含再生集料級(jí)配碎石的壓實(shí)性能和強(qiáng)度試驗(yàn)研究

周盛樹, 朱曉煜

(1.莆田學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 莆田 351100；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 上海 200092)

0 引言

在過(guò)去20 年里, 建筑固體廢物(construction& demolition waste, CDW) 的回收利用是一個(gè)全球關(guān)注的課題, 已成為發(fā)達(dá)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)先施行的事務(wù)； 而在近10 年中, 發(fā)展中國(guó)家也逐漸加入CDW 回收利用行列[1]。 由于大多數(shù)國(guó)家的自然資源日益缺乏, 出于環(huán)境方面的考慮, 迫切需要回收CDW 材料生成再生集料, 這些材料可以作為天然礦料的替代品, 用于路基、 路面、 人行道和其他土木工程中。

CDW 來(lái)源不同, 成分復(fù)雜, 主要成分包括：混凝土、 粘土磚、 石塊、 陶瓷、 玻璃、 塑料、 瀝青混合料、 木材、 金屬、 石膏基材料及有害物質(zhì)等。 通常磚混結(jié)構(gòu)建筑拆除后, 舊混凝土、 碎磚、 砂漿是可利用建筑垃圾的主要原材料, 其中舊混凝土占總質(zhì)量的60%, 然后依次是廢石( 14%)、 碎 磚( 13%)、 瀝 青( 5%) 和 其 他(8%)[2]。

早在2001 年, 就有學(xué)者對(duì)再生混凝土集料(RCA)作為無(wú)粘結(jié)粒料應(yīng)用于路面底基層開展了研究, 認(rèn)為其性能可與天然材料相媲美[3]。香港理工大學(xué)潘智生等探討了RCA 和再生粘土碎磚(RCB) 用于無(wú)粘結(jié)材料底基層時(shí), 再生集料摻配比例對(duì)混合料壓實(shí)性能的顯著影響[4]。澳大利亞Arulrajah 等對(duì)5 種建筑廢料進(jìn)行比較,將RCA 與RCB 混合作為路面底基層的替代材料, 發(fā)現(xiàn)比例高達(dá)25%的碎磚可以安全地添加到混合集料中應(yīng)用于路面基層或底基層[5]。 肖杰等分析了再生集料含量對(duì)混合料加州承載比(CBR)的影響, 并討論了壓實(shí)度與含水量對(duì)混合料動(dòng)回彈模量的影響, 所得結(jié)果充實(shí)了再生集料應(yīng)用于粒料層的研究[6]。 此外, 張志偉將磚混類再生骨料用于級(jí)配碎石, 研究發(fā)現(xiàn)再生骨料中雜物含量的增加能明顯降低級(jí)配碎石的最大干密度與承載比； 適量增加RCA 顆粒含量, 可以提高級(jí)配碎石的路用性能[7]。 張立群等研究了混凝土再生粗骨料在道路基層中的應(yīng)用, 認(rèn)為再生粗骨料抵抗壓碎的能力比天然集料低, 但滿足道路材料強(qiáng)度要求[8]。

針對(duì)含再生集料級(jí)配碎石壓實(shí)特性的研究較少, 為此, 本文在比較分析兩種再生集料的基本物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上, 探討其代替比例對(duì)級(jí)配碎石最佳含水率和最大干密度的影響, 然后進(jìn)一步討論含再生集料級(jí)配碎石的CBR 是否滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求, 所得結(jié)論為確定再生集料的摻配比例提供參考。

1 再生集料

粗集料包括3 種, 分別是天然輝綠巖碎石(NA)、 RCA 和RCB。 其中, 后兩種集料的原材料來(lái)自于建筑拆除的固體廢物, 經(jīng)顎式破碎機(jī)加工并篩分獲得, 是粗糙、 多孔和不規(guī)則的再生材料。 RCA 的規(guī)格為15 ～25 mm 和5 ～15 mm, 而RCB 的規(guī)格為5 ～25 mm。 各種規(guī)格粗集料按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》 (JTG E42—2005) 試驗(yàn)方法檢測(cè)集料相關(guān)物理性質(zhì), 包括粗細(xì)集料的表觀密度、 吸水率, 粗集料的針片狀顆粒含量、壓碎值等質(zhì)量技術(shù)指標(biāo), 檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。細(xì)集料采用0 ～5 mm 的石灰?guī)r石屑, 表觀密度為2.668 g?cm-3, 吸水率為3.80%。

表1 粗集料的物理指標(biāo)

由表1 可知, 天然碎石的平均表觀密度最大, RCA 次之, 而RCB 的平均表觀密度最小,大約是天然碎石的74%。 3 種粗集料的平均吸水率分別為0.76%、 6.51%和8.50%, 造成差異的主要原因是： RCA 表面附著密度較小的砂漿, 磚塊和砂漿的孔隙率和比表面積較大, 吸水性更強(qiáng)。

針片狀顆粒含量相差較大, 再生集料優(yōu)于天然碎石。 兩種再生集料的平均壓碎值分別為14.8% 和25.6%, 均大于NA 的平均壓碎值9.9%。 值得注意的是, RCB 只能滿足二級(jí)和二級(jí)以下公路基層壓碎值不大于30%的要求。 總的來(lái)說(shuō), 相對(duì)于天然粗集料的物理性質(zhì), 再生集料表現(xiàn)出密度小、 孔隙率大、 吸水率大、 壓碎值大的特點(diǎn), 但是, RCA 具有較好的針片狀指數(shù)和顆粒形狀。

2 試驗(yàn)方案

2.1 級(jí)配組合設(shè)計(jì)

為研究再生集料的摻配對(duì)級(jí)配碎石性能的影響, 本文共設(shè)計(jì)了5 組不同材料的級(jí)配組合。 其中, 1#組采用100%NA, 作為基本評(píng)價(jià)參照組；2#組采用85%NA+15%RCA, 3#組采用70%NA+30%RCA, 4 # 組采用70% NA + 15% RCA + 15%RCB, 5#組采用50% NA + 25% RCA + 25% RCB。參照《 公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》 ( JTG/ T F20—2015)中級(jí)配碎石或級(jí)配礫石用于高速公路和一級(jí)公路基層、 底基層的推薦級(jí)配范圍(GA-4)取中值, 如表2 所示, 粒料的公稱最大粒徑為26.5 mm。

2.2 試驗(yàn)方法

再生集料按一定的質(zhì)量比例代替天然礦料用于粒料基層, 其類型及代替比例會(huì)對(duì)混合礦料的物理性質(zhì)和力學(xué)特性, 包括最佳含水率及最大干密度、 CBR 值等產(chǎn)生影響。 為此, 本文通過(guò)設(shè)計(jì)不同再生集料組合的擊實(shí)試驗(yàn)和CBR 試驗(yàn),評(píng)價(jià)包含再生集料級(jí)配碎石的壓實(shí)特性以及承載能力。

擊實(shí)試驗(yàn)包括輕型擊實(shí)和重型擊實(shí)兩種, 由于本試驗(yàn)使用的粒料最大公稱粒徑為26.5 mm,故采用重型擊實(shí)法對(duì)5 組混合礦料分別進(jìn)行試驗(yàn)。 試驗(yàn)前, 將已過(guò)篩的試料用四分法逐次分小, 至最后每份質(zhì)量約5.5 kg。 預(yù)定5 個(gè)不同的含水量, 依次相差1%左右。 采用電動(dòng)擊實(shí)儀,重錘的質(zhì)量為4.5 kg, 重錘落高為45cm, 試筒內(nèi)徑152 mm, 試樣高度120 mm, 分三層擊實(shí),每層擊實(shí)98 次。

CBR 試驗(yàn)是用來(lái)評(píng)價(jià)道路材料承載能力的重要方法, 表征粒料材料抵抗局部荷載產(chǎn)生變形的能力, 以標(biāo)準(zhǔn)碎石承載能力的相對(duì)百分比表示。 按照 《 公路土工試驗(yàn)規(guī)程》 ( JTG E40—2007)中T0134 承載比試驗(yàn)方法進(jìn)行CBR 試驗(yàn)?？刂圃嚰谧罴押?、 壓實(shí)度為98%條件下的干密度備樣, 每組制備3 個(gè), 共計(jì)15 個(gè)試樣,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。 CBR 值的計(jì)算公式如下：

式中： CBR 為加州承載比, 計(jì)算到0.1； p 為單位壓力(kPa), 貫入深度為2.5 或5.0 mm； p0為標(biāo)準(zhǔn)單位壓力, 貫入深度為2.5 mm 時(shí)取7 000 kPa, 貫入深度為5 mm 時(shí)取10 500 kPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

5 組混合集料的擊實(shí)曲線如圖1 所示, 采用二次多項(xiàng)式模型回歸擬合二者之間的關(guān)系, 擊實(shí)試驗(yàn)得到各組粒料的最佳含水率和最大干密度結(jié)果如表3 所示。

表3 級(jí)配碎石的最佳含水率和最大干密度

由表3 可以發(fā)現(xiàn), NA 的最佳含水率最小(5.41%), 隨著RCA 摻配比例的增加, 混合集料的含水率明顯增大, 呈現(xiàn)較明顯的規(guī)律。 當(dāng)RCA 含量達(dá)到30%(3 #組) 時(shí), 最佳含水率是8.36%, 比參照組增加了54.5%。 這原因很可能是RCA 表面附著少量砂漿, 而砂漿密度相對(duì)較小、 吸水率較大, 導(dǎo)致混合粒料的最大干密度變小, 最佳含水率變大。

圖1 級(jí)配碎石的擊實(shí)曲線

同時(shí), 用RCB 部分代替RCA, 則進(jìn)一步提高了混合集料的最佳含水率。 當(dāng)RCB 含量達(dá)到25%(5 # 組) 時(shí), 混合集料的最佳含水率高達(dá)13.56%, 是3 # 組的1.62 倍, 是天然礦料的2.51 倍。 這主要是由于破碎過(guò)程的影響, RCB表面開始出現(xiàn)微小的裂縫, 再生集料的不良特性明顯。

NA 的最大干密度為2.323 g?cm-3, 是所有組合中最大的, 而5#組的最大干密度最小, 僅為1.914 g?cm-3。 試驗(yàn)結(jié)果表明, 最佳含水率和最大干密度受再生材料的摻配比例的影響, 隨著再生集料摻配比例的增加, 最大干密度逐漸減小, 而粒料的最佳含水率逐漸增大, 這一點(diǎn)與楊敏的研究結(jié)論是一致的[9]。

3.2 CBR 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程, 本試驗(yàn)CBR 值均采用貫入深度為5 mm 時(shí)的CBR, 取每組三個(gè)平行試驗(yàn)的平均值進(jìn)行比較分析, 各組粒料的CBR 值如圖2 所示。

圖2 不同粒料組合的CBR 值比較

從圖2 可以明顯看出： 2#組, 也就是RCA替代比率為15%時(shí), 試驗(yàn)得到的平均CBR 值是最高的, 達(dá)到183, 甚至超過(guò)了1#組(100%NA)的CBR 值, 這一點(diǎn)是出人意料的。 其次, RCA替代比率為30%時(shí), CBR 值比參照組(1#組) 降低了6.3%。 當(dāng)采用3 種混合集料, RCB 占比為15%時(shí), 粒料的CBR 值進(jìn)一步降低； 若RCB 占比達(dá)到25%, 5#組所得到的CBR 值僅為135,是各組中最低的, 并且比參照組低了22.8%。

級(jí)配碎石的強(qiáng)度主要來(lái)源于顆粒之間的摩擦以及嵌擠作用, 而再生集料表面較天然集料粗糙, 一定程度上使內(nèi)摩擦角增大。 再生集料的粘聚力普遍在41～46 kPa, 而內(nèi)摩擦角在49° ～51°,RCA 的巖土環(huán)境特性等同于甚至好于采石場(chǎng)的粒料, RCB 在70%的最佳含水量下具備和采石場(chǎng)集料大致相同的性能[5]。 因此, 試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了再生集料有可能提高混合集料強(qiáng)度的可能性。

另一方面, RCA 表面粘附的砂漿塊吸水后容易產(chǎn)生水化反應(yīng), 使得粒料之間具有較強(qiáng)的粘聚作用, 集料因互相吸附而更加堅(jiān)固。 與RCA相比, RCB 孔隙率大, 強(qiáng)度較低, 顆粒吸水之后強(qiáng)度降低, 大大降低了級(jí)配碎石的強(qiáng)度, 這一結(jié)論與肖杰等得到的結(jié)果[6]類似。 需要注意的是, RCB 的吸水率較高, 在低溫地區(qū)有可能影響粒料基層的抗凍性, 所以應(yīng)該謹(jǐn)慎使用并控制其配比含量。

目前, 還沒(méi)有關(guān)于再生集料道路基層的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn), 可以參考《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/ T F20—2015)的規(guī)定： 對(duì)于高速公路及一級(jí)公路, 級(jí)配碎石路面基層和底基層的CBR 要求分別不小于160 和80； 對(duì)于二級(jí)及以下公路,要求分別不小于120 和60。 由此可見(jiàn), 含RCA的級(jí)配碎石可以用于各級(jí)公路的基層或底基層,其摻配比例可以達(dá)到30%左右。 再生集料RCB可以與RCA、 NA 組成級(jí)配碎石, 但由于RCB替代比例為25%時(shí)CBR 值僅135, 為保證CBR滿足要求, 所以只能用于二級(jí)及以下公路。

4 結(jié)論

(1) 與開采石料相比, 再生集料存在密度小、 孔隙率大、 吸水率和壓碎值高的缺點(diǎn), 在物理和力學(xué)性能方面都是有差異的。 再生集料影響級(jí)配碎石的壓實(shí)性能, 隨著再生集料含量增加,粒料的最佳含水率增大, 最大干密度減小。

(2) 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)85% NA + 15% RCA 混合料的CBR 值超過(guò)100%NA 的CBR 值, 表明NA 中摻入適當(dāng)比例的RCA 能夠提高級(jí)配碎石的承載能力； RCB 也可以和RCA 一起與天然碎石混合,隨著RCB 比例增加, 粒料的CBR 值逐漸變小,說(shuō)明RCB 的摻入降低了級(jí)配碎石的承載能力,RCB 含量應(yīng)謹(jǐn)慎控制。

(3)再生集料作為粗骨料用于級(jí)配碎石, 可以采用一種的再生集料, 也可以兩種或以上的再生集料部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)開采石料, 但級(jí)配碎石抗變形能力仍有待于進(jìn)一步的研究。