不同建筑垃圾掺量的水泥稳定级配碎石混合料性能_蒋世杰.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202301013开放科学（资源服务）标识码（OSID）不同建筑垃圾掺量的水泥稳定级配碎石混合料性能蒋世杰（中铁十八局集团有限公司，天津300222）摘要：基于无侧限抗压强度试验、弯拉强度试验、动态压缩模量试验、温缩与干缩试验与三分点加载疲劳试验，研究建筑垃圾再生集料（CWRM）掺量对水泥稳定级配碎石混合料力学性能、变形特性与抗疲劳耐久性能的影响，建立建筑垃圾再生水泥稳定级配碎石混合料力学性能之间的相关性。研究表明：随着 CWRM 掺量的增大，建筑垃圾再生集料水泥稳定碎石混合料的力学强度降低、干缩系数与温缩系数增大，同时抗疲劳耐久性能降低。建筑垃圾再生水泥稳定级配碎石混合料具有良好的抗疲劳耐久性能，建议适宜的 CWRM 掺量不超过 40%，且水泥掺量宜为 4%6%。关键词：道路工程；建筑垃圾；再生集料；级配碎石；力学性能；变形特性；耐久性能中图分类号：TU528.041文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0095 07 0 引言建筑垃圾经过破碎、分拣、筛分等工艺加工成不同的粒径集料1-2。建筑垃圾回收利用主要集中在市政、建筑领域，用建筑垃圾制作成混凝土骨料、再生砌块、铺道砖和再生混凝土等3-4。也有室内试验研究和实体工程将建筑垃圾替代部分传统砂石材料作为基层材料，周新锋等5基于室内试验，研究了建筑垃圾再生材料用于道路基层的可行性；樊兴华等6研究了建筑垃圾再生骨料的力学性能与无机结合料稳定建筑垃圾再生材料的力学性能与抗冻性，无机结合料稳定建筑垃圾再生结构层的稳定性与耐久性能良好；梁行行等7研究了建筑垃圾中砖块含量对水泥稳定建筑垃圾再生集料抗压强度的影响，增大砖块含量降低了建筑垃圾再生集料的力学性能，100%砖块含量下的建筑垃圾再生水泥稳定级配碎石 7 天无侧限抗压强度满足最低强度设计指标要求；朱挺等8基于正交试验，研究了水泥掺量、矿料级配和压实度对建筑垃圾再生水泥稳定级配碎石混合料无侧限抗压强度的影响，在合理的矿料级配范围内，建筑垃圾再生水泥稳定级配碎石力学强度满足规范要求；李万举等9验算了建筑垃圾再生水泥稳定级配碎石基层沥青路面的疲劳性能，建筑垃圾再生水泥稳定碎石基层疲劳性能满足现行沥青路面设计规范疲劳开裂要求。陕西省、北京市、许昌市制定了有关无机结合料稳定类建筑垃圾再生混合料的地方标准10-12，为建筑垃圾再生水泥稳定碎石混合料在路面工程中的推广应用奠定了良好基础。综上所述，将建筑垃圾应用于填筑路基、地基和特殊路处理（换填、挤密桩）、台背换填等成套技术已较为成熟13-15，而将建筑垃圾再生骨料高价值、高层次应用尚处于初步研究阶段。既有研究成果较少涉及建筑垃圾水泥稳定级配碎石混合料动态模量特性与抗疲劳耐久性能方面研究。为了将建筑垃圾再生集料应用于水泥稳定级配碎石基层，基于室内试验评价不同建筑垃圾再生集料掺量下水泥稳定级配碎石混合料的力学性能、温缩与干缩变形特性及抗疲劳耐久性能，建立了建筑垃圾再生水泥稳定级配碎石混合料无侧限抗压强度与弯拉强度、动态回弹模量各力学性能之间的相关性，并与普通水泥稳定级配碎石混合料进行对比。研究成果可为建筑垃圾资源化高值利用提供参考。1 原材料与试验方案 1.1 原材料性能试验采用的建筑垃圾再生材料来源于河南省某高速建设过程中拆迁产生的建筑垃圾，建筑垃圾再生集料（CWRM）一破采用固定式颚式破碎机、二破采用固定式反击式破碎机，并通过筛分截留不满足要求的超规格再生料，返回破碎机再次破碎，收稿日期：2023 02 13作者简介：蒋世杰（1966），男，河北邯郸人。高级工程师，硕士，主要从事工程施工管理工作。E-mail：。蒋世杰：不同建筑垃圾掺量的水泥稳定级配碎石混合料性能 95 建筑垃圾再生材料中的砖瓦类、砂浆类、混凝土石类、陶瓷类、其他杂物含量依次为 12.6%、32.4%、53.7%、1.2%、0.1%。优先选取公称粒径 510、1020 mm 两档建筑垃圾再生集料进行掺配。按照公路路面基层施工技术细则（JTG/T F202015）测试建筑垃圾再生集料的物理、力学性能，其结果，见表 1、表 2。表1建筑垃圾再生集料级配组成粒径/mm各筛孔（mm）的通过率/%31.526191613.29.54.75102010095.684.441.26.30.851010097.22.1 表2建筑垃圾再生集料技术性能试验指标试验结果技术要求压碎值/%1020 mm24.726510 mm19.6针片状含量/%1020 mm16.718510 mm15.2砂当量/%05 mm51.4400.075 mm以下材料塑性指数12.517有机物含量/%1.22.0硫酸盐含量/%0.100.25 建筑垃圾再生集料的压碎值随粒径增大而增大，其原因主要是建筑垃圾并非均质材料，建筑垃圾在破碎的过程中难以实现再生材料的整形，碎石表面黏结的水泥砂浆在压碎值试验过程中易被压碎，建筑垃圾再生集料的压碎值约为 20.0%、针片状含量为 15.0%，满足公路路面基层施工技术细则（JTG/T F202015）中对集料压碎值26%和针片状含量 18%的要求，建筑垃圾再生集料可用于路面基层和底基层。新集料选用实体工程采用的破碎花岗岩砾石，粗集料压碎值 14.6%，针片状含量 7.3%，05 mm细集料为石灰岩机制砂，符合公路路面基层施工技术细则（JTG/T F202015）中对粗细集料的质量要求。采用 PO42.5 硅酸盐水泥，水泥各项指标均满足通用硅酸盐水泥（GB 1752007）和公路路面基层施工技术细则（JTG/T F202015）的要求。1.2 试验方案在常规水泥剂量范围内采用变化 3.0%6.0%四组水泥用量，每组水泥剂量下变化建筑垃圾再生集料的掺量为 20%、30%、40%、50%，按照公路路面基层施工技术细则（JTG/T F202015）的要求，以设计 7 天无侧限抗压强度 4.0 MPa 为下限值，确定不同建筑垃圾再生集料掺量下的水泥剂量。按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程 （JTG E51 2009）规 定 的 T0806 1994，公路沥青路面设计规范附录 E 无机结合料稳定试验方法，分别测试建筑垃圾再生水泥稳定碎石混合料的弯拉强度与动态压缩模量，以研究建筑垃圾再生集料掺量对水泥稳定级配碎石混合料力学性能的影响。按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程 （JTG E51 2009）规 定 的 T0854 2009、T08542009 无机结合料稳定材料干缩、温缩试验方法，评价建筑垃圾再生水泥稳定碎石混合料的温缩与干缩变形特性。按照公路沥青路面设计规范（JTG D502015）附录 E、JTG E512009 规范中 T08512009动态压缩回弹模量试验方法与弯拉强度试验方法，测试建筑垃圾再生水泥稳定碎石混合料的动态回弹模量与弯拉强度。疲劳试验方法参照 JTG E512009 进行，考虑到疲劳试验数据离散性和试验效率，疲劳试验选择 0.600.85 四个应力强度比（/R）。试验施加Havesine 波，加载频率为 10 Hz。2 配合比设计C-B-3 型矿料级配，见表 3。不同 CWRM 掺量、不同水泥掺量下水泥稳定级配碎石混合料的7 天无侧限抗压强度与最佳含水率，见表 4、图 1。表3矿料级配筛孔尺寸/mm31.5 26.5199.54.752.360.60.07520%CWRM/%100 98.972.445.724.624.611.52.230%CWRM/%100 97.576.547.225.522.610.42.140%CWRM/%100 97.178.248.627.320.19.21.750%CWRM/%100 96.579.450.229.418.48.81.2规范要求/%1006886 3858 2232 1628 815 05 水泥掺量相同条件下，随着 CWRM 掺量的增大，水泥稳定级配碎石混合料 7 天无侧限抗压强度（UCS）线性减小、最佳含水率线性关系增大，同时水泥稳定级配碎石混合料成型时的拌和用水量随 CWRM 掺量增大而增大。这主要是建筑垃圾再生集料棱角性差且抗压强度低于新集料，导致其骨架嵌挤作用对无侧限抗压强度的贡献低于同粒径新路基工程 96 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）集料。另外，建筑垃圾再生集料中的砖渣及其表面黏附砂浆的吸水率远大于新集料碎石。建立不同 CWRM 掺量、不同水泥掺量与水泥稳定级配碎石混合料 7 天无侧限抗压强度的拟合方程，见图 1（a）、图 1（b），以满足下限 4.0 MPa无侧限抗压强度为限值，确定 20%CWRM、30%CWRM、40%CWRM、50%CWRM 掺量下的最小水泥掺量分别为 3.0%、4.0%、4.5%、4.9%。不同水泥与 CWRM 掺量下的 7 天无侧限抗压强度试验结果可为建筑垃圾再生水泥稳定级配碎石混合料配合比设计提供参考，工程实践中可通过增加水泥掺量能够弥补 CWRM 对水泥稳定级配碎石无侧限抗压强度的负面影响。建立不同水泥掺量下，CWRM掺量与建筑垃圾再生水泥稳定级配碎石混合料最佳含水率的关系，见图 1（c）。随着 CWRM 掺量增大，最佳含水率呈二次函数关系增大，根据水泥稳定级配碎石干缩裂缝的产生机理，最佳函数率的增大势必会增大水泥稳定级配碎石干缩系数，导致建筑垃圾再生基层在服役期间的干燥收缩型反射裂缝。表47 天无侧限抗压强度试验结果CWRM掺量/%水泥掺量/%7 d无侧限抗压强度试验最佳含水率/%最大干密度/（gcm3）UCS/MPa变异系数/%05.06.447.455.032.385203.04.096.645.362.2924.04.957.935.552.3125.06.187.535.732.3316.06.726.645.222.332303.03.518.336.242.2734.04.096.836.362.2815.05.087.546.552.2936.05.457.126.742.294403.03.106.837.632.2644.03.836.347.912.2295.04.637.128.092.2346.05.186.668.252.241503.02.437.538.932.2234.03.225.939.112.2225.04.137.129.292.2286.04.566.249.452.311 202530354045502345677d无侧限抗压强度/MPa建筑垃圾再生集料掺量/%3.04.05.06.02345677d无侧限抗压强度/MPa水泥掺量/%3.0%4.0%5.0%6.0%3.0%4.0%5.0%6.0%20.0%CWRM30.0%CWRM40.0%CWRM50.0%CWRM c 最佳含水率 b 不同水泥掺量无侧限抗压强度202530354045505678910最佳含水率/%建筑垃圾再生集料掺量/%a 不同CWRM掺量无侧限抗压强度y=0.0539x+7.169（R2=0.988）y=0.0545x+6.934（R2=0.941）y=0.0661x+5.315（R2=0.925）y=0.0549x+5.249（R2=0.946）y=0.912x+1.481（R2=0.989）y=0.781x+1.268（R2=0.969）y=0.704x+1.017（R2=0.992）y=0.631x+0.328（R2=0.972）y=0.04755x2+0.00105x+3.96（R2=0.993）y=0.03355x2+0.00123x+4.43（R2=0.971）y=0.0127x+0.00145x+5.13（R2=0.948）y=0.0115x+0.00142x+5.33（R2=0.946）图1不同 CWRM 与水泥掺量下水泥稳定级配碎石混合料 7 天无侧限抗压强度与最佳含水率 3 力学性能 3.1 弯拉强度不同建筑垃圾与水泥掺量下的 90 天