而增強(qiáng)了破碎料試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度[17], 故破碎料試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均較石灰?guī)r高。與規(guī)范相比, 破碎料可以滿足各等級(jí)公路基層重交通的要求, 若用于特重交通需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

表6 水泥穩(wěn)定材料7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Rd/MPa

注: 表6為《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTG-T-F20-2015。

圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3 工程應(yīng)用

為驗(yàn)證破碎料在實(shí)際工程的應(yīng)用, 特進(jìn)行試驗(yàn)段研究。試驗(yàn)段位于湖南某干線公路, 一級(jí)重載交通, 路面寬度20 m, 雙向6車道, 路面結(jié)構(gòu)形式為: 36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+ 5 cm AC-20 + 6 cm AC-16。試驗(yàn)段原材料中19.0～31.5 mm、9.5～19.0 mm、4.75～9.5 mm 3檔集料均為原路面水泥混凝土路面板破碎料, 0～4.75 mm檔為破碎料及新料的混合物, 現(xiàn)場(chǎng)施工如圖7所示?；鶎? d養(yǎng)護(hù)完成后立即進(jìn)行鉆芯檢查, 如圖8所示。

圖6 劈裂強(qiáng)度

為驗(yàn)證破碎料7 d養(yǎng)護(hù)后的強(qiáng)度, 特將現(xiàn)場(chǎng)鉆芯試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn), 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為6.85、8.23、7.21/Mpa, 均值為7.43/MPa。彎沉檢測(cè)結(jié)果如表7所示。由表7可知, 彎沉均值和代表值分別為700、1 050 mm, 標(biāo)準(zhǔn)差為2.11。

圖7 試驗(yàn)段施工現(xiàn)場(chǎng)

圖8 現(xiàn)場(chǎng)鉆芯檢查

表7 彎沉檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)段的檢測(cè)結(jié)果表明破碎料可用于一級(jí)重載公路的基層, 后期的跟蹤檢測(cè)(圖9、10)表明破碎料在正常壽命內(nèi)服役狀態(tài)良好, 驗(yàn)證了破碎料作為基層材料在實(shí)際工程中具有較好可行性, 值得大力推廣。

圖9 通車一個(gè)月后現(xiàn)場(chǎng)鉆芯檢查

圖10 彎沉檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)石灰?guī)r及水泥板破碎料室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)的研究及實(shí)體工程的應(yīng)用, 得到如下結(jié)論:

(1) 水泥混凝土面板經(jīng)過兩級(jí)破碎工藝得到的破碎料尺寸規(guī)整、表面粗糙, 近似立方體的外觀表明其棱角性、摩擦系數(shù)、壓碎值及針片狀等物理指標(biāo)均較好, 達(dá)到基層材料的規(guī)范值;

(2) 由于孔隙、微裂縫及結(jié)晶水的存在, 破碎料的吸水率及最佳含水量較石灰?guī)r高, 且破碎料的最佳含水率較正常值偏大, 工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)加以考慮;

(3) 與石灰?guī)r相比, 破碎料水穩(wěn)試件具有較高的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度, 同時(shí)通過實(shí)體工程的驗(yàn)證, 表明破碎料可作為一級(jí)重交通公路的基層材料, 屬可再利用資源。

[1] 傅智, 李紅. 我國(guó)水泥混凝土路面30年建設(shè)成就與展望[J]. 公路交通科技, 2008(12): 21–27.

[2] 劉建偉, 張翛, 申俊敏, 等. 水泥混凝土路面國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展新對(duì)策[J]. 中外公路, 2016, 36(4): 73–77.

[3] 歐陽寧, 鄒靜蓉, 李濤, 等. 湖南省干線公路排水現(xiàn)狀及其改善方案探究[J]. 公路工程, 2016, 41(4): 130–134.

[4] 張超. 廢棄混凝土路面板在道路改建中的再利用[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2003, 3(4): 6–8.

[5] 林翔, 苗英豪, 張金喜, 等. 廢棄水泥混凝土再生利用發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 市政技術(shù), 2009, 27(5): 536–539.

[6] 張昌波. 美國(guó)再生混凝土骨料的應(yīng)用[J]. 建筑機(jī)械, 2008: 52–53.

[7] 中華人民共和國(guó)行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn): JTG/T F20-2015, 公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則[S].

[8] 李濤. 干線公路大厚度半剛性基層施工技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南林業(yè)科技大學(xué), 2018.

[9] 魯華征. 級(jí)配碎石設(shè)計(jì)方法研究[D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2006.

[10] 于新, 吳建浩. 貝雷方法應(yīng)用探討[J]. 公路, 2003(08): 83–87.

[11] 陳愛文, 郝培文. 應(yīng)用貝雷法設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)級(jí)配[J]. 中外公路, 2004(5): 101–103.

[12] 李濤. 貝雷法在半剛性基層中的應(yīng)用[J]. 公路. 2018, 63(12): 19–23.

[13] 呂文江, 陳愛文, 郝培文, 等. 貝雷法參數(shù)CA比對(duì)瀝青混合料性能的影響[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005(4): 5–8.

[14] 徐永麗, 程培峰. 貝雷法參數(shù)計(jì)算公式之修正[J]. 中外公路, 2007(6): 146–148.

[15] 郝培文, 徐金枝, 周懷治. 應(yīng)用貝雷法進(jìn)行級(jí)配組成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004(6): 1–6.

[16] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn): JTG E51–2009, 公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[17] 仵衛(wèi)東. 高性能水泥穩(wěn)定碎石基層研究[D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2006.

Study on application of cement concrete pavement waste material in semi-rigid base course

Li Tao

(Guangdong Metallurgical and Architectural Design Institute Co LTD, Guangzhou 510080, China)

In order to realize the application of cement concrete slab crushed materials in semi-rigid base course, the comparative tests of crushing value, compaction test, unconfined compressive strength and splitting strength between crushed materials and limestone are carried out in laboratory. The results show that the indexes such as needle flake shape and crushing value of crushed materials meet the requirements of the code. The result shows that the optimum water content of crushed materials is higher than that of limestone, and the unconfined compressive strength and splitting strength of crushed materials are higher than that of limestone aggregate, and the crushed material can be used as the base material, and it has a good service state in the later stage of use, which can meet the requirements of the semi-rigid base of the expressway and the first-class heavy traffic highway.

cement concrete slab crush material; physical index; optimum water content; road regeneration resources

U 414

A

1672–6146(2020)03–0086–06

10.3969/j.issn.1672–6146.2020.02.016

李濤, ltao1226@163.com。

2018–12–21

湖南省交通科技項(xiàng)目(201402); 中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金(CX2017B29)。

(責(zé)任編校: 張紅)