摘要: 水泥路面養(yǎng)護(hù)、改建產(chǎn)生廢棄混凝土塊加以破碎、篩分, 利用篩分后的優(yōu)質(zhì)集料( 粒徑4.75～31.5mm) 重新應(yīng)用于道路工程水泥穩(wěn)定基層、級配碎石、水泥混凝土等, 不僅有利于環(huán)境保護(hù), 同時(shí)降低了工程造價(jià)。文章首先通過再生粗集料物理、力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn), 提出再生粗集料混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。然后對再生水泥混凝土的力學(xué)性質(zhì), 干縮性、抗凍性、耐磨耗等耐久性, 以及疲勞等路用性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明: 利用再生粗集料混凝土修筑水泥路面, 能夠滿足道路的技術(shù)要求。
關(guān)鍵詞: 再生集料; 再生混凝土; 水泥路面; 路用性能
中圖分類號(hào): U416.216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
水泥混凝土路面強(qiáng)度高, 耐久性好, 是我國重要的高等級路面結(jié)構(gòu)型式。隨著水泥混凝土路面修筑技術(shù)的推廣與應(yīng)用, 我國水泥路面發(fā)展較快, 高等級公路水泥路面總里程由1993 年的28049km 上升到2002 年的150117km。在路面使用中后期, 隨著累計(jì)交通量增加、環(huán)境因素的影響, 水泥路面將會(huì)出現(xiàn)破碎、下沉、錯(cuò)臺(tái)、板角斷裂等病害, 并且隨著使用年限的遞增, 破損面積將逐年成上升趨勢。在路面維修與改建過程中, 如果采用破碎設(shè)備將廢棄混凝土塊加以破碎、篩分, 利用篩分后的優(yōu)質(zhì)集料( 粒徑4.75～31.5mm) 重新配制不同強(qiáng)度等級混凝土, 應(yīng)用于道路工程, 不僅有利于環(huán)境保護(hù), 同時(shí)降低了工程造價(jià)[1,2]。
本文結(jié)合合寧( 安徽段) 、高界高速公路養(yǎng)護(hù)與改建工程實(shí)例, 通過室內(nèi)再生粗集料物理、力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn), 提出再生粗集料混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。然后對再生混凝土的力學(xué)性質(zhì), 干縮性、抗凍性、耐磨耗等耐久性能進(jìn)行系統(tǒng)研究, 為再生混凝土在道路工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。
1 再生粗集料技術(shù)性質(zhì)
路面廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分后, 再生粗集料按最大公稱粒徑分為兩個(gè)粒級, 分別為4.75 ~19.0mm、19.0~31.5mm。其物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)見表1、表2。
表1 說明再生粗集料表觀密度、針片狀含量、堅(jiān)固性、堿集料反應(yīng)等物理指標(biāo)均滿足規(guī)范要求, 空隙率偏大降低了再生混凝土的工作性, 吸水率偏大需增加混凝土用水量。表2 再生粗集料壓碎值較一般的集料稍大,對水泥混凝土性質(zhì)有一定的影響。
2 再生粗集料混凝土配合比設(shè)計(jì)
同普通混凝土一樣, 再生粗集料混凝土配合比要滿足強(qiáng)度、工作性、耐久性等技術(shù)要求。由于水泥混凝土路面設(shè)計(jì)以混凝土彎拉強(qiáng)度作為控制指標(biāo), 再生粗集料混凝土配合比設(shè)計(jì)以彎拉強(qiáng)度計(jì)算水灰比。用水量應(yīng)根據(jù)再生粗集料吸水率大的特點(diǎn), 增加再生粗集料的吸水量。針對再生粗集料空隙率、磨耗率偏大的特點(diǎn), 合理選用砂率、減水劑以保證混凝土的工作性與混凝土的耐磨性。
本次配合比設(shè)計(jì)過程中, 粗集料采用再生集料,4.75 ~19.0mm∶19.0 ~31.5mm=2 ∶3; 細(xì)集料采用天然粗砂, 細(xì)度模數(shù)為2.8; 外加劑: JM 型高效減水劑; 水泥: 采用巢東牌PO42.5, 水泥初終凝時(shí)間、安定性均滿足要求。再生混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C25、C30、C35, 通過比選, 擬定了不同強(qiáng)度等級混凝土配合比,并對混凝土的工作性、強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了測試, 結(jié)果見表3。
表3 說明不同強(qiáng)度等級再生混凝土的工作性、含氣量滿足規(guī)范要求。28 天抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求, 說明再生混凝土在道路工程中應(yīng)用能滿足工程要求。
3 再生粗集料混凝土路用性能
再生混凝土的路用性能包括混凝土力學(xué)性能, 干縮性、抗凍性、耐磨耗等耐久性能, 以及混凝土疲勞等性能。
(1) 再生粗集料混凝土力學(xué)性能
① 彎拉強(qiáng)度隨齡期變化
水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以彎拉強(qiáng)度作為強(qiáng)度指標(biāo)。按表3 再生混凝土配合比制備不同強(qiáng)度等級混凝土試件, 測定再生混凝土3、7、28、90 天彎拉強(qiáng)度, 考察再生混凝土彎拉強(qiáng)度隨齡期增長規(guī)律。結(jié)果見表4。
表4 說明再生混凝土與普通混凝土有相似強(qiáng)度增長規(guī)律, 并且28 天后彎拉強(qiáng)度增長幅度不大。
?、?彎拉強(qiáng)度( fr) 與劈裂強(qiáng)度( fsp) 關(guān)系再生混凝土應(yīng)用于道路工程, 通常以混凝土取芯劈裂強(qiáng)度作為質(zhì)量評定依據(jù)。為建立彎拉強(qiáng)度( fr) 與劈裂強(qiáng)度( fsp) 關(guān)系, 根據(jù)不同強(qiáng)度等級再生混凝土, 選取8組成型試件, 通過對試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析, 得出如下彎拉強(qiáng)度( fr) 與劈裂強(qiáng)度( fsp) 經(jīng)驗(yàn)公式, 相關(guān)系數(shù)為0.939fr=1.924+0.908fsp上式與Narrow 等[4]人的普通混凝土fr=1.639+1.028fsp 相近, 說明再生混凝土的斜率比普通混凝土偏緩, 隨著劈裂強(qiáng)度增大, 對應(yīng)彎拉強(qiáng)度較普通混凝土低。
③ 彎拉強(qiáng)度與彎拉彈性模量關(guān)系
彎拉彈性模量是水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)重要參數(shù)。為建立彎拉強(qiáng)度( fr) 與彎拉彈性模量( Ec) 關(guān)系,根據(jù)不同強(qiáng)度等級再生混凝土, 通過對試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析, 得出如下彎拉強(qiáng)度( fr) 與彎拉彈性模量( Ec) 經(jīng)驗(yàn)公式, 相關(guān)系數(shù)為0.99。Ec=8.09+3.81fr
由上式彎拉強(qiáng)度3.5~5.5MPa 范圍推算的再生混凝土彎拉彈性模量見表5。表5 反映再生混凝土彎拉模量比普通混凝土低12%~14%, 說明再生混凝土變形能力優(yōu)于普通混凝土。
(2) 再生粗集料混凝土耐久性能
?、?再生粗集料混凝土干縮性能干縮是水泥混凝土路面主要性能之一, 與原材料、材料組成、水灰比等許多因素有關(guān), 并影響混凝土板塊劃分。本次研究以相同強(qiáng)度等級C35 分別制備再生混凝土和普通混凝土, 測定1、3、7、14、28、60、90 天干縮率。結(jié)果表明: 再生混凝土與普通混凝土干縮率隨齡期增長而增大, 后期增長緩慢; 前28 天再生混凝土干縮率比普通混凝土高約16%~25.3%左右, 90 天約高于13.4%。粗集料在混凝土結(jié)構(gòu)中作為骨架, 水泥砂漿填充于骨架中作為結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)組份。在配合比和環(huán)境條件相同時(shí), 混凝土收縮率取決于粗集料和砂漿的收縮率。由于再生粗集料中含有大量舊砂漿, 其收縮率顯然高于普通混凝土集料。因此使用再生粗集料制備的再生集料混凝土, 其收縮率會(huì)高于普通混凝土。
?、?抗凍性能
抗凍性是水泥混凝土路面抵抗水和負(fù)溫反復(fù)作用的能力。以相同強(qiáng)度等級C35 分別制備再生混凝土和普通混凝土, 測定再生混凝土和普通混凝土相對動(dòng)彈性模量變化, 比較各自抗凍性能。結(jié)果見表6。由表6 反映再生混凝土與普通混凝土凍融次數(shù)達(dá)到100 次, 相對動(dòng)彈性模量變化在60%以上, 并且二者抗凍試驗(yàn)結(jié)果變化不大。
?、?耐磨性能
水泥混凝土路面長期經(jīng)受行車荷載的反復(fù)作用, 要求路面具有很高的耐磨能力。磨損量是評定水泥混凝土耐磨性重要指標(biāo)。按表3 再生混凝土配合比制備不同強(qiáng)度等級再生混凝土試件, 并與相同強(qiáng)度等級普通混凝土的磨損量進(jìn)行比較, 結(jié)果見表7。
表7 說明再生混凝土的磨損量比普通混凝土高出4.9%~9.2%,并且隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高, 二者磨損量相差不大。
(3) 再生混凝土疲勞性能
疲勞特性是混凝土面板的主要力學(xué)性能。東南大學(xué)季天劍等[6]通過對再生水泥混凝土的疲勞性能試驗(yàn)研究,結(jié)果表明再生水泥混凝土的疲勞規(guī)律與普通水泥混凝土相似, 而且在高應(yīng)力水平狀態(tài)下, 再生水泥混凝土的疲勞壽命較高。因此, 使用再生水泥混凝土修建的水泥混凝土路面, 完全能夠滿足混凝土面板的力學(xué)性能要求。
4 結(jié)語
再生材料應(yīng)用技術(shù)的研究是一直關(guān)注的課題, 對節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境具有重要的意義。本文通過對水泥混凝土路面破碎后的再生碎石的粗集料物理、力學(xué)性質(zhì),由此形成的再生水泥混凝土的強(qiáng)度性能, 干縮性、抗凍性、耐磨耗等耐久性能試驗(yàn)測試及分析, 可以得到以下結(jié)論:
(1) 利用再生粗集料形成的水泥混凝土修筑水泥混凝土路面, 能夠滿足道路的技術(shù)要求。
(2) 再生粗集料表觀密度、針片狀含量、堅(jiān)固性、堿集料反應(yīng)等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求, 空隙率、吸水率、磨耗率等指標(biāo)稍超出規(guī)范范圍。因此, 再生混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮再生粗集料特征, 合理選用砂率、減水劑以保證混凝土的工作性與混凝土的耐久性。
(3) 再生混凝土路用性能: 在力學(xué)方面, 再生混凝土具有較高抗彎拉強(qiáng)度, 彎拉強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度、彎拉彈性模量具有較好相關(guān)性, 并且再生混凝土彎拉模量比普通混凝土低12%~14%, 說明再生混凝土變形能力優(yōu)于普通混凝土; 耐久性方面, 再生混凝土抗凍性與普通混凝土差別不大, 干縮性再生混凝土偏高, 磨損量比普通混凝土高出4.9%~9.2%,并且隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高, 二者磨損量相差不大; 疲勞方面, 再生水泥混凝土的疲勞規(guī)律與普通水泥混凝土有相似疲勞規(guī)律。
參考文獻(xiàn)：
[1] 肖建莊，等.廢棄混凝土破碎及再生工藝研究[J].建筑技術(shù)，2005,36(2):141- 144
[2] 肖益民，等.合寧高速公路水泥混凝土路面再生利用的研究[C].第四界國際道路和機(jī)場路面技術(shù)大會(huì)論文集，2002.
[3] JTJF30- 2003，公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范[S].
[4] 姚祖康.路面（公路設(shè)計(jì)手冊）[M].北京：人民交通出版社，1999.
[5] JTJD40- 2002,公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[6] 季天劍，等.再生水泥混凝土疲勞性能[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002(06):16- 18.
