建筑垃圾在瀝青混凝土路面中的應(yīng)用

朱 樸

黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,福建 泉州 362000

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快及交通業(yè)的快速發(fā)展,建筑材料的需求也越來越大,而城市建設(shè)或拆遷中產(chǎn)生大量建筑垃圾,占城市垃圾的30 %～40 %,截止2018年我國存量建筑垃圾已達(dá)200多億噸,由于大部分采用未經(jīng)處理的露天堆放及填埋,已導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)[1].“建筑垃圾資源化”是建設(shè)21世紀(jì)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的重要內(nèi)容,且早已成為兩會(huì)各大代表們高度關(guān)注的話題.采用一定的技術(shù)和工藝進(jìn)行處理后,將其加工為再生路用材料是一種有效的資源化利用途徑[2].

目前，建筑垃圾的路用性能研究較多,李鴻運(yùn)[3]利用試驗(yàn)分析了建筑垃圾再生骨料基本物理力學(xué)特性并明確將其運(yùn)用到路基、基層、水泥路面中的可行性.謝曉文[4]研究了現(xiàn)階段建筑垃圾的特點(diǎn)及其在瀝青路面中適用性,發(fā)現(xiàn)其瀝青面層應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性較差.廖湘南[5]提出研磨預(yù)處理可以有效改善再生粗骨料的品質(zhì).試驗(yàn)研究表明,隨著再生粗骨料摻量的增加,瀝青混凝土的最佳瀝青用量增加,其動(dòng)穩(wěn)定度先增加后下降、低溫抗裂性能下降、水穩(wěn)定性能增強(qiáng)、劈裂抗拉強(qiáng)度降低.彭超杰[6]提出對(duì)再生骨料在道路工程上的應(yīng)用要差異化利用,選取典型瀝青混合料類型開展試驗(yàn).研究表明,高溫性能隨著再生粗骨料摻量增加出現(xiàn)先增加后減小現(xiàn)象,30 %～40 %摻量下達(dá)到最大,再生粗骨料對(duì)瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能有積極影響,60 %～70 %摻量下殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比都達(dá)到最大,再生粗骨料對(duì)瀝青混凝土的低溫性能和抗疲勞性能有一定的負(fù)面影響,但在不大于60 %的摻量下降幅較小,再生粗骨料瀝青混凝土更難壓實(shí).賈艷東等[7]人指出再生磚骨料瀝青混合料隨著瀝青用量的增加,馬歇爾穩(wěn)定度逐漸增加而流值逐漸減小,建議廢棄磚可以用于承載能力要求不高的瀝青面層.再生骨料瀝青混合料的攪拌溫度要高于天然骨料以利形成瀝青膜,粒料間空隙率與飽和度隨瀝青用量的增加而增加,流值的變化值不大而穩(wěn)定度變化較大[8].Chidozie[9]提出再生混凝土骨料(RCA)可以有效地用于瀝青混合料中,但建議使用40 %的RCA替代以達(dá)到最佳的路面性能.Han Sen等[10]人指出隨著再生瀝青路面(RAP)及再生細(xì)料瀝青路面(FRAP,0～5 mm)含量的增加,可以節(jié)省41 %～63 %的瀝青用量,但會(huì)降低瀝青混合料的低溫和疲勞性能.鄭惠珍[11]提出將再生粗骨料用于混凝土中,隨著取代率的增加再生混凝土的工作性變差、抗壓強(qiáng)度、彈性模量降低.

綜上,很多學(xué)者的研究普遍集中于將建筑垃圾中的混凝土或者磚塊單獨(dú)分離處理后應(yīng)用到瀝青混合料中,而將建筑垃圾分離處理的經(jīng)濟(jì)性較差.假設(shè)將建筑垃圾中的兩種及以上作為主要成分直接添加到瀝青混合料中,其路用性能值得進(jìn)一步深入研究.謝曉文[4]的調(diào)查結(jié)果表明:混凝土、磚塊、碎石、砂子、金屬、木材等是建筑垃圾中主要成分,在框架及剪力墻結(jié)構(gòu)拆除產(chǎn)生的垃圾中,混凝土占64.7 %、磚占8.43 %,而框架及剪力墻結(jié)構(gòu)約占1/3的現(xiàn)有拆除量,也將成為未來建筑垃圾的主要來源,故本文以建筑垃圾中的混凝土和磚為主要成分,對(duì)其在瀝青路面的再生利用開展試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 研究參數(shù)的確定

劉怡媛等[12]人提出建立一套關(guān)于廢棄建筑如何進(jìn)行精細(xì)化拆除和垃圾源頭分類等方面的標(biāo)準(zhǔn)可以有效降低成本,但仍需要一段時(shí)間.楊敏等[13]人指出近年來建筑拆除廢料在許多工程領(lǐng)域得到再生利用,公路與城市道路路面工程只需較少投入就能促進(jìn)其大量應(yīng)用,研究前景廣闊.

為提高建筑垃圾在再生骨料瀝青混凝土的經(jīng)濟(jì)性,故本文采用按混凝土∶磚=8∶1的質(zhì)量比合成建筑垃圾(未對(duì)再生混凝土和再生磚進(jìn)行篩分),替代瀝青混凝土中的粗骨料,主要通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn),研究不同替代率(0 %,20 %,40 %,60 %)下的再生骨料瀝青混凝土的路用性能.

本文參考了文獻(xiàn)[2]中典型AC-20瀝青混合料配合比進(jìn)行馬歇爾試件制作(見表1),考慮建筑垃圾可能吸收瀝青適當(dāng)提高油石比.瀝青及礦料性能指標(biāo)見表2～表3.

表1 AC-20典型瀝青混合料試驗(yàn)配合比

表2 A-70#固體石油瀝青指標(biāo)

表3 天然集料與再生集料(混凝土)技術(shù)指標(biāo)

1.2 材料的選擇與加工

為真實(shí)模擬建筑垃圾生產(chǎn)過程,本文采用C 40混凝土試塊及水泥磚分別用機(jī)器壓碎(輔助人工鐵錘砸碎)并過篩(19 mm),按混凝土∶磚=8∶1配成建筑垃圾,放入烘箱烘干備用.

雷斌等[14]人提出有機(jī)硅處理后再生骨料的物理力學(xué)性能及瀝青粘附性能均有了很大的改善,吳春等[15]人指出甲基硅酸鈉對(duì)再生骨料的處理效果最好,為降低其加工成本,未對(duì)再生集料進(jìn)行水洗、除塵、打磨、改性等處理,集料制作過程如圖1～圖2所示.

圖1 建筑垃圾加工過程

圖2 試驗(yàn)用集料示意圖

1.3 試件的制作與養(yǎng)護(hù)

按表1 的瀝青混合料試驗(yàn)配合比,采用專用的瀝青混合料攪拌機(jī)和馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀,嚴(yán)格執(zhí)行試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)規(guī)定[16-17],制備不同垃圾替代率下的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件共計(jì)27個(gè)(報(bào)廢1個(gè)),見圖3～圖5.

圖3 瀝青混合料攪拌機(jī)

圖4 馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀

圖5 馬歇爾試塊養(yǎng)護(hù)脫模后成型

2 試驗(yàn)加載測(cè)試

本次試驗(yàn)的瀝青混凝土馬歇爾試件分兩組進(jìn)行加載,一組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)加載,另一種進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)加載,加載設(shè)備采用電腦數(shù)控馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)定儀并記錄試驗(yàn)結(jié)果,見圖6～圖7,4種垃圾替代率下的馬歇爾試件的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)見表4～表7.

圖6 馬歇爾試塊浸水過程

圖7 馬歇爾試塊試驗(yàn)加載過程

表4 0 %替代率的瀝青混凝土馬歇爾試件實(shí)測(cè)結(jié)果

表5 20 %替代率的瀝青混凝土馬歇爾試件實(shí)測(cè)結(jié)果

表6 40 %替代率的瀝青混凝土馬歇爾試件實(shí)測(cè)結(jié)果

表7 60 %替代率的瀝青混凝土馬歇爾試件實(shí)測(cè)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件破壞現(xiàn)象及物理特性指標(biāo)

將各組瀝青混凝土試件加載破壞后對(duì)其外觀的破壞情況進(jìn)行系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)垃圾替代率為0 %的馬歇爾試件外觀完整,無出現(xiàn)明顯的集料剝落或大裂縫出現(xiàn),但浸水試件出現(xiàn)明顯的粗集料剝落現(xiàn)象,如圖8所示.

圖8 0 %替代率試件破壞圖(右為浸水試件)

替代率為20 %的馬歇爾試件表面較為完整,個(gè)別試件表面出現(xiàn)粗集料剝落及局部松散的現(xiàn)象,但浸水試件表面出現(xiàn)了明顯的粗集料剝落及大面積松散掉落喪失完整性,見圖9.

圖9 20 %替代率試件破壞圖(右為浸水試件)

替代率為40 %的馬歇爾試件外觀完整,無出現(xiàn)明顯的集料剝落或大裂縫出現(xiàn),浸水試件表面有輕微粗集料剝落但其外觀較完整.

替代率為60 %的馬歇爾試件外觀完整,無出現(xiàn)明顯的集料剝落或大裂縫出現(xiàn),浸水試件表面無粗集料剝落且外觀較完整,見圖10～圖11.

圖10 40 %替代率試件破壞圖(右為浸水試件)

圖11 60 %替代率試件破壞圖(右為浸水試件)

從試件加載破壞現(xiàn)象看,垃圾替代率為20 %的試件破壞最嚴(yán)重,浸水試件已喪失完整性,而垃圾替代率為40 %和60 %的試件外觀無明顯破壞特征,60 %替代率的試件外觀保持高度完整性,與垃圾替代率為0 %的試件外觀接近.

采用電子天平和游標(biāo)卡尺對(duì)馬歇爾試件進(jìn)行質(zhì)量及體積等物理指標(biāo)量測(cè).量測(cè)結(jié)果表明:試件的毛體積密度隨垃圾替代率的增加出現(xiàn)先減少后增加又下降的趨勢(shì),總體趨勢(shì)為減少,在實(shí)際施工過程中應(yīng)注意加強(qiáng)碾壓,見圖12～圖13.同時(shí)也說明當(dāng)混合料的質(zhì)量一定情況下,垃圾替代率越高的瀝青混合料可以攤鋪更大面積的路面,有利于節(jié)約建筑材料.

圖12 馬歇爾試件物理指標(biāo)量測(cè)過程

圖13 試件毛體積密度-替代率關(guān)系曲線

從圖14看出,試件空隙率隨垃圾替代率的增加出現(xiàn)先增大后減小最后又略微提升的現(xiàn)象,但總體曲線呈現(xiàn)下降變化趨勢(shì),當(dāng)替代率超過40 %時(shí),其空隙率已低于規(guī)范限值12 %[18],說明建筑垃圾中的砂漿粉末及石灰磚粉末對(duì)瀝青混合料起到一定的填充效果.

圖14 試件空隙率-替代率關(guān)系曲線

3.2 標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件路用性能指標(biāo)

取各組替代率下混合料的馬歇爾試件測(cè)試結(jié)果的平均值進(jìn)行分析,,其標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度隨著垃圾替代率的增加出現(xiàn)先減少后增加隨后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象,如圖15所示.

圖15 標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度-替代率關(guān)系曲線

馬歇爾流值則隨垃圾替代率的增加出現(xiàn)先略微減小后迅速遞增的現(xiàn)象,總體趨勢(shì)為遞增,見圖16.標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度和流值主要反映瀝青混合料的強(qiáng)度及抗變形性能.從試驗(yàn)結(jié)果來看,建筑垃圾替代率為40 %工況下可以獲得最高的強(qiáng)度和最小的變形,表明其抗裂和抗車轍性能最好.但隨著替代率的增加,當(dāng)替代率超過40 %后其流值變化開始出現(xiàn)拐點(diǎn),但均未超過規(guī)范最大限值.主要是由于建筑垃圾中的再生混凝土及磚塊表面存在一定的損傷裂紋,在受力中由于裂紋開展吸收能量需要一定的變形量,進(jìn)而對(duì)其抗變形能力產(chǎn)生一定的影響.

圖16 標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾流值-替代率關(guān)系曲線

在馬歇爾試件的制備過程中,發(fā)現(xiàn)瀝青集料表面出現(xiàn)花白現(xiàn)象,說明實(shí)際瀝青用量不夠,因此需要根據(jù)不同替代率工況下對(duì)瀝青用量進(jìn)行微調(diào).試驗(yàn)研究表明,實(shí)際油石比隨垃圾替代率的增加而遞增最后趨于平穩(wěn),總體呈現(xiàn)遞增的變化趨勢(shì),當(dāng)垃圾替代率為60 %工況下的油石比高達(dá)6.5 %,超出理論油石比1.5 %,如圖17所示.由于建筑垃圾中的再生混凝土及再生磚塊表面存在裂紋及微小孔洞,相比替代率為0 %的純天然石料瀝青混合料,在攪拌過程中會(huì)吸收瀝青.雖然瀝青用量增加,但瀝青混合料的毛體積密度下降,說明同等質(zhì)量下可以攤鋪更多路面結(jié)構(gòu),因此未必會(huì)增加施工成本.

圖17 實(shí)際油石比-替代率關(guān)系曲線

3.3 浸水馬歇爾試件路用性能指標(biāo)

將標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件放入60 ℃恒溫水浴浸泡48 h后取出測(cè)其不同垃圾替代率下的水穩(wěn)定性.研究表明:試件浸水后的馬歇爾穩(wěn)定度隨垃圾替代率的增加出現(xiàn)先降低后增加最后又趨于平緩的變化,總體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),且所有穩(wěn)定度均大于規(guī)范的最小限值,而當(dāng)替代率為20 %時(shí)其浸水后穩(wěn)定度急劇降至9.82(規(guī)范最低限值8),說明20 %的垃圾替代率對(duì)試件的浸水后強(qiáng)度產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響,如圖18所示.圖19給出了不同垃圾替代率工況下的試件的殘留穩(wěn)定度隨替代率的變化關(guān)系,發(fā)現(xiàn)殘留穩(wěn)定度隨垃圾替代率的增加而增加,當(dāng)替代率為60 %時(shí),試件的殘留穩(wěn)定度達(dá)到最高77 %(接近規(guī)范最低限值80 %).由于本試驗(yàn)的建筑垃圾粉碎后未進(jìn)行吹洗等工序,其產(chǎn)生的堿性砂漿粉包裹在粗集料外表,堿性更有利于瀝青的粘結(jié),從而提高集料的抗剝落能力,使瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性,但這種積極影響需要滿足一定的垃圾替代率(約30 %)為前提,否則可能產(chǎn)生負(fù)面影響.

圖18 浸水馬歇爾穩(wěn)定度-替代率關(guān)系曲線

圖19 馬歇爾殘留穩(wěn)定度-替代率關(guān)系曲線

圖20給出了浸水后試件的馬歇爾流值隨垃圾替代率的變化關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著垃圾替代率的增加,馬歇爾流值先增加后下降最后又緩慢增加,最終的趨勢(shì)為遞增趨勢(shì),后半段與圖16的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾流值變化趨勢(shì)一致.當(dāng)建筑垃圾替代率為20 %工況下,其試件的浸水馬歇爾流值達(dá)到最大值約3.8,(接近規(guī)范最大限值4),主要由于建筑垃圾含量低,其堿性成分(砂漿粉)對(duì)粗集料的包裹不完全,不僅不能提高瀝青與粗集料的粘結(jié)力還破壞天然石子與瀝青有效粘結(jié)的完整性,加上粗集料(含建筑垃圾)由于吸水導(dǎo)致的強(qiáng)度下降等綜合因素的影響,最終導(dǎo)致其抗變形能力下降,圖9(浸水試件外觀破損程度)和圖18(浸水試件穩(wěn)定度急劇下降)也說明這點(diǎn).當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件浸水48 h后(水溫60 ℃),采用將試件從水浴中取出迅速擦干表面殘留水并稱重的方法測(cè)定試件的吸水率.如圖21所示,試件吸水率隨建筑垃圾替代率的增出現(xiàn)先急劇增加后緩慢增加的變化趨勢(shì),混合料的吸水率明顯要大于規(guī)范規(guī)定的集料允許最大吸水率.

圖20 浸水馬歇爾流值-替代率關(guān)系曲線

圖21 試件吸水率-替代率關(guān)系曲線

主要由于建筑垃圾中的再生混凝土和磚塊表面自帶損傷裂紋、多孔疏松,更容易吸收水分并留存在混合料內(nèi)部,同時(shí)集料顆粒間隙也容易吸水.因此,在多雨地區(qū)使用時(shí)要注意做好瀝青路面基層的防水措施.

4 結(jié)論

通過以建筑垃圾中的混凝土和石灰磚為主要成分并按一定比例混合替代瀝青混合料中的粗集料,開展不同垃圾替代率工況下的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn),得出以下結(jié)論:

(1)40 %垃圾替代率下的再生瀝青混合料具有較好路用性能,其標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度和流值達(dá)到最優(yōu).

(2)垃圾替代率越高其實(shí)際油石比應(yīng)適當(dāng)提高,由于毛體積密度下降其工程經(jīng)濟(jì)性未必受到影響.

(3)在替代率≥30 %的前提下,建筑垃圾對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性有積極影響.

(4)再生集料瀝青混合料的吸水率隨垃圾替代率增加而變大,建議做好瀝青路面基層的防水措施.

(5)采用建筑垃圾再生的瀝青混凝土路面在施工中應(yīng)注意加強(qiáng)碾壓以保證壓實(shí)度.

采用建筑垃圾中的混凝土和石灰磚為再生粗集料的瀝青混凝土中,其高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性等其他路用性能指標(biāo)有待進(jìn)一步的試驗(yàn)研究.