再生黏土磚細(xì)集料在水泥穩(wěn)定碎石基層中的試驗(yàn)研究

吳興輝 黃昕

【摘? 要】論文通過(guò)將水泥穩(wěn)定碎石基層混合料中的天然碎石細(xì)集料采用再生黏土磚細(xì)集料部分取代，并進(jìn)行擊實(shí)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂等試驗(yàn)研究，探討其作為集料應(yīng)用于城市道路基層的可能性。結(jié)果表明，混合料最大干密度與再生黏土磚細(xì)集料取代率負(fù)相關(guān)，而最佳含水率與其正相關(guān);在水泥劑量保持不變的情況下，再生黏土磚細(xì)集料對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響小于對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響;在摻入5%水泥及混合料級(jí)配滿(mǎn)足規(guī)范要求的條件下，混合料中細(xì)集料被再生黏土磚細(xì)集料的取代率小于40%時(shí)，混合料能達(dá)到目前規(guī)范中對(duì)基層的要求，可用作道路基層的水泥穩(wěn)定材料。

【Abstract】By partially replacing the natural macadam fine aggregate in the cement stabilized macadam base mixture with recycled clay brick fine aggregate， and conducting experimental studies on compaction， unconfined compression strength and splitting， this paper discusses the possibility of its application as aggregate in urban road base. The results show that the maximum dry density of the mixture is negatively correlated with the substitution rate of fine aggregate of recycled clay brick， while the optimum moisture content is positively correlated with it. When the cement dosage remains unchanged， the effect of recycled clay brick fine aggregate on splitting strength is less than that on unconfined compression strength. Under the condition that 5% cement is mixed and the gradation of the mixture meets the requirements of the specification， and the substitution rate of fine aggregate in the mixture by the recycled clay brick fine aggregate is less than 40%， the mixture can meet the requirements for base in the current specification and can be used as cement stabilized material for road base.

【關(guān)鍵詞】基層;再生黏土磚細(xì)集料;天然碎石細(xì)集料;取代率;試驗(yàn)

【Keywords】base; recycled clay brick fine aggregate; natural macadam fine aggregate; substitution rate; experiment

【中圖分類(lèi)號(hào)】U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）11-0188-03

1 引言

隨著城市建設(shè)與改造的提速，一方面，造成了固體廢物產(chǎn)生量持續(xù)增長(zhǎng)，固體廢物污染防治形勢(shì)日益嚴(yán)峻的情況。有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，2020年我國(guó)建筑垃圾達(dá)到約26億噸，據(jù)保守估計(jì)2030年將達(dá)到73億噸，不僅侵占大量土地資源，而且造成許多環(huán)境污染問(wèn)題。另一方面，各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)天然建筑材料的需求量持續(xù)增長(zhǎng)，造成資源枯竭，表現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展與地材短缺矛盾日益突出的特點(diǎn)。以二級(jí)瀝青公路為例，假設(shè)路面結(jié)構(gòu)層厚度為0.5m，路面寬為20m，那么每公里消耗的砂石等材料將達(dá)到2萬(wàn)噸。在這種情況下，開(kāi)展建筑垃圾差異化利用，采用建筑垃圾再生材料將砂石材料替代是解決筑路材料短缺及建筑垃圾圍城的有效途徑之一。隨著國(guó)家對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的日益重視，建筑垃圾資源化利用工作也在各地開(kāi)展起來(lái)。例如，廢混凝土塊、廢磚瓦等再生集料可用來(lái)生產(chǎn)再生混凝土、再生磚、路基填料等，且再生骨料能夠有效降低40%以上的建設(shè)成本，在成本上優(yōu)勢(shì)明顯。

在道路建設(shè)方面，國(guó)外對(duì)建筑垃圾的利用較早。美國(guó)約68%的再生骨料被用于道路建設(shè)[1];德國(guó)在路基路面的建設(shè)中實(shí)現(xiàn)了87%的再生骨料利用率[2];日本則達(dá)到了99%。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想，對(duì)再生黏土磚集料開(kāi)展了廣泛研究。例如，肖杰等[3]利用電子顯微鏡和工業(yè)CT對(duì)集料進(jìn)行掃描，并通過(guò)試驗(yàn)證明磚混混合再生集料是可以應(yīng)用于水泥穩(wěn)定基層材料的;陳朝金[4]通過(guò)對(duì)水泥穩(wěn)定再生廢磚塊集料的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)碎磚塊集料可用于各等級(jí)公路基層或底基層;張力[5]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，含磚粉碎料水泥穩(wěn)定再生集料可用于道路基層;趙德賀等[6]研究提出，黏土磚含量控制在30%以下是保證其路用性能良好的關(guān)鍵;王琦[7]通過(guò)研究建筑垃圾中石屑、碎磚路用性能，為遼陽(yáng)地區(qū)道路建設(shè)應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持;李哲等[8]通過(guò)對(duì)路用建筑垃圾擊實(shí)特性的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)配合料比例為40%磚渣，30%混凝土渣，30%砂漿時(shí)更加適用于路基填筑;余紅明等[9]進(jìn)行了磚混骨料再生道路水泥穩(wěn)定基層的路用性能與有限元模擬研究，表明磚混骨料的路用性能滿(mǎn)足城鎮(zhèn)道路對(duì)水泥穩(wěn)定類(lèi)基層的要求;王瑩[10]對(duì)建筑垃圾黏土磚細(xì)集料在水泥穩(wěn)定碎石底基層中的應(yīng)用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在道路底基層中用再生黏土磚細(xì)集料替換天然集料的最佳替換率為20%。在實(shí)際工程應(yīng)用方面，北京市、陜西省、山東省、河北省、吉林省等多地均有將磚混類(lèi)再生骨料用于基層、底基層施工建設(shè)的案例，這些工程的實(shí)施，不但節(jié)省了建筑垃圾外運(yùn)的費(fèi)用，減少了存儲(chǔ)對(duì)土地的占用，降低了天然砂石集料的開(kāi)采與加工對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞與污染，而且使得工程費(fèi)用降低，大量資金得到節(jié)約，社會(huì)效益顯著。

本研究依托渭東新城建設(shè)項(xiàng)目的一級(jí)、二級(jí)城市道路建設(shè)，對(duì)項(xiàng)目區(qū)拆遷產(chǎn)生的建筑垃圾黏土磚以細(xì)集料形式部分取代天然碎石細(xì)集料在水泥穩(wěn)定碎石基層的應(yīng)用開(kāi)展試驗(yàn)研究，探討其作為集料應(yīng)用于城市道路基層的可能性，為后期項(xiàng)目的建設(shè)提供理論支撐。

2 原材料

研究中水泥采用普通硅酸鹽P·O42.5（緩凝）水泥，其主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

由表1可以看出，試驗(yàn)所用水泥各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合JTJ/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》的要求。為防止水泥穩(wěn)定碎石基層因收縮產(chǎn)生裂縫，水泥穩(wěn)定碎石基層中水泥用量不宜超過(guò)6%，且考慮混合料需要一定的強(qiáng)度，故本研究中水泥劑量取常用的5%。

試驗(yàn)所用粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為經(jīng)破碎后具有一定級(jí)配的黏土磚和石灰?guī)r。材料檢測(cè)結(jié)果為石灰?guī)r碎石壓碎值為23.3%，吸水率為0.5%;磚塊壓碎值為29.5%，吸水率為10.58%。

3 試驗(yàn)方案

3.1 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

將篩分后的再生黏土磚細(xì)集料和天然碎石集料按照表2中的要求，分別回配成石灰?guī)r粗集料、石灰?guī)r石屑細(xì)集料和再生黏土磚細(xì)集料，然后設(shè)計(jì)了利用再生黏土磚細(xì)集料按照0%、20%、40%、60%、80%、100%的比例分別取代石灰?guī)r石屑作為混合料中的細(xì)集料制作了6組試件。

3.2 試件制備

本次試驗(yàn)中，試件主要有φ150mm且徑高比為1的圓柱體試件。圓柱體試件主要用于抗壓強(qiáng)度、劈裂試驗(yàn)。試件根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算每份料的質(zhì)量和加水量，然后采用靜壓法成型，壓實(shí)度控制在98%。

3.3 測(cè)試方法簡(jiǎn)述

試驗(yàn)按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，試件養(yǎng)生齡期分別為7d、28d、90d;試件養(yǎng)生條件為溫度20±2℃，相對(duì)濕度不小于95%。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 擊實(shí)特性

隨再生黏土磚細(xì)集料取代率變化，最大干密度和最佳含水率的對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，隨著再生黏土磚取代率的增加，混合料的最大干密度逐漸降低，干密度的變化范圍為2.386～2.209g/cm3，最佳含水率逐漸增加，含水率的變化范圍為5.4%～10.9%。其中當(dāng)再生黏土磚摻量為0%時(shí)對(duì)應(yīng)最大干密度為2.386g/cm3，最佳含水率為5.4%。試驗(yàn)中，6組混合料的級(jí)配完全一致，之所以出現(xiàn)此種情況是因?yàn)樵偕ね链u的表觀(guān)密度較天然碎石小，相同體積的質(zhì)量較小;再生黏土磚細(xì)集料本身孔隙率大，相比于天然碎石吸水率大。

4.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

隨再生黏土磚細(xì)集料取代率變化，不同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖2。

由圖2可知，在水泥劑量一定的情況下，混合料不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與再生黏土磚細(xì)集料取代率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且在細(xì)集料取代率大于40%的條件下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低較為迅速;但隨著齡期增加，未水化的水泥顆粒開(kāi)始水化，水泥水化物與集料結(jié)合使得混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所提高。曲線(xiàn)中取代率為0%時(shí)7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為6.5MPa，當(dāng)混合料中細(xì)集料由再生黏土磚細(xì)集料取代率為20%、40%、60%、80%、100%時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為取代率為0%時(shí)的93.8%、84.6%、63.1%、53.8%、41.5%。

根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》要求，對(duì)于一級(jí)公路重交通情況，水泥穩(wěn)定材料基層7d齡期無(wú)側(cè)限強(qiáng)度為4.0～6.0MPa，考慮實(shí)際施工過(guò)程中水泥劑量波動(dòng)值為±0.5%，故取抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為5.0MPa，經(jīng)計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的細(xì)集料摻量為43.3%。為便于施工，可取再生黏土磚細(xì)集料取代石屑細(xì)集料質(zhì)量的40%為最大取代率。

4.3 劈裂強(qiáng)度

隨再生黏土磚細(xì)集料取代率變化，不同齡期劈裂強(qiáng)度的對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖3。

由圖3可知，同一水泥劑量下，隨著再生黏土磚細(xì)集料取代率增大，28d、90d劈裂強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，但劈裂強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)而提高。其機(jī)理主要是由于新的水泥漿體將未水化的水泥顆粒表面包裹，對(duì)水分進(jìn)入水泥顆粒表面造成阻礙，削弱并阻礙了水泥顆粒的進(jìn)一步水化。曲線(xiàn)中取代率為0%時(shí)，對(duì)應(yīng)的90d劈裂強(qiáng)度為0.72MPa，對(duì)應(yīng)的取代率為20%、40%、60%、80%、100%時(shí)對(duì)應(yīng)的劈裂強(qiáng)度為取代率為0%時(shí)的97.2%、91.6%、86.1%、79.1%、73.6%。根據(jù)15MR201《城市道路——瀝青路面》對(duì)水泥穩(wěn)定類(lèi)集料劈裂要求大于0.5MPa的規(guī)定可知，本次試驗(yàn)所有再生黏土磚細(xì)集料取代率的試件，其劈裂強(qiáng)度都滿(mǎn)足規(guī)定。

將無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，再生黏土磚細(xì)集料取代率的增加對(duì)混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響明顯高于對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響，其機(jī)理主要是由于混合料中集料本身的強(qiáng)度和內(nèi)部粘結(jié)力共同作用導(dǎo)致的?；旌狭显诔尚秃徒?jīng)過(guò)一定齡期的養(yǎng)護(hù)后，主要由集料顆粒、水泥石與集料表面的界面過(guò)渡區(qū)和水泥石3部分組成，而以往的研究也證明了在劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)中，與試件的拉伸試驗(yàn)破壞模式相近，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞模式也大多是過(guò)渡區(qū)先發(fā)生破壞，所以過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響較大。再生黏土磚細(xì)集料顆粒表面相對(duì)于天然碎石而言，表面更粗糙且孔隙多，在混合料的拌和過(guò)程中，再生黏土磚細(xì)顆粒表面更容易被水泥漿滲入;而且由于再生黏土磚細(xì)集料往往含有一定量的活性物質(zhì)，使得更多的生成物在水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生。這2種因素共同作用，使得摻入再生黏土磚細(xì)集料后的水泥穩(wěn)定碎石比普通天然細(xì)集料的水泥穩(wěn)定碎石的粘聚力有所提高。故而雖然再生黏土磚細(xì)集料強(qiáng)度較低，影響了混合料的劈裂強(qiáng)度，但在一定程度上混合料粘聚力的增加又抵消了這部分影響。

5 結(jié)論

①混合料最大干密度與再生黏土磚細(xì)集料取代率負(fù)相關(guān)，而最佳含水率與再生黏土磚細(xì)集料取代率正相關(guān)。

②在水泥劑量一定的情況下，混合料不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度與再生黏土磚細(xì)集料取代率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;再生黏土磚細(xì)集料取代率的增加對(duì)混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響明顯高于對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響。

③在P·O42.5（緩凝）水泥摻入量為5%，并且混合料級(jí)配滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下，混合料中細(xì)集料被再生黏土磚細(xì)集料取代率小于40%時(shí)，混合料能達(dá)到目前規(guī)范中對(duì)基層的要求，可用作道路基層的水泥穩(wěn)定材料。此外，在實(shí)際施工當(dāng)中，應(yīng)考慮建筑磚塊的穩(wěn)定性，避免因?yàn)榇u塊中雜質(zhì)過(guò)多而引起強(qiáng)度不足問(wèn)題。

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