采用再生混合集料的級配碎石墊層路用性能分析

■李博華

（福建力拓建設工程有限公司，廈門 361107）

隨著我國城市化的進程加快， 基礎設施、土木工程建設得到迅速發展，原有天然集料材料日趨短缺。 同時，道路路面養護擴建、基礎設施拆除等產生了越來越多的砂漿、廢棄粘土磚、廢棄水泥混凝土等建筑垃圾[1]。 而現今建筑垃圾的處理方式主要是露天堆放和填埋處理，不僅浪費了大量土地資源而且會破壞生態，由此帶來的環境問題逐漸引起社會的關注。 如何有效利用建筑垃圾，使其資源化逐漸成為研究熱點[2]。 對比其他發達國家，我國對于廢混凝土再利用的研究起步較晚，工程實例方面的研究相對薄弱，且大都還處于試驗初步階段。 蔣麥林等[3]研究了再生骨料的壓碎值、吸水率、磨耗率以及表觀密度，并與規范要求進行了對比；郁邦永等[4]對再生骨料混凝土的力學性能和施工性能進行了研究，發現其抗壓強度略優于同天然骨料混凝土；蔡汶呈等[5]分析了建筑廢料的綜合回收利用途徑，提出了資源循環再生骨料的技術方法。 綜上所述，將廢舊水泥混凝土破碎為集料，制備再生混凝土并用于路面級配碎石墊層，符合循環經濟模式。 本文對舊水泥混凝土進行破碎加工制備再生混凝土集料，并將再生集料用于路面級配碎石墊層的實際工程中，結合物理力學指標和高程變化對路面底基層進行了檢測，以期能夠為公路建設的可持續發展提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

材料使用福建省泉州市某混凝土結構樓體拆除后產生的建筑垃圾。 針對強度較大的廢棄混凝土材料通過人工破碎并結合機械進行破碎， 利用19～26 mm的標準方孔篩對破碎后的廢棄集料進行篩分，得到粒徑19～26.5 mm 的再生混凝土集料和再生粘土磚集料，通過人工分揀的方式去除針狀和片狀顆粒。

1.2 試驗儀器

采用YE-2000A 型液壓式壓力機， 上部固定，下部平臺為多向轉動試驗臺。 控制傳感器、液壓儀器與壓力機試驗平臺相連，通過控制加載速率對試樣施加壓力，加載速率為0.67～1 kN/s。施工機具：推土機、拌合機、篩分機、破碎機、裝載機、振動壓路機、平地機、攤鋪機等。 檢測設備：烘箱、振動篩、灌砂筒、平整度儀、全站儀、水準儀、擊實儀、貝克曼梁、K30 平板載荷測定儀等。 其中， 壓路機頻率為30 Hz，質量為25 t。

1.3 篩分方案

將破碎得到的再生混凝土與粘土磚集料浸泡24 h，隨后取出用毛巾擦拭使其達到面干飽和狀態，按照再生粘土磚與再生混凝土質量比為6∶4 和4∶6對混合集料試樣進行配置?；贘TGE42-2005 壓碎試驗規范對飽和集料施加側限壓縮。 選取不同加載壓力進行對比，具體操作過程如下：（1）將飽和集料分批放入承壓桶， 并均勻振搗30 次至試樣表面平整。 測量填料高度并將壓頭置于試樣，保證試樣表面與壓頭底面處于同一平面使壓頭均勻受力。 （2）承壓桶放置于壓力機試驗臺， 并調整試驗臺高度，啟動壓力機施加豎向荷載至目標壓力后穩壓10 s后卸載。 （3）試驗臺降下后取下承壓桶并測量壓頭下降高度h，并拍照記錄桶內集料。 （4）倒出承壓桶的集料并置于電熱烘箱中， 按照JTG E40-2007 規程110℃下烘干12 h 直至樣本質量不變即為完全烘干。 （5）為防止室內水分的影響，將烘干后的集料用錫箔紙進行密封，待集料降至室溫后將試樣依次篩分并對再生粘土磚和再生混凝土分別稱重記錄。通過標準方孔篩對破碎后的飽和集料進行篩分，具體步驟如下：為防止試驗殘余集料的影響，將標準方孔篩清理干凈，按照尺寸大小從上到下依次放置標準方孔篩。 將集料置于標準方孔篩，用振動臺振搖10～15 min。由最大孔徑標準篩開始輕搖晃叩擊，篩完后將每一級標準篩刷凈并稱取顆粒質量，如有顆粒漏下應放入下級標準篩。 記錄每一級篩上集料質量，稱量精確到0.001 g。

1.4 道路試驗步驟

主要研究再生混合集料用于路面底基層時的使用情況， 底基層設計厚200 的級配再生混合集料，位于素土夯實墊層上方。 綜合實用性高，操作簡便等特點設計了試驗路段分別為：石灰巖天然集料（LS）路段，再生煤矸石磚（RGB）路段，再生爐渣磚（RSB）路段，再生混凝土（RC）路段，再生煤矸石磚∶再生混凝土=1∶1（RGB∶RC=1∶1）路段，再生煤矸石磚:再生混凝土=1∶2（RGB∶RC=1∶2）路段，再生煤矸石磚∶再生混凝土=2∶1（RGB∶RC=2∶1）路段。

易于破碎的再生爐渣磚和再生煤矸石磚通過壓路機進行碾壓破碎，按照設計比例將破碎好的再生集料進行配比，并用挖掘機拌均勻。 將再生集料進行攤鋪灑水養護，并用壓路機震動碾壓。 碾壓后進行K30 平板載荷試驗、集料干密度測量、再生集料含水率測量、道路高程測量以及彎沉試驗。 選取測試點時，需保證每次碾壓完在同一測試點周圍進行重復檢測，以保證測試的準確性和科學性。 再生集料基礎參數如表1 所示。

表1 再生集料基礎參數

2 結果與分析

2.1 K30 試驗數據分析

采用靜壓方式測量單位壓力下地基土的沉降量，能夠反映路基變形參數和路基強度等承載力指標。 根據TB10102-2010 規程的相關規定進行K30平板載荷試驗，將現場試驗數據進行處理，得到地基系數K30 的匯總，如圖1 所示?？梢钥闯?，完全使用再生混凝土集料時，地基承載能力較低，無法滿足設計標準值。 開挖再生混凝土路面后，發現底基層素土含水率較大，有較強的壓縮性。 此外，再生集料中細集料較少，再生集料未形成良好骨架，壓路機震動碾壓時集料強烈震動發生離析。 摻入石粉后，地基系數有所上升，但在震動碾壓后又有所降低，進一步表明受外界因素擾動時易發生細集料和粗集料分層， 進而導致路面的承載能力明顯下降。碾壓后除再生混凝土路段外其他路段地基系數均大于120 MPa/m，符合底基層強度設計規范。

圖1 地基系數變化情況

對比可以看出，再生煤矸石磚和再生爐渣磚路段的試驗結果相差較小。 隨著再生混凝土集料比例的增加，地基系數也逐漸增大，地基承載能力有所提升。 增加碾壓遍數，石灰巖天然集料的地基系數顯著增加，但碾壓遍數為12 次時，地基系數明顯小于RGB∶RC=1∶2 路段。這可能是壓路機碾壓時，低強度再生磚集料極易發生破碎，并填充至大顆?？障吨行纬煞€定的骨架結構，隨著碾壓遍數的增加壓實度逐漸提升，地基承載能力也顯著提升。

2.2 物理指標分析

灌砂法測量壓實度是將試坑內集料通過標準砂替換，使用粒徑為0.25～0.50 mm 的標準從一定高度自由下落至填滿試坑，根據集料的含水率計算實測干密度。 砂碾壓遍數與現場干密度數據如圖2 所示。 可以看出，隨碾壓遍數的提升，土的現場干密度和集料的壓實度出現明顯的上升趨勢。 經過12 遍碾壓后，相同集料2 處測試點的現場干密度基本一致， 相同配比的集料在壓路機碾壓后發生破碎，隨著破碎量的增大，細集料填充粗集料的空隙，使得集料整體密實度提升。 隨著碾壓遍數的增加，石灰巖天然集料的現場干密度有所增加，而混合再生混凝土現場干密度反而有所降低，主要是壓路機震動碾壓使粗細集料形成了分層， 集料內部重新排列，集料骨架遭到破壞。 第二次鋪設加入石粉后集料密實度有所改善， 說明初步破碎集料未形成良好級配，粗顆粒間沒有形成密實的顆粒骨架，集料更易發生離析現象。 摻入強度較低的再生磚集料并未降低底基層的密實度，集料強度有所降低，但承載能力明顯提升，即合理摻入再生磚集料既提高了建筑垃圾的使用率又改善了集料的骨架結構，進而提升了實際工程的承載能力。

圖2 碾壓遍數與現場干密度情況

2.3 高程變化與密實度分析

碾壓遍數與沉降差關系曲線如圖3 所示。 可以看出，底基層高程沉降差隨著碾壓遍數的提升逐漸減少， 當碾壓12 遍后不同材料的沉降差均小于0.005 mm。 石灰巖天然集料和單一再生集料作為底基層填充材料時密實度均較低， 沉降差約為0.026 mm。 而使用再生混合集料時沉降差變小，密實度較大。 另外沉降差隨著再生混凝土集料的增加逐漸減小，碾壓后密實度較高，因此應盡量提高再生混凝土集料的占比。 再生混凝土集料強度較高，第一輪碾壓后的沉降差峰值為0.05 mm， 遠遠高于再生混合集料和再生磚集料，但密實度卻低于混合集料。 隨著碾壓遍數的提高，再生混凝土集料的沉降差也保持在較高水平，表明物理碾壓不足以提升集料的密實度，在實際路面底基層應用混合再生集料優于單一集料的使用情況。 進一步表明，在再生混凝土集料中添加再生煤矸石磚集料的構思符合實際。

圖3 碾壓遍數與沉降差關系曲線

2.4 貝克曼梁法彎沉分析

路基路面回彈彎沉檢驗反映了路面的剛度和強度， 是路面受到持續荷載作用后發生垂直變形，卸掉荷載后路面恢復正常變形能力，也反映了實際路面的抗疲勞性能。 用于檢驗回彈彎沉的方法較多， 通過貝克曼梁法彎沉檢驗對路基路面回彈彎沉進行研究，結果如表2 所示。 可以看到，彎沉試驗結果符合前文觀點， 即與石灰巖天然集料和單一再生磚集料相比，混合再生集料的彎沉值較大，且再生混凝土的占比越大混合集料彎沉值也越大。 僅使用單一再生磚集料時路面的整體剛度和強度均較小， 而加入再生混凝土集料后提高了路面底基層剛度和強度， 此時的密實度也較高能夠滿足施工要求。

表2 彎沉檢驗數據結果

3 結論

在福建某地開展了舊水泥集料的資源化利用，將混凝土破碎加工制備了再生混凝土并用于路面底基層的實際工程案例，從力學指標、物理指標以及高程的沉降差等方面綜合分析了再生集料的性能。 再生混合集料應用于路面底基層時能滿足力學指標要求，主要是再生混合集料可以充分利用不同集料的優缺點，加載初期，再生磚集料優先破碎，并填充至再生混凝土集料縫隙中提高了整體密實度。加載后期，再生混凝土集料使得集料整體的剛度和強度顯著提升。 對于低強度面底基層只需現場初步破碎，具有原料易得，操作簡便等優點，同時提高了建筑垃圾的經濟效益。