基于級配重組的骨架密實型水泥穩定磚混建渣級配優化方法

李子良 張 棟 范 濤 袁 捷 王晨宇

(1.上海民航新時代機場設計研究院有限公司 上海 200335; 2.濟南國際機場建設有限公司 濟南 250107; 3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

隨著我國早期建成機場的航空吞吐量趨于飽和,近年來民用機場改擴建工程體量日益龐大。各類改擴建工程中,會產生巨大體量的固體建筑廢棄物,俗稱建筑垃圾或建渣[1-2]。同時,基礎設施建設進程的推進必然加速砂石等不可再生資源的消耗和環境的破壞。如何通過預處理工藝,將拆改工程中產生的建筑垃圾轉化為再生粒料,并通過材料組成設計應用于機場道面墊層、基層乃至面層材料組成設計,是實現天然集料替代、廢舊資源循環利用的一種重要途徑。

建筑垃圾主要包括水泥混凝土、瀝青混凝土、鋼筋、紅磚、生活垃圾,以及各種輕物質[3]。其中,各類低等級民用建筑拆改工程中,又以磚混類建渣最為常見,體量最大[4]。然而,該材料具有顆粒強度低、孔隙率大、吸水率高等缺陷[5]。相關研究發現,若應用現行規范中簡單、寬泛的級配要求[6]進行無機結合料穩定建渣粒料的級配設計,將無法同時保證對材料密實度、強度、結構穩定性,以及施工質量的有效控制。

因此,在固體廢棄物的再生利用過程中,其級配設計與優化是影響其利用率和性能的關鍵因素,也是彌補粒料本身強度缺陷的重要手段。貝雷法作為經典理論設計方法之一,考慮了粒料性質帶來的差異,并給出CA比、FAc比、FAf比三參數檢驗方法,可獲得骨架嵌擠穩定、空隙填充密實的骨架密實型級配,從結構上有效提升材料強度[7]。同時,低強度的磚混粒料在壓實過程中的壓碎會導致混合料級配改變,該現象稱為級配重組,在設計中也應考慮并對設計級配做出修正。

本文以磚混類建渣在場道基層的應用為目標,選用貝雷法進行水泥穩定磚混建渣材料的級配優化,考慮級配重組現象修正合成級配,并通過力學性能指標評價設計方法。

1 試驗材料

1) 水泥。采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,測得水泥各項技術指標見表1。

表1 水泥的技術指標

2) 集料。試驗用磚混類建渣粒料來自山東藍泰環保科技有限公司生產的成品建渣材料,分為粗、中、細3檔粒料。各檔粒料命名規則見表2。

表2 磚混類建渣粒料命名編號規則

貝雷法級配設計需要各檔建渣粒料的級配、密度、吸水率等性質指標用于理論計算。參照現行規范,對各檔粒料進行相關技術指標測試,測試結果見表3。

表3 建渣粒料的技術指標

2 貝雷法協同規劃求解法級配設計

2.1 現行規范推薦級配

采用MH/T 5014-2022 《民用機場飛行區土石方與道面基(墊)層施工技術規范》中水泥穩定碎石的推薦級配,及JTG/T F20-2015 《公路路面基層施工技術細則》針對骨架密實型路面基層用水泥穩定材料的推薦級配。二者取公共區間,得到本文采用的現行規范推薦級配,見表4。

表4 現行規范推薦級配

2.2 貝雷法級配設計

2.2.1規劃求解初級配

以現行規范推薦級配為解限制,中值為規劃求解目標,利用Excel軟件規劃求解模塊,求得級配初解,見表5。

表5 初級配

2.2.2貝雷法求解改進級配

進一步地,結合磚混類建渣顆粒密度小、壓碎值較大的性質特點,著重考慮預留空隙率、目標密度的選取,進行貝雷法級配調整。

1) 貝雷法以公稱最大粒經(NMPS)的18%～28%倍作為第一控制篩孔(PCS),常用系數取0.22,第二控制篩孔、第三控制篩孔以此類推[8]。

2) 根據初級配,求出2檔粗粒料質量占比。

3) 初步確定粗細粒料質量分數。

粗粒料選取密度按松裝密度的百分率計。對粗級配混合料, 粗集料選取密度一般取松裝密度的95 %～105%, 對易碎的軟集料可接近105%。針對磚混類建渣,其壓碎值通常大于30%,較一般天然石料的10%～20%略低[9]。因此,考慮到強度差異,本文選取系數為1.05%。

①松裝密度的105%設定為設計密度,求出每檔粗粒料的設計密度。

②按質量占比及設計密度,求出2檔粗粒料體積比。

③按體積比混合后,求出單位體積(cm3)內各檔粗粒料的質量。

④每檔粗粒料間隙率

⑤求解預留空隙率。

礦料級配設計時,通常未考慮水泥劑量。預留空隙率的保留是為了符合骨架密實結構水泥穩定粒料的特征,即粗集料形成骨架后會保留一定空隙,部分被細礦料填補外,剩下的空隙則由水泥膠漿填充。

⑥求解單位體積內細集料的用量。

每種細粒料的單位體積質量=每種細粒料的干搗實密度×(VCA-預留空隙率)×體積配比

⑦求解粗細磚混粒料初步組成的質量分數。

4) 考慮實際情況下,粗粒料中含有細料、細粒料中含有粗料,對粗細粒料質量占比調整(以4.75 mm為粗、細粒料分界篩孔尺寸)。

(1)

(2)

對試驗材料應用上述設計流程,得到骨架密實型水泥穩定磚混類建渣改進級配,見表6。

表6 貝雷法改進級配

2.3 規劃求解法級配調整

對比水泥穩定磚混類建渣貝雷法改進級配及規范推薦級配,合成級配4.75 mm篩孔的通過百分率為28.6%,略低于推薦級配下限值29%。為滿足工程應用要求,調整改進級配。

混合料4.75 mm篩孔通過率主要由后兩檔粒料決定,即粒料BC-CA-2、BC-FA-1。因此,保持BC-CA-1摻配比例52.7%不變,利用Excel規劃求解調整兩檔粒料的摻配比例,求得滿足現行規范推薦級配范圍的調整改進級配,見表7。

表7 調整改進級配

2.4 貝雷法三參數檢驗

貝雷法作為經典級配理論設計方法之一,不僅給出骨架密實型材料的級配設計流程,也給出了合成級配的三參數評價方法,稱為三參數檢驗,檢驗參數包括CA比、FAc比、FAf比。檢驗結果見表8。

表8 三參數檢驗結果

分析表5、表6及表7的階段性級配設計結果可得,磚混類建渣材料貝雷法級配優化過程呈現粗、細2檔摻量逐步提高,中檔粒料逐步減小的趨勢。調整改進級配的三參數計算值均滿足推薦范圍,符合骨架密實型級配的理論要求,且該級配滿足現行規范的推薦級配范圍。

3 級配重組下的級配修正

3.1 最佳含水率與最大干密度

以調整改進級配為基礎,參照JTG E51-2019 《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》,通過重型擊實試驗,測定材料最佳含水率及最大干密度,見表9。

表9 重型擊實試驗結果

3.2 級配重組研究

粗粒料相互嵌擠形成骨架結構,細粒料和膠漿填充空隙,由此協作形成骨架密實型結構,這是貝雷法進行級配設計的原理。其前提假設是,對于顆粒強度較高、壓碎值較小的天然石料,大顆粒粗粒料在壓實過程中只發生相互嵌擠,而無明顯壓碎。但對于本文采用的磚混類建渣粒料、水泥混凝土類建渣粒料,由于其強度較低、壓碎值難以滿足規范要求,因此在壓實過程中,可能有更大一部分大顆粒壓碎為若干小顆粒,致使貝雷法理想的嵌擠結構失效[10]。這種現象的出現,不僅會使材料力學性能衰減,更可能致使材料結構由骨架密實型向懸浮密實型轉變,結構穩定性大幅下降,表現為耐久性、抗沖刷、抗凍融等耐候性的下降。

為驗證上述推測,本研究通過重型擊實模擬施工壓實過程,測試擊實前、后的混合料級配,探究級配重組現象,試驗結果見圖1。

圖1 級配重組模擬試驗結果

由圖1分析可知,重型擊實對建渣材料級配影響表現為使各個篩孔通過集料的質量分數增大,且大粒徑篩孔的通過率提高幅度更大,最大增幅可達13.9%,表明重型擊實與粗粒料的壓碎有較大關聯,一定程度可反映磚混類建渣粒料壓碎值較天然碎石更大的性質特點;同時,水泥的摻入可明顯降低磚混類建渣粒料在擊實過程中的破碎率。

3.3 級配修正

基于3.2節研究結果,為消除壓實過程對磚混類建渣粒料級配的影響,將合成級配作為擊實后級配,設為Excel規劃求解目標值,通過重型擊實前、后各個關鍵篩孔通過率的變化,倒推求解各檔粒料摻配比例,即可求得骨架密實型水泥穩定建渣粒料修正級配,見表10。基于級配重組的調整前、后級配曲線對比見圖2。

表10 級配重組下的推薦級配 %

圖2 基于級配重組的調整前、后級配曲線對比

4 性能驗證與設計方法評價

對上述設計流程中得到的3種級配,即初級配、調整改進級配及修正級配完成重型擊實試驗,在最佳含水率下成型試件,測試7 d無側限抗壓強度,試驗結果見表11,各級配抗壓強度與水泥摻量關系曲線見圖3。

表11 無側限抗壓強度試驗結果

圖3 各級配抗壓強度與水泥摻量的關系

為進一步評價級配設計方法與水泥摻量對磚混類建渣材料的無側限抗壓強度的影響,通過雙因素方差分析法評價顯著性,結果見表12。

表12 雙因素方差分析表

由表12知,在顯著性水平0.05下,因子A和因子B的P值小于0.05,因此可以認為水泥摻量和級配設計方法均對磚混類建渣的無側限抗壓強度具有顯著影響。

結合圖3可得,隨著設計流程的完善與深入,各水泥摻量下的抗壓強度逐漸提升,總提升幅度在水泥摻量為0%時可達209.7%。分析發現,貝雷法與級配重組修正的應用均可以有效提升建渣材料強度,其中貝雷法較級配重組修正的提升效果更大,提升幅度平均為81.2%和29.6%。觀察曲線斜率易知,應用現行設計方法時,材料強度隨水泥摻量的增大而逐級增加;應用貝雷法后,2%至3%水泥摻量的增加對材料強度的提升效果減弱,表明貝雷法骨架密實型級配設計可降低材料強度對結合料的依賴性。

最后,經過貝雷法協同規劃求解法的設計流程,并考慮級配重組現象進行修正后的優選級配,在3%水泥穩定條件下,7 d抗壓強度可達4.35 MPa,滿足4F等級機場道面上基層的材料要求,可實現磚混建渣粒料對天然碎石的等效替代。

5 結語

本文以機場場道基層為目標應用場景,選用貝雷法結合規劃求解法對骨架密實型水泥穩定建渣材料進行級配優化,并針對軟弱建渣材料壓實過程中的級配重組特性進行級配修正,提出一種充分考慮磚混類建渣特性的級配優化設計方法,所得材料滿足高等級機場道面上基層的使用要求。主要研究結論如下。

1) 貝雷法設計過程中,應結合磚混類建渣密度小、顆粒軟弱的性質特點,針對性選擇計算參數。

2) 貝雷法與級配重組修正的設計流程,均能顯著提升磚混類建渣材料強度,最大提升幅度較現行設計方法可達209.7%,且貝雷法的提升效果更顯著。

3) 推薦的磚混類建渣水穩基層級配設計方法為:先應用貝雷法求解理論最優級配,協同規劃求解法調整理論級配,使之滿足現行規范要求,最后,考慮粒料的級配重組性修正級配,得到最優的骨架密實型水泥穩定磚混建渣材料級配。

4) 以3%水泥穩定為處治方式,基于本文推薦設計方法得到的磚混建渣材料7d無側限抗壓強度可達4.35 MPa,滿足4F等級機場道面上基層的材料要求,實現了磚混建渣粒料對天然碎石的等效替代。