水泥穩定建筑垃圾混渣料的路用性能研究

張俊峰,肖 田,李清華,靳燦章,李鴻運

(1.中交一公局第六工程有限公司,天津 300451;2.天津市政工程設計研究總院有限公司,天津 300392;3.河北工業大學土木與交通學院,天津 300401)

隨著我國社會經濟的持續發展,節能環保理念已經逐步深入到公路等交通基礎設施建設的各個領域。在“碳達峰、碳中和”的目標要求下,推進資源全面節約和循環利用,減少資源消耗、提高再生資源利用水平的任務迫切[1]。建筑垃圾是一種房屋拆遷、市政改造等工程活動產生的一種廢棄物,如果這些建筑垃圾不能被循環利用,只能當做垃圾處理,不僅占用土地,還會造成環境污染[2]。如果能夠將建筑垃圾在公路工程等交通基礎設施建設中作為建筑材料使用,將能變廢為寶。但是,建筑垃圾的來源多樣、組成成分差異巨大。對于以水泥混凝土路面改造、混凝土樓房拆除產生的廢棄混凝土或者以廢棄混凝土、含量較少的廢磚組成的建筑垃圾,可以將其制成再生集料,用來生產再生混凝土加以循環利用[2,3]。并且也可以生產半剛性混合料用于公路工程的基層建設[4,5]。而大部分建筑垃圾來自于房屋拆遷所產生的低品質材料,其主要由低強度廢棄混凝土塊和大量的渣土組成,這些混合料難以充分分離,通常以建筑垃圾混渣的形式出現。為了促進這種以混渣為主的建筑垃圾的工程應用,以建筑垃圾混渣為原材料,以水泥為結合料,通過系統的實驗,研究不同摻配比例情況下,水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓強度、水穩定性等路用性能,分析其作為公路建筑材料的技術性能。

1 原材料性質

1.1 水泥

試驗用水泥為唐山冀東水泥廠生產的P·O 42.5硅酸鹽水泥,其主要技術指標如表1所示。

表1 水泥的主要技術指標

1.2 建筑垃圾混渣

建筑垃圾混渣是建筑垃圾破碎完大塊兒廢料后的混合料,主要由廢混凝土破碎料和建筑垃圾拆房土組成,試驗測得建筑垃圾混渣中的廢混凝土破碎料(粒徑近均小于26.5 mm)和拆房土的主要技術指標,見表2和表3。

表2 廢混凝土破碎料的技術指標

表3 拆房土的技術指標

2 試驗設計

由于建筑垃圾通常以混渣的狀態出現,為研究不同情況下的水泥穩定建筑垃圾混渣的路用性能,對試驗按照如下方案進行設計:(1)首先將建筑垃圾混渣中的廢混凝土破碎料含量分別控制在20%、35%、50%和65%,其余為拆房土。(2)將水泥的摻量選定為4%、5%和6%。(3)根據路用性能的抗壓強度、劈裂強度和水穩定性規試驗的范制要求[6],制作相應的試驗試件,通過養生后測試其路用性能指標。

3 試驗結果與分析

3.1 標準擊實試驗

公路基層材料施工過程中的壓實度控制是一項事關工程質量的最關鍵技術指標,而室內標準擊實試驗確定最大干密度是控制壓實度的基礎,根據試驗規程標準的試驗方法,測得水泥穩定建筑垃圾混渣的標準擊實試驗結果如表4所示。

表4 水泥穩定建筑垃圾混渣的標準擊實試驗結果

從表4的標準擊實試驗結果可以看出,廢混凝土破碎料含量對水泥穩定建筑垃圾混渣的最大干密度具有顯著的影響,但是水泥含量對最大干密度的影響很小。根據表4中的數據,繪出水泥穩定建筑垃圾混渣的最大干密度隨廢混凝土破碎料含量的變化曲線,如圖1所示。

圖1 最大干密度隨廢混凝土破碎料含量的化曲線

從圖1的規律可以看出,水泥穩定建筑垃圾混渣的最大干密度在廢混凝土破碎料含量為50%時達到最大值,這是因為此時混合料既有破碎料形成的骨架結構、又有拆房土等細料填充其中的空隙,形成最為密實的骨架密實結構的緣故。

3.2 水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓強度

抗壓強度是作為公路基層或底基層材料的設計控制指標,為了考察不同廢混凝土破碎料含量對水泥穩定建筑垃圾混渣抗壓強度的影響,試驗測出不同情況下水泥穩定建筑垃圾混渣的7 d齡期抗壓強度,并做出抗壓強度隨廢混凝土破碎料含量的變化曲線,分別如表5和圖2所示。

圖2 抗壓強度隨廢混凝土破碎料含量的變化曲線

表5 水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓強度試驗結果

從表5和圖2的可知,當廢混凝土破碎料含量小于50%時,水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓強度隨著廢混凝土破碎料含量的增大而提高;當廢混凝土破碎料含量大于50%時,抗壓強度反而會隨著廢混凝土破碎料含量的增大而有所降低,這主要是由于當廢混凝土破碎料含量達到一定限度之后,混合料反而不能達到最佳的密實程度的原因造成的。

同時,從表4的試驗數據知,根據相關規定[6],試驗范圍內水泥穩定建筑垃圾混渣的7 d齡期抗壓強度均大于2.0 MPa且小于3.0 MPa,因而可以將水泥穩定建筑垃圾混渣用于中、輕交通各級公路的底基層和二級以下公路的基層,但不能用于高速公路和一級公路的基層;除水泥含量為4%和廢混凝土破碎料含量為20%的配合比之外,其余配合比的7 d齡期抗壓強度均大于2.5 MPa,可以用于重交通高速公路和一級公路和特重、極重交通二級以下公路的底基層。

另外,如圖3所示,水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓強度會隨著水泥摻量的增大而顯著提高。當廢混凝土破碎料含量為50%時,水泥摻量從4%分別提高至5%和6%,抗壓強度分別提高了6.0%和10.2%。

圖3 水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓強度隨水泥摻量的變化曲線

3.3 水泥穩定建筑垃圾混渣的剛度

公路工程中通常以抗壓回彈模量來表征材料的剛度值。試驗測出90 d齡期,不同廢混凝土破碎料含量水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓回彈模量如表6所示。

表6 不同情況下水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓回彈模量

從表6的試驗結果可知,水泥穩定建筑垃圾混渣具有較高的剛度,其抗壓回彈模量值大于水泥穩定土,稍小于水泥穩定碎石。與抗壓強度的規律相似,水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓回彈模量會隨著水泥摻量的增大而提高。當廢混凝土破碎料含量為50%時,水泥摻量從4%分別提高至5%和6%,抗壓回彈模量分別提高了9.2%和14.7%。而當廢混凝土破碎料含量小于50%時,水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓回彈模量隨著廢混凝土破碎料含量的增大而提高,當水泥摻量為5%時,當廢混凝土破碎料含量從20%分別提高至35%和50%,抗壓回彈模量分別提高了8.0%和13.5%。

3.4 水泥穩定建筑垃圾混渣的抗凍性能

冰凍地區或季節性冰凍地區的公路基層或底基層可能會受到冰凍的影響,因而,基層材料應具有較好的抗凍性能。根據標準的試驗方法[7],測得水泥穩定建筑垃圾混渣的凍融試驗結果(5次凍融),如表7所示。

表7 水泥穩定建筑垃圾混渣的凍融試驗結果

從凍融試驗結果可知,水泥穩定建筑垃圾混渣的凍融抗壓強度損失BDR均大于60%,尤其是當水泥摻量達到6%時,BDR大于75%,可見水泥穩定建筑垃圾混渣具有較好的抗凍性能。

4 結 論

試驗研究了水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓強度、剛度、抗凍性能等路用性能指標,并分析了其影響規律,主要結論如下。

(1)當廢混凝土破碎料含量為50%時,水泥穩定建筑垃圾混渣的最大干密度、抗壓強度和抗壓回彈模量值達到最大。

(2)水泥穩定建筑垃圾混渣的抗壓強度和剛度較高、抗凍性能良好,并且隨著廢混凝土破碎料含量的增大有一個先升后降的規律;同時,隨著水泥摻量的增大而提高。

(3)試驗范圍內水泥穩定建筑垃圾混渣的7 d齡期抗壓強度均大于2.0 MPa且小于3.0 MPa,因而可用將將水泥穩定建筑垃圾混渣用于中、輕交通各級公路的底基層和二級以下公路的基層,但不能用于高速公路和一級公路的基層。