建筑废弃混凝土再生骨料在道路路基中的应用

张灵通,张 栋,李宝元,安美辰,吴智强,高俊涛

(新疆理工学院机电工程学院,新疆 阿克苏 843000)

0 引言

以阿克苏地区某县2022年道路维修改造项目施工为例,路线长度5314 m,原有路面为混凝土路面,经多年运行后路面的混凝土面层板出现沉陷或隆起、面层开裂破碎、接缝剥落等病害,已影响到路面车辆的行驶舒适性及交通安全。为了消除病害隐患,对原水泥混凝土路面铣刨,把原混凝土废弃物作为路基层上面重新铺设沥青,经过一年多的运行,路面没有出现裂缝、错台、隆起等病害,运行良好。由此可见,把固废混凝土作为路面基层具有可实现性、操作性,减小了直接清除原路面混凝土带来的材料浪费。随着我国新型城镇及新型工业的快速发展,基础设施建设全面推进,建筑固废的科学处理及资源化利用已成要迫切需要解决的问题。

选取阿克苏市郊区的建筑废弃混凝土及砖块,在结构实验室进行大块分解,剥离出混凝土块,用锤式破碎机进行破碎分解,对破碎后的混凝土块进行自动筛分、人工清洗,获得不同粒径区间的建筑固废骨料。针对道路各层特性,提出在路基中高掺量50%、60%、70%再生混凝土骨料,开展不同掺量的建筑固废混凝土无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量、抗冻性等路用性能[1-4]试验。

1 原材料特性

1.1 抗硫酸盐水泥

阿克苏地区分布着大量盐渍土,为了能够在硫酸盐盐渍土中推广该项技术,试验采用P.HSR 42.5抗硫酸盐水泥,技术指标见表1。

1.2 粗骨料

采用阿克苏地区筑路材料丰富的天然砾石。

1.3 建筑固废

采用的建筑固废为拆除、破碎、筛分过的混凝土楼板及框架柱,其压碎值、表观密度及吸水率见表2。

表2 建筑固废物理性能试验结果Tab.2 Results of physical performance test of building solid waste

从表2数据分析可知,建筑固废细骨料的吸水率比中粗骨料高,根据骨料粒径较小、吸水率增高的现象,压碎值满足规范中不大于30%的规定,可作为公路路基粗骨料使用。

2 高掺量再生混凝土骨料配合料

将天然砾石与建筑固废人工筛分,将破碎后的混凝土以质量比50%、60%、70%掺入混合料中,在实验室内调整混合料颗粒级配,令其满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)用于高速公路与一级公路底基层、二级及其以下等级公路基层的级配规范要求,级配见表3。

表3 建筑固废高掺量混合料级配Tab.3 Grading of high content mixture of construction solid waste

3 试验结果与分析

3.1 最佳含水率与最大干密度

依照《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)的击实试验来测试不同水泥剂量(3%、4%、5%、 6%),确定高掺量50%、60%、70%再生混凝土骨料的最大干密度ρ(g/cm3)与最佳含水量(%),见图1、图2。

图1 不同水泥剂量高参量最大干密度变化Fig.1 Variation of maximum dry density at different cement dosages

图2 不同水泥剂量高参量最大含水率变化Fig.2 Changes in maximum moisture content at different cement dosages

从图1、图2试验数据得出,在水泥剂量试验范围内,高掺量建筑固废水稳层的最大干密度随着掺量的增加呈下降的变化规律,最佳含水率呈现增加趋势。这是因为破碎后的再生混凝土骨料孔隙率与裂缝高于天然砾石,随着再生骨料的增加,混合料的密度下降,吸水量增加。在试验范围内水泥剂量的增加对再生骨料水稳层的最大干密度、最佳含水量影响不大,这是因为在水稳层水泥的用量不是很大,随着水泥用量增加,最佳含水率有小幅度上升,这主要是因为随着水泥的增加,更多的水参加水化反应。

3.2 无侧限抗压强度

依据《新疆公路沥青路面设计指导手册》与《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)要求,3种高掺配下废弃混凝土再生骨料的路基水泥稳定层试件采用 φ100 mm×100 mm 圆柱形,按照 JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》采用静压方式,试验试件用于 7 d、28 d、90 d 龄期的无侧限抗压强度,结果见图3。

图3 无侧限抗压强度实测结果Fig.3 Measured results of unconfined compressive strength

从图3实测结果得出,在养护龄期相同的条件下,随着固废混凝土掺量的增加,测得的无侧限抗压强度实测值在下降,这是因为建筑固废混凝土比天然砾石骨料孔隙率及裂缝都要高,压碎值大,掺量越多,强度下降得越多。3种高掺量7 d 无侧限抗压强度最低为2.76 MPa,均能满足《新疆公路沥青路面设计指导手册》对于水泥稳定材料在高速公路及一级公路中、轻交通道路的底基层与二级及二级以下公路基层 2～4 MPa的强度要求,高掺配50%的建筑固废还可用于高速公路及一级公路重交通和二级及二级以下公路特重交通道路的底基层。

3.3 劈裂强度

按照《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)操作规范,以工程中常用5%水泥剂量作为试验剂量,水泥稳定建筑固废砾石90 d龄期的劈裂强度结果见图4。

图4 不同掺量的建筑固废劈裂强度实测值Fig.4 Measured values of splitting strength of construction solid waste with different dosages

从图4可以看出,随着废弃混凝土掺量的增加,劈裂强度逐渐下降,高掺量60%～70%的劈裂强度实测值下降值比高掺量50%～60%下降值要大,这是因为固废混凝土本身性能使得掺和量越多,混合料中相对薄弱的部位越多,劈裂强度下降越快。

3.4 抗压回弹模量

以5%水泥剂量作为胶凝材料,在建筑固废质量比为0%、50%、60%、70% 的4组掺量下,水泥稳定层砾石在养护室温度20 ℃养护7 d、28 d、90 d,测定不同养护温度条件下的抗压回弹模量,为了保证试验结果的准确性,每组掺量取3个试验样品的平均值作为最终抗压回弹模量结果,试验结果见图5。

图5 抗压回弹模量试验结果Fig.5 Results of compressive rebound modulus test

由图5可知,在养护条件、养护周期相同时,随着建筑固废掺量的增加,抗压回弹模量降低。以7 d养护时间为例,没有掺入固废的3个试样平均抗压回弹模量为896 MPa,而高掺配70%的固废混凝土3个试样平均抗压回弹模量仅为356 MPa。这是因为掺入的固废混凝土在锤式破碎机破碎过程中产生大量的微裂纹,隙率高,固废表面包裹着水泥砂浆,由于水泥砂浆的亲水性导致再生骨料的吸水率大、堆积密度小、压碎指标高、硬化后的强度低、弹性模量低[6]。随着养护时间的增加,不同掺量的试件抗压回弹模量均增大。

3.5 建筑固废混凝土冻融循环试验

考虑到建筑固废混凝土需用于道路工程实际,受试验场地限制,结合当地气温,在室内制作模型进行冻融循环试验,以验证多次冻融后建筑固废混合料是否能够满足强度要求。试件3个为一组,每组数据为3个试件的平均值,温度变化区间设为-20 ℃～+20 ℃,冻融循环次数暂设定10次,以模拟在室外环境中冬春季节路基温度变化,测试建筑固废混凝土掺量为0%、50%、60%、70%时的抗压强度。试验结果见图6。

由图6可知,随着固废混凝土添加量的增加,试验值下降,这揭示了建筑物废弃的混凝土再次破碎后得到的骨料裂缝及气孔较多,经多次冻融循环后试件内部裂缝不断膨胀增多,骨料黏结力及结构稳定降低,表现为抗压强度值下降,掺和量越大,降低得越多。

4 结论

随着建筑废弃混凝土再生骨料混合料含量的增加,路基结构层的力学性能逐渐降低。推荐将配比参数为60%、70%的再生骨料混合料用于二级及以下公路路基基层中,配比参数为50%的再生骨料混合料运用于二级及以下公路路基水泥稳定层中,也可用于高速公路及一级公路重交通和二级及二级以下公路特重交通道路的底基层。通过工程实例证实,建筑固废在道路路基工程中的性能设计能够满足规范要求,为建筑固废高掺量再生骨料在道路工程中的应用推广提供了参考。