摘要: 水泥路面養(yǎng)護、改建產生廢棄混凝土塊加以破碎、篩分, 利用篩分后的優(yōu)質集料( 粒徑4.75～31.5mm) 重新應用于道路工程水泥穩(wěn)定基層、級配碎石、水泥混凝土等, 不僅有利于環(huán)境保護, 同時降低了工程造價。文章首先通過再生粗集料物理、力學性質實驗, 提出再生粗集料混凝土配合比設計方法。然后對再生水泥混凝土的力學性質, 干縮性、抗凍性、耐磨耗等耐久性, 以及疲勞等路用性能進行了系統(tǒng)研究。結果表明: 利用再生粗集料混凝土修筑水泥路面, 能夠滿足道路的技術要求。
關鍵詞: 再生集料; 再生混凝土; 水泥路面; 路用性能
中圖分類號: U416.216 文獻標識碼: B
水泥混凝土路面強度高, 耐久性好, 是我國重要的高等級路面結構型式。隨著水泥混凝土路面修筑技術的推廣與應用, 我國水泥路面發(fā)展較快, 高等級公路水泥路面總里程由1993 年的28049km 上升到2002 年的150117km。在路面使用中后期, 隨著累計交通量增加、環(huán)境因素的影響, 水泥路面將會出現破碎、下沉、錯臺、板角斷裂等病害, 并且隨著使用年限的遞增, 破損面積將逐年成上升趨勢。在路面維修與改建過程中, 如果采用破碎設備將廢棄混凝土塊加以破碎、篩分, 利用篩分后的優(yōu)質集料( 粒徑4.75～31.5mm) 重新配制不同強度等級混凝土, 應用于道路工程, 不僅有利于環(huán)境保護, 同時降低了工程造價[1,2]。
本文結合合寧( 安徽段) 、高界高速公路養(yǎng)護與改建工程實例, 通過室內再生粗集料物理、力學性質實驗, 提出再生粗集料混凝土配合比設計方法。然后對再生混凝土的力學性質, 干縮性、抗凍性、耐磨耗等耐久性能進行系統(tǒng)研究, 為再生混凝土在道路工程應用提供技術支持。
1 再生粗集料技術性質
路面廢棄混凝土經破碎、篩分后, 再生粗集料按最大公稱粒徑分為兩個粒級, 分別為4.75 ~19.0mm、19.0~31.5mm。其物理性質、力學性質見表1、表2。
表1 說明再生粗集料表觀密度、針片狀含量、堅固性、堿集料反應等物理指標均滿足規(guī)范要求, 空隙率偏大降低了再生混凝土的工作性, 吸水率偏大需增加混凝土用水量。表2 再生粗集料壓碎值較一般的集料稍大,對水泥混凝土性質有一定的影響。
2 再生粗集料混凝土配合比設計
同普通混凝土一樣, 再生粗集料混凝土配合比要滿足強度、工作性、耐久性等技術要求。由于水泥混凝土路面設計以混凝土彎拉強度作為控制指標, 再生粗集料混凝土配合比設計以彎拉強度計算水灰比。用水量應根據再生粗集料吸水率大的特點, 增加再生粗集料的吸水量。針對再生粗集料空隙率、磨耗率偏大的特點, 合理選用砂率、減水劑以保證混凝土的工作性與混凝土的耐磨性。
本次配合比設計過程中, 粗集料采用再生集料,4.75 ~19.0mm∶19.0 ~31.5mm=2 ∶3; 細集料采用天然粗砂, 細度模數為2.8; 外加劑: JM 型高效減水劑; 水泥: 采用巢東牌PO42.5, 水泥初終凝時間、安定性均滿足要求。再生混凝土設計強度等級為C25、C30、C35, 通過比選, 擬定了不同強度等級混凝土配合比,并對混凝土的工作性、強度指標進行了測試, 結果見表3。
表3 說明不同強度等級再生混凝土的工作性、含氣量滿足規(guī)范要求。28 天抗壓強度、彎拉強度能夠達到設計要求, 說明再生混凝土在道路工程中應用能滿足工程要求。
3 再生粗集料混凝土路用性能
再生混凝土的路用性能包括混凝土力學性能, 干縮性、抗凍性、耐磨耗等耐久性能, 以及混凝土疲勞等性能。
(1) 再生粗集料混凝土力學性能
① 彎拉強度隨齡期變化
水泥混凝土路面結構設計以彎拉強度作為強度指標。按表3 再生混凝土配合比制備不同強度等級混凝土試件, 測定再生混凝土3、7、28、90 天彎拉強度, 考察再生混凝土彎拉強度隨齡期增長規(guī)律。結果見表4。
表4 說明再生混凝土與普通混凝土有相似強度增長規(guī)律, 并且28 天后彎拉強度增長幅度不大。
?、?彎拉強度( fr) 與劈裂強度( fsp) 關系再生混凝土應用于道路工程, 通常以混凝土取芯劈裂強度作為質量評定依據。為建立彎拉強度( fr) 與劈裂強度( fsp) 關系, 根據不同強度等級再生混凝土, 選取8組成型試件, 通過對試驗結果的回歸分析, 得出如下彎拉強度( fr) 與劈裂強度( fsp) 經驗公式, 相關系數為0.939fr=1.924+0.908fsp上式與Narrow 等[4]人的普通混凝土fr=1.639+1.028fsp 相近, 說明再生混凝土的斜率比普通混凝土偏緩, 隨著劈裂強度增大, 對應彎拉強度較普通混凝土低。
③ 彎拉強度與彎拉彈性模量關系
彎拉彈性模量是水泥混凝土路面結構厚度設計重要參數。為建立彎拉強度( fr) 與彎拉彈性模量( Ec) 關系,根據不同強度等級再生混凝土, 通過對試驗結果的回歸分析, 得出如下彎拉強度( fr) 與彎拉彈性模量( Ec) 經驗公式, 相關系數為0.99。Ec=8.09+3.81fr
由上式彎拉強度3.5~5.5MPa 范圍推算的再生混凝土彎拉彈性模量見表5。表5 反映再生混凝土彎拉模量比普通混凝土低12%~14%, 說明再生混凝土變形能力優(yōu)于普通混凝土。
(2) 再生粗集料混凝土耐久性能
?、?再生粗集料混凝土干縮性能干縮是水泥混凝土路面主要性能之一, 與原材料、材料組成、水灰比等許多因素有關, 并影響混凝土板塊劃分。本次研究以相同強度等級C35 分別制備再生混凝土和普通混凝土, 測定1、3、7、14、28、60、90 天干縮率。結果表明: 再生混凝土與普通混凝土干縮率隨齡期增長而增大, 后期增長緩慢; 前28 天再生混凝土干縮率比普通混凝土高約16%~25.3%左右, 90 天約高于13.4%。粗集料在混凝土結構中作為骨架, 水泥砂漿填充于骨架中作為結構聯(lián)結組份。在配合比和環(huán)境條件相同時, 混凝土收縮率取決于粗集料和砂漿的收縮率。由于再生粗集料中含有大量舊砂漿, 其收縮率顯然高于普通混凝土集料。因此使用再生粗集料制備的再生集料混凝土, 其收縮率會高于普通混凝土。
② 抗凍性能
抗凍性是水泥混凝土路面抵抗水和負溫反復作用的能力。以相同強度等級C35 分別制備再生混凝土和普通混凝土, 測定再生混凝土和普通混凝土相對動彈性模量變化, 比較各自抗凍性能。結果見表6。由表6 反映再生混凝土與普通混凝土凍融次數達到100 次, 相對動彈性模量變化在60%以上, 并且二者抗凍試驗結果變化不大。
?、?耐磨性能
水泥混凝土路面長期經受行車荷載的反復作用, 要求路面具有很高的耐磨能力。磨損量是評定水泥混凝土耐磨性重要指標。按表3 再生混凝土配合比制備不同強度等級再生混凝土試件, 并與相同強度等級普通混凝土的磨損量進行比較, 結果見表7。
表7 說明再生混凝土的磨損量比普通混凝土高出4.9%~9.2%,并且隨著混凝土強度等級的提高, 二者磨損量相差不大。
(3) 再生混凝土疲勞性能
疲勞特性是混凝土面板的主要力學性能。東南大學季天劍等[6]通過對再生水泥混凝土的疲勞性能試驗研究,結果表明再生水泥混凝土的疲勞規(guī)律與普通水泥混凝土相似, 而且在高應力水平狀態(tài)下, 再生水泥混凝土的疲勞壽命較高。因此, 使用再生水泥混凝土修建的水泥混凝土路面, 完全能夠滿足混凝土面板的力學性能要求。
4 結語
再生材料應用技術的研究是一直關注的課題, 對節(jié)省資源、保護環(huán)境具有重要的意義。本文通過對水泥混凝土路面破碎后的再生碎石的粗集料物理、力學性質,由此形成的再生水泥混凝土的強度性能, 干縮性、抗凍性、耐磨耗等耐久性能試驗測試及分析, 可以得到以下結論:
(1) 利用再生粗集料形成的水泥混凝土修筑水泥混凝土路面, 能夠滿足道路的技術要求。
(2) 再生粗集料表觀密度、針片狀含量、堅固性、堿集料反應等指標均滿足規(guī)范要求, 空隙率、吸水率、磨耗率等指標稍超出規(guī)范范圍。因此, 再生混凝土配合比設計時應考慮再生粗集料特征, 合理選用砂率、減水劑以保證混凝土的工作性與混凝土的耐久性。
(3) 再生混凝土路用性能: 在力學方面, 再生混凝土具有較高抗彎拉強度, 彎拉強度與劈裂強度、彎拉彈性模量具有較好相關性, 并且再生混凝土彎拉模量比普通混凝土低12%~14%, 說明再生混凝土變形能力優(yōu)于普通混凝土; 耐久性方面, 再生混凝土抗凍性與普通混凝土差別不大, 干縮性再生混凝土偏高, 磨損量比普通混凝土高出4.9%~9.2%,并且隨著混凝土強度等級的提高, 二者磨損量相差不大; 疲勞方面, 再生水泥混凝土的疲勞規(guī)律與普通水泥混凝土有相似疲勞規(guī)律。
參考文獻：
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[2] 肖益民，等.合寧高速公路水泥混凝土路面再生利用的研究[C].第四界國際道路和機場路面技術大會論文集，2002.
[3] JTJF30- 2003，公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范[S].
[4] 姚祖康.路面（公路設計手冊）[M].北京：人民交通出版社，1999.
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[6] 季天劍，等.再生水泥混凝土疲勞性能[J].交通運輸工程學報，2002(06):16- 18.
