再生骨料制備二灰穩(wěn)定碎石性能試驗(yàn)研究

張思雨，劉通，孫嘉卿，叢干文，姜明，劉妍，全洪珠

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東青島 266109；2. 東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，山東青島 266401)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，我國(guó)每年產(chǎn)生數(shù)億噸的建筑垃圾，而建筑垃圾資源化利用率不足10%，遠(yuǎn)低于日本、歐盟、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和組織的90%～100%，且我國(guó)對(duì)建筑垃圾的研究主要集中在資源化的必要性上，在應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)研究和實(shí)踐不夠充分[1-2]。二灰穩(wěn)定碎石是將石灰、粉煤灰和級(jí)配碎石與一定量的水拌合，通過(guò)碾壓、養(yǎng)護(hù)而產(chǎn)生強(qiáng)度的一種半剛性結(jié)構(gòu)。二灰穩(wěn)定碎石層建成后遇水不泥濘，表面堅(jiān)實(shí)，是道路基層的理想材料。目前，國(guó)內(nèi)使用再生骨料制備二灰穩(wěn)定碎石層的研究取得了一定進(jìn)展[3-4]，但與國(guó)外相比，仍然存在著明顯的差距。

本研究從再生骨料基本物理性能角度出發(fā)，以二灰劑量(二灰質(zhì)量占骨料與二灰質(zhì)量和的比例)、二灰之間的質(zhì)量比為變量，采用文獻(xiàn)[5-6]的方法制備二灰穩(wěn)定碎石，研究其力學(xué)性能和抗凍性能，最終確定了再生骨料作為二灰穩(wěn)定碎石材料具有可行性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用石灰的物理性能見(jiàn)表1，粉煤灰物理性能見(jiàn)表2，再生粗骨料由青島綠帆再生建材有限公司提供，其物理性能見(jiàn)表3，拌和用水為自來(lái)水。

表1 石灰物理性能Table 1 Physical properties of lime 單位：%

表2 粉煤灰物理性能Table 2 Physical properties of fly ash 單位：%

表3 再生粗骨料物理性能Table 3 Physical properties of recycled coarse aggregate

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中，再生骨料制備的二灰穩(wěn)定碎石技術(shù)指標(biāo)要求為：7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1.0 MPa，劈裂強(qiáng)度為0.4～0.6 MPa，變異系數(shù)小于10%，且經(jīng)過(guò)10次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率小于3%、強(qiáng)度損失率小于25%。參考文獻(xiàn)[7-8]，將粒徑分別為0～5 mm、5～10 mm、10～25 mm的再生骨料按質(zhì)量比45∶22∶33混合，二灰劑量(二灰質(zhì)量占骨料與二灰質(zhì)量和的比例)設(shè)置為10%、15%、20%、25%(分別對(duì)應(yīng)試件編號(hào)中的A、B、C、D)，石灰粉與粉煤灰質(zhì)量比(二灰質(zhì)量比，r)設(shè)置為1∶2、1∶3、1∶4(分別對(duì)應(yīng)試件編號(hào)中的1、2、3)，共12組配合比。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，每組配合比摻和水質(zhì)量分別占二灰與碎石總質(zhì)量的7%、8%、9%、10%、11%，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，以確定每組配合比的二灰穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度，最佳含水量即為二灰穩(wěn)定碎石的用水量。按配合比稱量原材料，并放入瓷盤中攪拌均勻，使用保鮮膜覆蓋，靜置2 h后放入模具，使用混凝土壓力機(jī)使試件成型，形成尺寸為φ100 mm×100 mm的圓柱體試件。對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，達(dá)到規(guī)定齡期后，根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[10]方法，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和抗凍融循環(huán)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)

不同二灰劑量的再生骨料二灰穩(wěn)定碎石的最佳含水量與最大干密度之間的關(guān)系如圖1所示。通過(guò)分析數(shù)據(jù)可得，在12組配合比中，干密度隨含水量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋涸黾雍亢?，混合料由開(kāi)始時(shí)的未飽和狀態(tài)逐漸變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，干密度因此升高；隨著含水量的進(jìn)一步升高，混合料呈過(guò)飽和狀態(tài)，干密度減小。各組二灰穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水量見(jiàn)表4。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果確定二灰穩(wěn)定碎石的參數(shù)，得再生骨料二灰穩(wěn)定碎石的配合比設(shè)計(jì)用量見(jiàn)表5。

表4 不同配合比二灰碎石最大干密度和最佳含水量Table 4 Maximum dry density and optimum water content of limefly ash macadam with different mix proportion

表5 二灰穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)Table 5 Mix design of limefly ash stabilized macadam 單位：kg/m3

A. 二灰劑量為10%；B. 二灰劑量為15%；C. 二灰劑量為20%；D. 二灰劑量為25%。圖1 二灰穩(wěn)定碎石的干密度隨含水量的變化Fig. 1 Variation of dry density of limefly ash stabilized macadam with water content 注：r為石灰粉與粉煤灰質(zhì)量比。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知：隨著二灰劑量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本呈增大趨勢(shì)；二灰劑量相同時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨r的減小呈先增大后減小趨勢(shì)[11]；二灰劑量≥10%時(shí)，試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于1.0 MPa，滿足相關(guān)規(guī)范[10]要求。

7 d劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。試件的劈裂強(qiáng)度與碎石含量、碎石與石灰粉、煤灰之間的粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)[12]。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，隨著二灰劑量的增加，劈裂強(qiáng)度逐漸增加。二灰劑量≥10%時(shí)，劈裂強(qiáng)度大于0.3 MPa，且變異系數(shù)小于10%，滿足規(guī)范要求[10]。

表6 二灰穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度Table 6 The unconfined compressive strength and splitting strength of limefly ash stabilized macadam

2.3 抗凍融循環(huán)性能

二灰穩(wěn)定碎石凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。經(jīng)過(guò)10次凍融循環(huán)，12組不同配合比的再生骨料二灰穩(wěn)定碎石的質(zhì)量損失率均小于3%，強(qiáng)度損失率均小于25%，滿足規(guī)范要求[10]。r相同時(shí)，試件的強(qiáng)度損失率隨二灰劑量的增加整體呈減小趨勢(shì)(經(jīng)分析，圖3中B3誤差較大，可能是試件在成型過(guò)程中拌制不均，導(dǎo)致其強(qiáng)度損失率偏大)。二灰劑量相同時(shí)，試件的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率隨r的減小呈先減小后增大趨勢(shì)。

圖2 二灰穩(wěn)定碎石凍融后的質(zhì)量損失率Fig. 2 Mass loss rate of limefly ash stabilized macadam after freeze-thaw

圖3 二灰穩(wěn)定碎石凍融后的強(qiáng)度損失率Fig. 3 Strength loss rate of limefly ash stabilized macadam after freeze-thaw

3 結(jié)論

本文以二灰劑量和二灰之間的質(zhì)量比為變量，制備12種不同配合比的再生骨料二灰穩(wěn)定碎石，對(duì)再生骨料二灰穩(wěn)定碎石力學(xué)性能和抗凍性能進(jìn)行基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1)隨二灰劑量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本呈增大趨勢(shì)。在碎石比例一定的情況下，再生骨料二灰穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨二灰質(zhì)量比的減小呈先增大后減小趨勢(shì)。

(2)試件的抗凍性能隨著二灰劑量的增加而增強(qiáng)，隨二灰質(zhì)量比的減少呈先增強(qiáng)后減弱趨勢(shì)。二灰劑量為25%，二灰質(zhì)量比為1∶3時(shí)，10次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率最低，抗凍性能最好。

(3)綜合無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)與抗凍融循環(huán)試驗(yàn)，二灰劑量≥10%時(shí)，再生骨料制備的二灰穩(wěn)定碎石各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范要求，可用于實(shí)際施工。