沥青路面骨料再生混凝土的力学性能研究.pdf

中国科技核 心期刊 杆 建巍 沥青路面骨料再生混凝士的力学性能研究 陈玉 ， 刘艳军 ， 苏育民 ， G 死 ( 1 北京建筑材料科学研究总院， 北京1 0 0 0 4 1 ： 2 D e p a r t me n t o f C i v i l a n d C o a s t a l E n g i n e e ri n g ， U n i v e r s i t y o f F l o ri d a ， F l o ri d a G a i n e s v i l l e 3 2 6 1 1 ) 摘要 ： 研究了使用回收沥青混凝土路面( R A P ) 中的再生骨料取代混凝土中的部分或全部天然骨料， 并应用于路面混凝土中的 可行性。 用0 、 2 0 、 4 0 、 7 0 和 1 0 0 的再生骨料取代天然骨料， 进行了不同配合比的再生混凝土性能试验。 研究表明， 随着再生骨 料用量 的增加， 混凝土 的工作性 能下降 ， 破坏形态发生 了变化 ， 混凝土 的抗压强度 、 劈裂抗拉 强度和抗折 强度都有 不同程 度的降低。 使用 2 0 和 4 0 再生骨料制备 的再生混凝土可 以满足现 有的路面强度要求 。 关键词： 回收沥青混凝土路面； 再生混凝土； 再生骨料 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 3 8 0 5 A s t u d y o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e c l a i me d a s p h a l t a g g r e g a t e c o n c r e t e C HE N Yu ， L ， U Ya n j u n ， S U Y u mi n ， MANG ( 1 B e i j i n g B u i l d i n g Ma t e ri a l s A c a d e my ， B e ij i n g 1 0 0 0 4 1 ， C h i n a 2 De p a r t me n t of C i v i l a n d C o a s t a l En g i n e e rin g ， Un i v e r s i t y o f F l o ri d a， Ga i n e s v i l l e 3 2 6 1 1， F l o rid a， US A) Abs t r ac t ： T h i s s t u d y e v a l u a t e d u s i n g of r e c l a i me d a g g r e g a t e u s e d i n Re c l a i me d As ph a l t Pa v e me n t ( RAP ) t o r e p l a c e p a r t o r a l l n a t u r a l a g g r e g a t e i n t h e c o n c r e t e a n d t h e p o s s i b i l i t y o f i t s a p p l i c a t i o n i n p a v e me n t c o n c r e t e C o n c r e t e mi x t u r e s wi t h 0， 2 0 ， 4 0 ， 7 0 a n d 1 0 0 a g gre g a t e r e p l a c e me n t b y RAP a g gre g a t e we r e p r o d u c e d a n d e v alu a t e d Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t a s t h e p e r c e n t a g e o f d e c l a i me d ag g r e g a t e i n c r e a s e d i n t h e c o n c r e t e mi x ， t h e wo r ka b i l i t y o f t h e c o n c r e t e d e c r e a s e d ， t h e f a i l u r e f o r m c h a n g e s ， a n d t h e c o mp r e s s i v e ， s p l i t t i n g a n d fl e x u r a l s t r e n g t h s d e c r e a s e d a t d i f f e r e n t d e gre e T he r e g e n e r a t e d c o n c r e t e c o n t a i ni n g 2 0 a n d 4 0 RAP a g g r e g a t e a y e t h e s u i t a b l e mi x e s t h a t a g r e e wi t h t h e c u r r e n t r e q u i r e me n t s f o r c o n c r e t e s l a b s i n p a v e me n t Ke y wo r ds ： r e c l a i me d asp h alt p a v e me n t ； r e c y c l e d e o n c r e t e r e c y c l e d a g gre g a t e 本项目 研究使用回收沥青混凝土骨料( R A P ) 取代混凝土 中的部分或全部天然骨料， 并应用于路面混凝土中的可行性。 美国境内每年产生数量高达 1 亿t 的废弃沥青路面 ， 这些废 弃沥青一般会重新用于生产沥青， 或者用于公路路基材料。 即 使这样， 仍有大量的废弃沥青路面没能有效利用。 回收废弃沥 青混凝土路面材料， 将其中的骨料应用于混凝土路面材料中， 可以极大地节省路面原材料方面的开支， 减少天然骨料的开 采， 保护自 然资源。 再生沥青骨料应用于混凝土是目 前广大学术机构的研究 热点， 已经有许多研究成果。H a s s a n 等 指出， 再生混凝土的 抗压强度随再生骨料含量的增加而成比例降低，且再生混凝 收稿 日期： 2 0 1 4 0 6 2 7 作者简介： 陈玉， 女， 1 9 7 9 年生， 河北冀州人， 博士后， 研究方向为混 凝土材料和结构。 地址： 北京市石景 山区金顶北路 6 9号院混凝土所 ， E- mail ： 1 2 4 72 78 3 01 q q c o rn 。 3 8 新型建筑材料 2 0 4 1 2 土的延展度和最大应变随之增大。 在A 1 0 r a i m i 等嘲 的研究中 观察到， 随着再生骨料含量的增加， 再生混凝土的塌落度和抗 压强度降低， 弹性模量和抗折强度与抗压强度的相关关系与普 通混凝土没有大的差别。D e l w a r 等 指出， 再生混凝土与普通 混凝土相比， 含气量较高， 密度较小， 塌落度也较低。 S o m m e 的研究结果表明，尽管再生混凝土的强度和弹性模量均有下 降， 但再生骨料含量不超过5 0 的再生混凝土可以通过降低 水灰比的方法来改善强度等性能。 O k a f o r I 6 3 发现， 再生骨料相比 普通骨料能吸收更多冲击荷载。 K a t s a k o u 和K o l i a s lT t发现， 当再 生骨料含量不超过5 0 时， 再生混凝土的抗折强度不变， 而弹 性模量随再生骨料含量增加而下降的幅度要大于抗压强度下 降的幅度。 随着全球化资源的紧缩以及由建筑废弃物引发的环境问 题、 经济问题和社会问题日益突出， 我国政府越来越重视节能 和资 源的 回收利用问 题， 大力提倡和发展建 筑废弃物的 再利 用， 并对再生混凝土的开发利用进行立项研究。 从2 0 1 0 年起， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈玉， 等： 沥青路面骨料再生混凝土的力学性能研究 相关产品标准和行业工程标准陆续发布， 填补了我国长期以来 建筑垃圾处理利用的技术标准空白， 从而为再生粗骨料和再 生细骨料的生产、 应用提供了可行的技术支撑， 为建筑垃圾 资源化事业的开展奠定了技术基础。 现在， 很多高校和研究 机构已经针对再生混凝土进行了广泛的研究，包括骨料整 形技术嘲 、 再生骨料制备高强混凝土 和预拌混凝土 1o 】 ， 已经 取得了丰硕的成果。但回收沥青骨料一直无法广泛重新应 用于混凝土路面中。在本项目中， 我们将回收沥青混凝土中 的骨料重新应用于路面混凝土中， 并对制备的混凝土进行力 学性能研究。 1 试验 1 1 原材料 水泥： 美标硅酸盐水泥， 符合A A S H T O T y p e U I I 要求， 矿 物组成和化学成分见表 1 。 表 1 水泥的矿物组成和化学成分 天然细骨料： 美标8 9 号石英砂， 由7 6 3 4 9 号加工站提 供， 细度模数为1 9 9 ； 天然粗骨料： 美标5 7 号石灰石， 由8 7 0 9 0 号加工站提供。 再生骨料： 在试验前筛分成大于4 7 5 m m的粗骨料和小 于4 7 5 m m的细骨料， 并分别存放。 为了得到更具代表性的实 验结果， 采取来自4 个不同产地的再生骨料， 根据产地不同， 再生粗骨料分别标识为C R A P 一 1 4 ，再生细骨料分别标识为 F R A P l 4 ， 细度模数为3 5 2 4 2 0 。 骨料的性能指标见表2 ， 天然细骨料、 再生细骨料的级配 分布以及 A S T M C 3 3中关于细骨料级配的推荐范围见图1 ， 天然粗骨料、 再生粗骨料的级配分布以 及 A S T M C 3 3中5 7 号 粗骨料级配的推荐范围见图2 。 表 2 骨料的性 能指标 薰 罨 O 薰 萼 O 1 0 1 0 O 1 筛孔尺寸 m m 细骨料的级配分布 A S T M C 3 3 中5 7 号 1 0 0 1 0 1 筛 孔尺 寸 m n 图 2 粗 骨料 的级配分布 从图1 、 图2 可以看出， 天然细骨料的级配分布与 A S T M C 3 3 中要求级配上限非常接近， 同时其细度模数为 1 9 9 ， 再生 细骨料的细度模数在3 5 2 4 2 0 ， 说明再生细骨料要粗于常规 细骨料。再生细骨料和粗骨料的级配均不在A S T M C 3 3 规定 的标准范围内， 而是呈现出 “ 细骨料更粗， 粗骨料更细” 的变化 趋势。 减水剂： 美国G R A C E公司产， 型号WR D A 6 0 ， 其密度为 l _ 1 5 k g L ， 减水率8 1 0 ， 建议掺量为 1 9 5 6 2 5 m U 1 0 0 k g 胶 凝材料。 引气剂： 美国G R A C E公司产， 型号D a r a v a i r A T 6 0 ， 密度 为1 0 3 k g L ， 建议掺量为1 5 2 0 0 m L 1 0 0 k g 胶凝材料。 1 2 配合比设计 再生混凝土的配合比采用典型路面混凝土的配合比， 设 计强度C 2 0 ， 水灰比为0 4 5 0 5 5 ， 砂率为3 8 - 4 3 。此项目 中， 共研究了1 9 批不同配合比混凝土的性能， 其中包括3 批 不同水灰比( 即0 4 5 、 0 5 0 和0 5 5 ) 的普通混凝土， 及水灰比固 定为0 5 0 ， 并使用4 种不同再生骨料的再生混凝土。 每种再生 混凝土分别使用体积比0 、 2 0 、 4 0 、 7 0 和 1 0 0 的再生粗 骨料以及0 、 2 0 、 4 0 、 7 0 和1 0 0 的再生细骨料来代替天然 粗骨料和天然细骨料。 混凝土配合比设计见表3 ， 其中R A P 一 1 为使用再生骨料C R A P 一 1 和F R A P 一 1 的混凝土， R A P 一 2 为使 N E W BUI L DI NG MAT E RI AI S 3 9 【 图 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈玉， 等： 沥青路面骨料再生混凝土的力学性能研究 用再生骨料C R A P 一 2 和F R A P - 2 的混凝土， 依次类推。 在所有的混凝土设计中添加引气剂以改进混凝土和易 性和耐久性。为获得理想的塌落度， 添加适量的减水剂， 其 用量根据调整塌落度的需要在搅拌现场进行调整。在每个 配合比设计确定之前先进行试拌，以取得适当的塌落度与 和易性。 表 3 混凝土配合比设计 1 3 试件制备和试验 内容 试验使用容量为0 2 7 m 的滚筒式搅拌机， 每次搅拌制备 大约0 1 8 m 的混凝土。 在混凝土搅拌之前， 需将天然细骨料在 1 1 0 的烘箱里烘干2 4 h ， 并在实验室常温下放置2 4 h 。天然 粗骨料在水中浸泡4 8 h ， 在称量前过滤水分并静置3 0 m i n 。 所 有的再生骨料均不作任何处理， 直接称量。 所有骨料中所含水 分均经过测量， 并在拌合水总量中进行调整。这种处理方法可 以 缓 解在 搅拌过程中因 再生骨 料吸 水而引起的自由 拌合水减 少， 从而降低塌落度的问题。 同时， 由于天然粗骨料附着的粉料 较少， 因而在浸泡后不会发生由 于细粉流失而改变实际配合比 和骨料级配的问题。 而如果浸泡细骨料， 在过滤水分的同时会 损失部分细粉， 从而改变了实际配合比和骨料级配。 新拌混凝土的试验项目包括塌落度、 堆积密度和含气量。 混凝土试件的试验项目 包括抗压、 抗折和劈裂抗拉强度。在测 试前， 所有试件均在标准养护条件下养护7 、 1 4 、 2 8 和9 0 d 。 2 实验结果与讨论 2 1 新拌混凝土的性能( 见表4 ) 4 0 新型建筑材料 2 0 1 4 1 2 表 4 新拌混凝 土的性能 编塌落度 含气量堆积密度 编塌落度 含气量堆积密度 号 mm ( k g m ) 号 mm ! ( k g m3 ) 1 8 9 4 5 O 2 26 9 1 1 6 4 oo 21 8 8 2 1 0 8 3 2 0 2 2 6 9 l 2 3 2 4- 2 5 2 2 5 3 l 2 7 3 3 O 2 2 6 9 1 3 4 4 4 25 2 2 3 7 4 1 0 8 4 5 O 2 2 5 3 1 4 2 5 3 5 0 2 2 21 5 8 3 3 7 0 2 25 3 l 5 1 3 3 5 0 21 4 0 6 7 6 3 7 5 2 1 8 8 l 6 3 2 4 5 0 2 2 3 7 7 3 8 6 8 O 2l o7 1 7 3 2 45 O 2 2 3 7 8 3 2 5 5 0 2 25 3 1 8 6 470 2 2 21 9 2 5 5 0 0 2 22 1 1 6 5 0 0 21 4 0 1 1 9 4 5 O 2 2 0 5 由 表4 可知， 对于不掺再生骨料的普通混凝土， 塌落度比 再生混凝土稍微高些， 为7 5 1 2 7 m m( 目 标塌落度为 2 5 7 6 m m ) ； 再生混凝土的塌落度大部分为6 7 6 m m 。 对于同种再生 骨料而言，其再生混凝土的塌落度随再生骨料含量的增加而 降 低。 掺加7 0 和1 0 0 再生 骨料的新拌混 凝土， 其和易 性与 掺加2 0 和4 0 再生骨料的新拌混凝土相比要差一些。 混凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈玉， 等： 沥青路面骨料再生混凝土的力学性能研究 3 结语 ( 1 ) 与普通混凝土相比， 相同配合比情况下沥青路面骨料 再生混凝土的工作性有一定程度的下降，且随着再生骨料掺 量的增加更明显。 究其原因， 骨料的级配分布产生了一定的影 响。 再生骨料的级配总体表现为“ 细的更粗， 粗的更细” 。 即再 生细骨料比天然细骨料更粗， 而再生粗骨料比天然粗骨料更 细。 再生细骨料比天然细骨料更粗， 会导致细粉含量的下降， 进 而导致混凝土黏性不足， 和易性下降。 而再生粗骨料比天然粗 骨料更细， 会导致骨料表面积增大， 更多的水泥浆用于包裹骨 料， 导致混凝土流动性降低。 ( 2 ) 普通混凝土与沥青路面骨料再生混凝土的破坏形态有 一 定的不同。 普通混凝土的破坏面穿过骨料， 而再生混凝土则 是沿着骨料与砂浆的界面发生破坏。 这是由于再生骨料表面附 着沥青， 孔隙率高， 导致吸水率较大， 骨料与砂浆的界面强度 比较低。 随着再生骨料掺量的增多， 骨料与砂浆之间的界面面 积增大， 混凝土沿着强度较低的界面发生破坏， 混凝土的强度 便会发生一定程度的下降。这与测试结果吻合。 ( 3 ) 随着再生骨料掺量的增加， 再生混凝土的抗压强度、 劈裂抗拉强度和抗折强度都有不同程度的降低。再生骨料掺 量为2 0 和4 0 的再生混凝土， 2 8 d 抗压强度可以达到C 2 0 要求。 建议未来利用再生骨料铺设混凝土路段进行现场试验， 以验证此项目中得出的实验室结果。 参考文献 ： 1 1 C o l l i n s R J ， C i e s i e l s k i S K R e c y c l i n g a n d u s e o f w a s t e ma t e r i a l s a n d b y - p r o d u c t s i n h i g h w a y c o n s t r u c t i o n 【 R 】 N C H RP S y n t h e s i s 0 f Hi g h w y P r a c t i c e ， TRB， W a s h i n g t o n ， 1 9 9 4， 1 9 9： 9 2 2 Ha s s a n K E ， B r o o k s J J ， E r d ma n M T h e U S e o f r e c l a i me d a s p h a l t p a v e me n t ( RAP) a g g r e g a t e s i n c o n c r e t e， wa s t e ma t e r i a l s i n c o n s - t rue t i o n 叨 Wa s t e Ma n a g e m e n t S e r i e s ， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 1 2 1 - 1 2 8 3 A 1 一 O r a i mi S ， H a s s a n H F ， Ha g o A R e c y c l i n g o f r e c l a i me d a s p h al t p a v e m e n t i n p o r t l and c e m e n t c o n c r e t e B T h e J o u r n al of E n g i n e e r - i n g Re s e a r c h ， 2 0 0 9， 6( 1 ) ： 3 7 - 4 5 4 D e l w a r M， F a h m y M， T a h a R U s e of r e c l aime d a s p h alt p a v e me n t a s a n a g g r e g a t e i n p o r t l a n d c e me n t c o n c r e t e f J 1 A C I Ma t e ri al s J o u r n a l ， 1 9 9 7 ， 9 4( 3 ) ： 2 51 -2 5 6 5 S o mm e r H R e c y c l i n g of c o n c r e t e f o r t h e r e c o n s t ruc t i o n o f t h e c o n c r e t e p a v e me n t o f t h e mo t o r w a y v i e n n a - s alz b u r g【 C m t h I n - t e ma t i o n al Co n c r e t e Ro a d s S y mp o s i u m， Vi e n n a ， Au ria ， 1 9 9 4： 5 0 0 - 5l 1 6 O k a f o r F OP e rf o r ma n c e o f r e c y c l e d a s p h alt p a v e m e n t a s c o a r s e a g gre g me i n c o n c r e t e 【 J L e o n a r d o E l e c t r o n i c J o u r n a l o f P r a c t i c e s a n d Te c h n o l o g i e s ， 2 01 0， 1 7 ： 4 7 -5 8 7 】 K a t s a k o u M， K o l i a s S Me c h ani c a l p r o p e r t i e s o f c e m e n t - b o u n d r e c y c l e d p a v e m e n t s J P r o c e e d i n g o f t h e I n s t i t u t i o n o f C i v i l E n - g i n e e r s -C o n s t ruc t i o n Ma t e rials ， 2 0 0 7 ， 1 6 0( 4 )： 1 71 -1 7 9 8 】 李秋义 ， 李 云霞， 朱崇绩 颗粒整 形对再生骨料性 能的影响 J 材 料科学与工艺， 2 0 0 5 ， 1 3( 6 ) ： 5 7 9 5 8 5 9 】 鲁雪冬 ， 叶跃 忠， 严章荣 再生骨料 高强混凝土抗压 强度研究【 J J 建筑技术， 2 0 0 5 ， 3 6( 2 ) ： 1 4 1 1 4 4 1 0 】 冯 向东， 范永法 ， 李翠玲 再生骨 料预拌混凝土的应用研究【 J J 新 型建筑材料 ， 2 0 1 2 ( 1 1 ) ： 7 6 7 9 A 东北三省 1 2月 1日起统一实行水泥错峰生产 中国水泥协会和黑、 吉、 辽三省水泥协会在辽宁沈阳宣布， 东北三省将于 2 0 1 4年 1 2月 1日起全面实行水泥错峰生产， 为 期 4个月， 至2 0 1 5年4月 1日零时止。本次停窑包括 1 0 3条水泥熟料生产线， 共4 0 0 0万t 产能。 实行水泥错峰生产可以减轻采暖期的环境压力， 可明显减轻和减少雾霾天气， 同时解决水泥企业冬季熟料倒运和堆放形 成 的二次扬尘 问题 ； 节约水泥生产能源消耗 ， 北方地 区冬季 熟料 生产需要增加 2 0 的能耗 ， 据测算 ， 每年冬季华北和东 北地 区 熟料生产将消耗煤炭 2 0 0 0万 t ， 如果全部改为夏季生产， 将减少煤炭消耗 4 0 0万 t ； 降低企业生产经营成本； 改善职工劳动生活 条件。 ( 生) G B T 3 0 8 1 0 2 0 1 4 水泥胶砂中可浸出重金属的测定方法 将于 2 0 1 5 年 2 月 1 E t 起实施 日前， 由中国建筑材料科学研究总院、 中国环境科学研究院等单位制定的国家标准 G B T 3 0 8 1 0 - - - 2 0 1 4 水泥胶砂中可浸出 重金属 的测定方法 由国家质量监 督检验检疫总局、 国家标准化管理委 员会批准发布 ， 将于 2 0 1 5年 2月 1日实施。 该标准规定 了水泥胶砂 中可浸 出重金属测 定的试样制备 、 浸 出步骤和浸 出液体中重金属含量 的测定方法 ， 适用于 指定使 用该标准的材料中可浸出重金属含量的测定。 通过该标准的检测方法可检测出处置固体废弃物的水泥窑生产的水泥在使用过程中重金属通过浸出对地下水等环境构 成危害情况 ， 对水泥行业 的绿色环保发展有着重要意义。 ( 生) 4 2 新型建筑材料 2 0 1 4 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m