不同替代率再生骨料水泥稳定碎石性能研究_石拓.pdf

2023 NO.8 建 筑 与 土 木SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION不同替代率再生骨料水泥稳定碎石性能研究 石拓 1 陈世斌 1*王增强 2 尹壮飞 2 (1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室 陕西西安 710064;2.山东高速路桥集团有限公司 山东济南 250014)摘要：将废旧水泥混凝土再生集料用于水泥稳定碎石基层，实现基层再生集料的全替代，是路面绿色化建设的目标。该文中对比研究了天然集料和不同替代率下再生集料水泥稳定碎石的性能，试验结果表明：再生集料的物理性能（表观密度、含泥量、压碎值、吸水率等）都低于天然集料，但符合规范要求。随着水泥稳定碎石中再生集料占比增加，全再生集料混合料比天然集料混合料最大干密度所需最佳含水率增加了20.6%；再生集料水泥稳定碎石的7 d和28 d无侧限抗压强度呈下降趋势，与天然集料水泥稳定碎石对比，全替代再生集料水泥稳定碎石7 d和28 d强度分别下降36.2%和28.5%。研究表明再生集料基层能够满足建设要求，为工程应用提供了借鉴。关键词：公路工程 水泥稳定碎石 再生集料 抗压强度中图分类号：U414文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)08-0104-04Research on Properties of Cement Stabilized Macadam of Recycled Aggregates with Different Replacement RatesSHI Tuo1 CHEN Shibin1*WANG Zengqiang2 YIN Zhuangfei2(1.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of MOE,Changan University,Xian,Shaanxi Province,710064 China;2.Shandong Hi-speed Road&Bridge Co.,Ltd.,Jinan,Shandong Province,250014 China)Abstract:It is the goal of green pavement construction to use waste cement concrete recycled aggregate for cement stabilized macadam base and realize the full replacement of recycled aggregate of base.In this paper,the properties of cement stabilized macadam of natural aggregate and recycled aggregate under different replacement rates were compared and studied.Test results show that the physical properties(apparent density,silt content,crushing value,water absorption,etc.)of recycled aggregate were all lower than those of natural aggregate but met the requirements of the specification,the optimal moisture content required for the maximum dry density of fully recycled aggregate mixture increased by 20.6%compared with that of natural aggregate mixture with the increase of the proportion of recycled aggregate in cement stabilized macadam,and that the unconfined compressive strength of cement stabilized macadam of recycled aggregate at 7 d and 28 d showed a decreasing trend,and the strength of cement stabilized macadam of fully replaced recycled aggregate at 7 d and 28 d decreased by 36.2%and 28.5%,respectively compared with cement stabilized macadam of natural aggregate.The research shows that the recycled aggregate base can meet DOI：10.16661/ki.1672-3791.2211-5042-2620基金项目：陕西省自然科学基金（项目编号：2020JM-253）。作者简介：石拓（1996），男，硕士在读，研究方向为振动搅拌。通信作者：陈世斌（1980），男，博士，教授，研究方向为3D打印技术及快速制造，E-mail：。104建 筑 与 土 木 2023 NO.8 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯construction requirements,which provides reference for engineering application.Key Words:Highway engineering;Cement stabilized macadam;Recycled aggregate;Compressive strength近些年，随着我国公路交通建设的大力发展，我国公路里程已经稳居世界第一，也逐步形成了公路建设和公路养护同时发展的局面。路面基层位于路基和路面面层之间，在路面结构中起着承上启下的作用，作为路面结构中的主要承重层，主要承受来自车辆荷载传递的竖向力1。然而公路建设迅速发展、整体水平的大幅度改善也离不开高水准的水泥稳定碎石基层。因为基层主要用于承载载荷，所以它的强弱和好坏必然影响着道路的质量和寿命2。据相关统计预测，今后每年有10%左右的路面需大中修，将使得水泥稳定碎石基层大量废弃，造成环境污染3-6。因此，将废弃水泥稳定碎石破碎、筛分后使集料再利用，既保护环境又能降低建设成本，具有重要的社会意义。高启聚等人对混凝土再生骨料的基本性能进行测试，试验结果表明各粒径骨料吸水率、表观密度等都符合路面规范7。陈湘华等人研究将废弃混凝土路面再生集料用于水稳碎石基层，结果表明：90 d无侧限抗压强度满足基层强度设计要求8。蒋帅等人研究了再生骨料水稳碎石的力学性能，试验表明再生混合料的无侧限抗压强度随着再生料替代率增加呈现先增大后减小的趋势9。金荣综合研究再生集料半刚性基层级铺装的沥青路面性能，通过试验验证，建议再生骨料水稳层的最佳水泥掺量控制在3%左右，厚度值控制在40 cm左右时，对沥青层的性能最有利10。上述研究表明，再生集料基层能够满足路面使用的要求，展现了很好的应用前景。因此，该文在前人研究的基础上，研究不同再生骨料替代率下水泥稳定碎石的性能，包括再生骨料的性能、再生骨料水泥稳定碎石的最佳含水率、无侧限抗压强度，为再生骨料基层工程应用提供基础。1 试验材料与方法1.1 原材料水泥选用陕西耀县生产的P O 32.5水泥，其检测报告各项指标如表1所示，可得技术指标均满足规范要求。由废弃水稳碎石基层破碎所得再生骨料和天然骨料从西安某公司购置；混合料用水为普通自来水。试验中用再生骨料逐步替代天然骨料，再生混合料中再生骨料替代率分别为0%、30%、60%、100%这4种类型，按照公路沥青路面设计规范 要求，进行水泥稳定碎石进行配合比设计，其中水泥剂量为4.5%，水稳碎石骨料级配如表2所示。1.2 试验方法依据 公路工程集料试验规程（JTG E42-2005）对再生集料和天然集料的性能进行测试。由于再生料密度小、吸水率大、压碎值偏大，重型击实容易对再生料产生较大破坏，所以选择振动击实试验，测试混合料的最大干密度和最佳含水量。水泥稳定碎石的搅拌采用普通的卧式搅拌设备生产，根据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E51-2009），采用静压法成型，制得边长150 mm立方体试件，在标准环境下养护（202）、湿度95%），依照规程分别测试试件的7 d和28 d无侧限抗压强度。试件制作成型和养护过程如图1和图2所示。2 试验结果与分析2.1 再生骨料性能根据 公路工程集料试验规程 对再生集料和天然集料的性能进行测试试验，表3、表4所示为天然集料和再生集料的性能对比。由表3的试验结果可知，与天然粗集料相比，再生粗集料的物理性能都相对变弱，表观密度下降了5.1%，含泥量、吸水率、压碎值和针片状含量分别增加了75%、336.2%、93.1%、122.4%；由表4的试验结果可知，再生细集料的液限和塑限均大于天然集料，塑性指数相差不大，满足规程要求液限不超过40，塑性指数不超过17的要求。导致上述结果的主要原因是再生集料是废弃基层经过破碎、筛分、运输再使用，碎石的多次破碎和运输导致再生集料存在微裂缝且棱角多，而且再生集料原有的旧泥浆也难以完全除去，这些原因就使再生集料的表观密度减小，而含泥量、吸水率、压碎值和针片状含量变大，但与标准规范要求对比，再表1 P O32.5水泥性能检测报告水泥凝结时间/h初凝时间1.6终凝时间4.0抗压强度值/MPa3 d14.828 d40.3抗折强度值/MPa3 d5.528 d9.5安定性合格表2 水稳碎石骨料级配筛孔/mm26.519.09.54.752.360.60.075级配组成/917959382411.51.5规范要求/%90100729847572949173582207105 2023 NO.8科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 建 筑 与 土 木SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯生集料的物理性能满足要求，可用于路面基层。2.2 再生骨料水稳碎石最佳含水率图3是不同替代率再生集料水泥稳定碎石最佳含水量变化曲线。由图3可知，随着水泥稳定碎石中再生集料含量的增加，当击实后水稳碎石干密度达到最大时，混合料最佳含水量也逐步增大。在水泥含量为4.5%时，天然集料水稳碎石最佳含水率为5.8%，相比天然集料水稳碎石，在替代率30%、60%和100%指标下，最佳含水量分别增加到6.1%、6.6%、7.0%。这与再生集料的吸水率大于天然集料结果相吻合，因为再生集料存在微小裂缝，同时集料上包含的硬化泥浆使集料拌和过程中吸水率增大，对应的再生集料水泥稳定碎石达到最大干密度时所需的水量也逐步增加。2.3 再生骨料水稳碎石抗压强度图4所示为不同再生骨料替代比下两种搅拌工艺的水泥稳定碎石7 d和28 d无侧限抗压强度变化曲线。由图4可知，在再生骨料替代率为0%、30%、60%、100%下，7 d 无侧限抗压强度分别为 3.48 MPa、3.05 MPa、2.58 MPa、2.22 MPa，与天然骨料水泥稳定碎石对比，下降幅度分别为12.4%、25.9%、36.2%；28 d无侧限抗压强度分别为 4.39 MPa、3.96 MPa、3.62 MPa、3.14 MPa，下降幅度分别为 10.5%、17.5%、28.5%。试验结果表明：从天然集料水稳碎石逐渐替代为再生集料碎石过程中，随着再生集料替代率的增加，7 d和28 d无侧限图1 试件的成型图2 试件的养护表3 天然粗集料和再生粗集料的性能对比物理性能再生集料天然集料规范要求表观密度/（g cm-3）2.6012.7322.5含泥率/%0.350.20.7吸水率/%5.541.2725压碎值/%19.510.132针片状含量/%15.97.1522表4 天然细集料和再生细集料的性能对比集料类别天然集料再生集料表观密度/（g cm-3）2.8612.475吸水率/%5.3012.44液限/%22.729.5塑限/%16.322.4塑性指数7.56.9106建 筑 与 土 木 2023 NO.8 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯抗压强度逐步减小，但都符合路面强度要求。其中原因是在水泥稳定碎石中，其强度由集料强度和砂浆裹覆黏结强度共同决定。由再生集料的物理性质可知：一方面再生集料强度弱于天然集料，另一方面再生集料表面还粘附砂浆，这使得再生集料水稳碎石骨料强度和泥浆抵抗强度都削弱，因此就会出现随着再生集料增多无侧限抗压强度减小的现象发生。3 结论（1）与天然集料相比，再生集料的物理性能都相对变弱，表观密度下降了5.1%，含泥量、吸水率、压碎值和针片状含量分别增加了75%、336.2%、93.1%、122.4%，物理性能满足规范要求。（2）相比天然集料水稳碎石，在替代率30%、60%和100%指标下，最佳含水量分别增加到6.1%、6.6%、7.0%，再生集料替代率越大，最佳密度下含水量越高。（3）与天然集料水稳碎石对比，30%、60%、100%替代再生集料水稳碎石的7 d无侧限抗压强度分别下降了12.4%、25.9%、36.2%，28 d无侧限抗压强度分别下降了10.5%、17.5%、28.5%，但都符合路面强度要求。参考文献1 王琪.高速公路路面水稳基层施工技术研究J.交通世界,2022(17):95-97.2 刘标.水泥稳定碎石材料的孔隙特性研究D.武汉:武汉科技大学,2021.3 彭亮.再生骨料在水泥稳定碎石基层中的路用性能研究D.重庆:重庆交通大学,2017.4 原凯芝.道路工程水稳碎石施工质量控制J.四川建材,2022,48(6):18-19.5 张鹏,杨军.水泥混凝土路面就地粒石化再生水稳配合比设计与性能研究J.交通世界,2020(12):146-147.6 郑春乐,拾方治,李秀君.旧混凝土板粒石化再生骨料吸水特性研究J.上海理工大学学报,2018,40(5):475-480.7 高启聚,丛林,郭忠印.废弃水泥混凝土路面板在路面基层中的再生利用J.公路交通科技,2008(2):20-23.8 陈湘华.水泥混凝土路面破碎后再生集料路用性能研究J.低碳世界,2017(26):226-228.9 蒋帅,徐安花,房建宏,等.水泥稳定再生骨料的力学性能研究J.青海交通科技,2020,32(1):76-80,99.10 金荣.旧水泥路面再生集料半刚性基层沥青路面性能预测研究D.广州:华南理工大学,2013.图4 不同再生集料水稳碎石的抗压强度图3 不同再生骨料水稳碎石的最佳含水率107