李涛

水泥混凝土路面板废弃料作为半刚性基层材料的研究

李涛

(广东省冶金建筑设计研究院有限公司 公路市政三所, 广东 广州, 510080)

为了解水泥混凝土面板破碎料作为半刚性基层材料的力学性能, 在室内完成了水泥混凝土路面板破碎料与石灰岩的压碎值、击实、无侧限抗压强度及劈裂强度等物理力学指标的对比试验, 结果表明: 水泥混凝土路面板破碎料的针片状、压碎值等指标均满足规范要求; 水泥混凝土路面板破碎料的最佳含水率较大, 同时无侧限抗压强度及劈裂强度均较石灰岩高; 水泥混凝土路面板破碎料可作为基层材料, 后期使用阶段具有良好的服役状态, 力学指标可满足高速及一级公路重载交通的规范要求。

水泥混凝土路面板破碎料; 物理指标; 最佳含水率; 道路再生资源

1 物理指标

室内试验所用破碎料材料均来源于湖南省某干线公路大修改造的施工现场。现场破除的水泥混凝土面板采用颚式破碎机进行二次破碎工艺处理, 完成除杂、归档工序后破碎料分为: 0～4.75 mm, 4.75～9.5 mm, 9.5～19.0 mm及19.0～31.5 mm 4档。室内对比试验所用的石灰岩为本地集料, 规格尺寸同上述破碎料。破碎料与石灰岩如图1、2所示, 其物理、力学指标如表1所示。

图1 石灰岩

图2 破碎料

表1 原材料的物理、力学指标

通过观察发现, 石灰岩表面光滑且棱角突出, 而破碎料颗粒被一层水泥胶凝的砂石包裹, 表面较粗糙。由表1可知, 与石灰岩材料相比, 破碎料的表观密度较小且吸水率大, 分析其原因有: ①破碎料外表粗糙、内部含有大量的孔隙, 同时二次破碎工艺导致内部存在微小的裂缝; ②破碎料表面粘附的灰尘颗粒、砂浆粉粒等材料具有一定的吸水性能; ③破碎料内部的水泥石成分含有大量的结晶水。通常, 结晶水在常温下属于稳定结构, 但在高温条件下内部结构极易被破坏、蒸发, 从而导致含水率偏大[2]; ④压碎值指标表明破碎料集料的强度比石灰岩高, 同时针片状指标显示破碎料的针片状指标较低, 表明混凝土面板废弃料经过两级破碎加工工艺后具有良好的棱角性, 其力学性能达到规范要求。通过表1的对比可知, 破碎料在压碎值、针片状颗粒含量等指标都较石灰岩优越, 符合规范要求[7], 能满足高速、一级公路重交通基层的技术要求。

2 力学指标

2.1 级配设计

混合料合成级配的设计以填充理论及粒子干涉理论为向导, 以粗集料形成相互嵌挤的骨架结构为目标, 采用细集料填充骨架结构间的空隙达到密实状态, 最终形成骨架密实性结构。相互嵌挤的骨架结构具有良好的内摩擦阻力, 同时密实结构提高了混合料的粘聚力, 使得该结构具有良好的动稳定性及耐久性[8–9]。根据美国伊利诺伊州交通局Robert. Bailey提出的贝雷法, 通过控制(Coarse Aggregate Ration)、FA(Coarse Portion of Fine Aggregate)、FA(Portion of Fine Aggregate)等指标的范围可以保证结构的骨架密实性。针对基层、面层混合料, 国内大量研究学者通过试验得到了、FA、FA等贝雷指标的有效范围[10–11]。进一步研究指出[12], 当0.85 << 1.0值时, 试件具有较高的抗压强度。因此本次不同材料无侧限抗压强度对比试验所设计的级配曲线从线型、贝雷指标等方面控制。混合料合成级配及其贝雷指标值见表2、3, 合成级配曲线见图3。

表2 混合料合成级配

注: 表中规范指《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20–2015), 规范上下限为C-B-3的级配范围。

表3 贝雷指标值

注: 建议值指文献[13–15]中推荐的贝雷指标范围。

图3 合成级配图

2.2 击实试验

采用重型击实试验(T0804–1994)[16]确定混合料的最大干密度及最佳含水率。《公路路面基层施工技术细则》指出, 当无机结合料选用P.O32.5级普通硅酸盐水泥, 基层中水泥掺量不应超过6.0%, 故本次试验水泥外掺5.0%。试验结果如表4、图4所示。

表4 击实试验结果

图4 击实拟合曲线

击实试验数据采用二次曲线拟合方法, 得出可两曲线:=-0.0342+ 0.508+ 0.227(= 0.996, 破碎料);=-0.0682+ 0.663+ 0.826(= 0.983, 石灰岩)。通过二次拟合曲线可知, 破碎料的最佳含水率是石灰岩1.5倍, 对应的最大干密度分别为2.15、2.45 g/cm3, 表明破碎料颗粒内部含有较多的孔隙。通常由于混凝土浇筑时采用振捣工艺依然有大量气泡未能完全消除, 后期水分的蒸发导致混凝土中含有大量的孔隙, 同时破碎料的块石内部存在微小的裂缝, 因此破碎料具有很强的吸水性。其次, 含有大量结晶水的水泥石高温加热时易分解挥发, 根据含水率=水/石可知,水的增加导致含水率偏大, 因此破碎料的最佳含水率较石灰岩大。

2.3 无侧限抗压强度试验

根据击实试验得到的最佳含水率及最大干密度, 进行无侧限抗压强度试件的制作(T0843–2009)。试件以压实度为98%为标准, 采用静压成型方法各制作13组(150 mm× 150 mm× 150 mm), 脱模后放入标准养护室(温度: 20 ± 2℃; 相对湿度: ≥ 95%)养护7 d。试件标准养护7 d后的无侧限抗压强度、劈裂强度对比如表5所示, 水泥稳定材料7 d龄期无侧限抗压强度标准值d如表6所示, 强度对比如图5、6所示。

由表5可知, 破碎料及石灰岩试件在标准养护条件下的强度有一定的差距, 破碎料试件无侧限抗压强度代表值为4.14 MPa、劈裂强度平均值为0.36 MPa, 石灰岩试件无侧限抗压强度代表值为3.19 MPa、劈裂强度平均值为0.28 MPa。

表5 无侧限抗压强度、劈裂强度对比

注: 表中规范指《公路路面基层施工技术细则》JTG-T-F20-2015。

由表6可知, 破碎料试件无侧限抗压强度代表值满足高速公路和一级公路重载交通要求。

由图5、6可知, 破碎料试件的无侧限抗压强度及劈裂强度较石灰岩试件高, 破碎料试件无侧限抗压强度是石灰岩的1.30倍, 劈裂强度是石灰岩的1.29倍。影响试件强度的主要因素有结合料的掺量、原材料物理指标、混合料配合比等。在相同结合料掺量条件下, 集料的物理指标对试件的力学指标有较大的影响, 因此本次试验中强度的差异原因有:

(1) 试块的无侧限抗压强度及劈裂强度与集料的针片状、压碎值等物理指标联系紧密。集料的针片状颗粒含量越低, 压碎值越低, 故试件的强度越高。对比破碎料与石灰岩, 前者的压碎值和针片状颗粒含量均较低, 故其试件的无侧限抗压强度及劈裂强度均较高;

(2) 水泥混凝土由一定比例的碎(砾)石、砂、水泥及水混合而成, 在胶凝介质—水泥的作用下碎(砾)石与河沙胶结形成的一个整体。破碎料是由水泥混凝土面板经过二次破碎工艺而来, 在外力的作用下混凝土的破碎均为砂—砾石之间的剥离, 因此破碎料表面比较粗糙、摩擦系数大, 从而使得颗粒间的内摩擦力较大。在水泥的胶凝作用下混合料有较高的粘结力, 进而增强了破碎料试件的无侧限抗压强度及劈裂强度[17], 故破碎料试块的无侧限抗压强度及劈裂强度均较石灰岩高。与规范相比, 破碎料可以满足各等级公路基层重交通的要求, 若用于特重交通需要进一步试验研究。

表6 水泥稳定材料7d龄期无侧限抗压强度标准值Rd/MPa

注: 表6为《公路路面基层施工技术细则》JTG-T-F20-2015。

图5 无侧限抗压强度

3 工程应用

为验证破碎料在实际工程的应用, 特进行试验段研究。试验段位于湖南某干线公路, 一级重载交通, 路面宽度20 m, 双向6车道, 路面结构形式为: 36 cm水泥稳定碎石基层+ 5 cm AC-20 + 6 cm AC-16。试验段原材料中19.0～31.5 mm、9.5～19.0 mm、4.75～9.5 mm 3档集料均为原路面水泥混凝土路面板破碎料, 0～4.75 mm档为破碎料及新料的混合物, 现场施工如图7所示。基层7 d养护完成后立即进行钻芯检查, 如图8所示。

图6 劈裂强度

为验证破碎料7 d养护后的强度, 特将现场钻芯试件进行无侧限抗压强度试验, 无侧限抗压强度分别为6.85、8.23、7.21/Mpa, 均值为7.43/MPa。弯沉检测结果如表7所示。由表7可知, 弯沉均值和代表值分别为700、1 050 mm, 标准差为2.11。

图7 试验段施工现场

图8 现场钻芯检查

表7 弯沉检测结果

试验段的检测结果表明破碎料可用于一级重载公路的基层, 后期的跟踪检测(图9、10)表明破碎料在正常寿命内服役状态良好, 验证了破碎料作为基层材料在实际工程中具有较好可行性, 值得大力推广。

图9 通车一个月后现场钻芯检查

图10 弯沉检测结果

4 结论

通过对石灰岩及水泥板破碎料室内对比试验的研究及实体工程的应用, 得到如下结论:

(1) 水泥混凝土面板经过两级破碎工艺得到的破碎料尺寸规整、表面粗糙, 近似立方体的外观表明其棱角性、摩擦系数、压碎值及针片状等物理指标均较好, 达到基层材料的规范值;

(2) 由于孔隙、微裂缝及结晶水的存在, 破碎料的吸水率及最佳含水量较石灰岩高, 且破碎料的最佳含水率较正常值偏大, 工程应用时应加以考虑;

(3) 与石灰岩相比, 破碎料水稳试件具有较高的抗压强度和劈裂强度, 同时通过实体工程的验证, 表明破碎料可作为一级重交通公路的基层材料, 属可再利用资源。

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Study on application of cement concrete pavement waste material in semi-rigid base course

Li Tao

(Guangdong Metallurgical and Architectural Design Institute Co LTD, Guangzhou 510080, China)

In order to realize the application of cement concrete slab crushed materials in semi-rigid base course, the comparative tests of crushing value, compaction test, unconfined compressive strength and splitting strength between crushed materials and limestone are carried out in laboratory. The results show that the indexes such as needle flake shape and crushing value of crushed materials meet the requirements of the code. The result shows that the optimum water content of crushed materials is higher than that of limestone, and the unconfined compressive strength and splitting strength of crushed materials are higher than that of limestone aggregate, and the crushed material can be used as the base material, and it has a good service state in the later stage of use, which can meet the requirements of the semi-rigid base of the expressway and the first-class heavy traffic highway.

cement concrete slab crush material; physical index; optimum water content; road regeneration resources

U 414

A

1672–6146(2020)03–0086–06

10.3969/j.issn.1672–6146.2020.02.016

李涛, ltao1226@163.com。

2018–12–21

湖南省交通科技项目(201402); 中南林业科技大学研究生科技创新基金(CX2017B29)。

(责任编校: 张红)