建筑垃圾在道路基层中的应用

崔 宁

(北京市市政工程研究院,北京 100082 )

1 引言

近年来,随着国家对环境保护力度的加大,建筑垃圾作为影响环境问题的重要因素之一已经逐渐引起重视。为解决大规模消纳建筑垃圾、实现建筑垃圾资源化循环利用、解决建筑垃圾环境污染并有效缓解砂石资源短缺问题,国内外相关学者已经进行了大量试验研究。随研究的不断深入,目前建筑垃圾再生产品种类多样化,包括再生骨料、再生砖、再生低标号回填料、再生混凝土、再生无机混合料等产品。其中,再生无机混合料因其应用量大、强度要求低、可相对多比例的消耗微粉等特点得到了较大范围的推广应用。本文通过再生无机料与普通无机混合料的对比分析,了解再生无机混合料的特点以及选材、配制、施工、验收等质量控制方法。

2 原材料

现有的再生无机混合料的种类主要包括：水泥稳定再生骨料混合料、水泥粉煤灰稳定再生骨料混合料、石灰粉煤灰稳定再生骨料混合料。其原材料主要包括：水泥、石灰、粉煤灰、再生骨料。原材料的选择、性能以及其对混合料性能的影响如下所述。

2.1 水泥

依据标准JTG/T F 20-2015《公路路面基层施工技术细则》,道路基层用水泥选用强度等级为32.5或42.5,且初凝时间大于3h,终凝时间大于6h且小于10h的普通硅酸盐水泥。与普通混凝土用硅酸盐水泥不同,由于道路施工过程中混合料用量大,且施工时间比较集中,拌合出料、运输、摊铺、刮平、碾压过程用时较长,按照施工要求,混合料应在3h内碾压完成,即保证在水泥初凝前完成碾压成型,以降低施工时间过长导致的混合料强度损失。

选用初凝时间大于3h的42.5强度等级水泥配制的混合料分别按照拌合后立即成型、拌合后3h成型、拌合后6h成型进行强度对比试验,结果如图1所示。由图可以看出,随着成型时间的延长,再生无机混合料的7d强度有递减的趋势,而对28d的强度影响不明显。

图1 再生无机混合料不同成型时间强度(MPa)

2.2 石灰

按照标准规范要求宜选用Ⅲ级及以上等级石灰配制混合料。当部分地区受原材料限制,只能选用等外石灰时,生石灰有效钙镁含量不宜低于40%(普通混合料用石灰有效氧化钙含量应在20%以上)。当石灰有效钙镁含量过低时,难以保证混合料后期的强度增长,当选用等外石灰时宜进行28d龄期强度试验。

选用四种不同品质的石灰配制混合料,石灰有效钙镁含量试验结果如图2所示。利用不同品质石灰按照相同配合比配制的混合料强度试验结果如图3所示。

图2 不同品质石灰的有效钙镁含量

图3 不同品质石灰配制混合料的强度

由图可以看出,等外生石灰配制的再生混合料随石灰有效钙镁含量降低混合料的强度有明显降低的趋势；消石灰配制的再生混合料强度没有随有效钙镁含量的增加而提高。由此可见不同品质的石灰对再生无机混合料的强度影响较大,尤其当有效成分含量较低时宜进行后期强度测定以保证混合料的应用性能满足要求。

2.3 粉煤灰

粉煤灰应满足JTG/T F20-2015标准要求。SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量大于70%,烧失量小于等于20%。

2.4 再生骨料

按照标准将再生骨料分为Ⅰ类、Ⅱ类。其中Ⅰ类为以混凝土为主的再生骨料,Ⅱ类为以砖瓦、混凝土类为主的再生骨料。不同种类再生骨料与天然骨料性能对比如表1所示。由表1可以看出,再生骨料与天然碎石相比具有密度低、吸水量大、含泥量及泥块含量高、压碎值高以及含杂物等特点。其中压碎值不能满足普通无机混合料对骨料压碎值的要求,但通过混合料配合比优化设计,再生无机混合料的性能指标均可满足验收标准要求,为指导施工应用,编制了再生无机混合料的相关标准.DB11/T999-2013《城镇道路建筑垃圾再生路面基层施工与质量验收规范》,其中再生骨料的指标控制如表2所示。

表1 再生骨料基本性能

表2 再生骨料质量控制指标

3 质量控制

3.1 骨料质量控制

根据上一节骨料对比可以看出,再生骨料与天然骨料性能存在一定差异,主要包括压碎值、杂物含量、组分稳定性、吸水率、密度等指标。利用再生骨料配制混合料时主要控制指标如下。

压碎值

由于Ⅱ类骨料中砖瓦类材料组分相对较多,不能满足普通标准规范要求,但根据试验结果显示,其配制的混合料的强度及性能可以满足验收要求,所以与普通混合料相比,放宽了再生骨料压碎值的指标要求。

杂物含量

根据目前的再生骨料生产工艺控制技术,不能完全清除再生骨料中的杂物,而杂物含量将对混合料的性能造成不利影响,所以在再生骨料控制指标中增加了杂物含量指标。

组分稳定性

再生骨料组分主要以混凝土石、砖瓦材料为主,由于两种组分的吸水率、密度具有一定差异,随混合料组分比例的变化再生骨料的吸水率、密度发生变化。在控制再生骨料指标中增加了混凝土石含量的测定,以便于控制混合料的最佳用水量和最大干密度。另外,按照混凝土石的含量对骨料种类进行了划分,通过混合料配合比设计以及性能试验结果显示,当再生骨料中混凝土石含量低于90%时,混合料后期强度受到一定影响,同时再生骨料加工企业生产的混凝土类再生骨料中混凝土石的含量可以达到90%以上,所以对再生骨料进行了分类,以便于合理选用。

3.2 混合料质量控制

混合料的质量控制包括：配合比设计、最佳含水量最大干密度确定、性能指标控制、拌合工艺等。

配合比设计

与混凝土的配合比设计不同,无机混合料的配合比设计主要通过力学性能指标综合经济指标确定混合料中胶结材料用量及比例,而混合料的用水量通过击实试验确定。

最佳含水量和最大干密度

最佳含水量和最大干密度指标通过室内击实试验确定,试验方法依据标准JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》,再生无机料选用重型击实试验丙法。

通过试验数据统计,再生无机混合料的最大干密度和最佳含水量参考范围如表3所示。由表3可以看出,再生骨料无机混合料的最大干密度和最佳含水量与普通无机混合料具有较大差异。由于再生骨料吸水率高导致混合料的最佳用水量提高。由于再生骨料的密度低导致混合料的密度降低。

表3 混合料的最佳含水量及最大干密度参考范围

最大干密度和最佳含水量是混合料施工和验收的重要参考指标,通过现场灌砂法测密度与最大干密的比值确定压实度。通过最佳含水量控制施工碾压含水率。但在击实试验过程中,由于再生骨料吸水率且波动大,导致混合料击实试验中用水量波动大。其中石灰粉煤灰稳定再生骨料以及水泥掺量较多时水泥稳定再生骨料的击实曲线接近抛物线；当水泥用量较小时,混合料击实试验很难获取抛物线(如图4、5、6、7所示),当混合料击实过程中已经出现严重出水现象(如图8所示),混合料的密度仍有不断增加的趋势。

图4 水泥稳定I类再生骨料击实曲线

图5 水泥稳定Ⅱ类再生骨料击实曲线

图6 水泥稳定Ⅱ类再生骨料实曲线

图7 普通水泥稳定级配碎石击实曲线

通过室内击实试验与实际施工效果对比统计分析,导致再生混合料击实曲线不易出现抛物线的原因主要包括：1)再生骨料的吸水率波动大；2)再生骨料中砖粉等粘聚性差的粉料含量相对较高,击实过程中粉料之间没有足够的粘结力导致击实过程中出现落锤下落点周围骨料反弹不易击实现象；3)再生骨料中砖瓦类材料强度相对较低,击实过程中出现骨料击打破坏现象(如图9所示),导致混合料难以击实。当水含量较高时,增加了混合料的粘聚性,当混合料出现出水现象时混合料的击实密度仍在继续增加,但该用水量不能用于工程施工,所以建议当无法出现击实曲线合理峰值时,宜选用击实出水点的前一点或微出水点作为最佳含水量取值点。

拌合工艺

采用传统拌合设备,搅拌缸长度不宜低于5米,或采用双缸搅拌。拌合胶结材料用量应按照室内试配用量提高0.5%左右,以保证施工强度。根据运输距离、施工时间应对拌合用水量进行合理控制。由于再生骨料吸水量大,主要吸水时间集中在1h内,24h内吸水量增加不大但也会对混合料的应用造成一定影响。通常以室内试验确定最佳含水量作为参考,根据天气情况提高1%～2%的用水量。而依据现行标准室,内击实试验闷料时间不同,水泥稳定再生骨料宜在1h内击实完成,二灰稳定再生骨料应闷料4h后进行击实试验,而实际生产施工中,水泥稳定再生骨料的碾压成型时间不超过3h,二灰稳定再生骨料不超过24h,由于室内试验时间和实际施工时间具有一定差异,而随着时间的延长再生骨料吸水量逐渐增加,会对碾压性能造成一定影响,所以在实际应用中,建议根据施工时间确定室内试验的混合料闷料、击实时间,进而确定最佳含水量。

3.3 施工质量控制

再生骨料混合料施工宜使用机械摊铺,采用刮平机摊铺或摊铺机(如图10所示)摊铺应注意松浦厚度,摊铺机摊铺的松浦系数一般在1.2～1.25,刮平机摊铺松浦系数一般在1.2～1.35,实际应用过程中宜通过铺筑试验段确定松浦系数。

图10 再生无机混合料摊铺设备

由于再生无机混合料中砖粉及混凝土石粉含量较多,混合料粘聚性较差,所以当骨料级配不合理或用水量较低时,混合料施工碾压加强振过程中容易出现骨料离析现象,而混合料含水量过高容易出现粘辊现象,如图11所示。在碾压过程中宜在碾压轮上配有刮板或钢丝绳,如图12所示。

混合料应在摊铺后及时碾压成型,宜采用12t～22t振动碾压压路机。碾压遍数宜通过试验段确定,通常碾压过程包括：不加振碾压——轻振碾压——强振碾压——轻振碾压——快速不加振碾压整形。混合料碾压加强振时容易导致混合料面层的砖瓦类骨料破碎,如图13所示,当养生过程面层水分损失较快时,养生后的再生骨料混合料面层易出现砖瓦类粉尘,如上层铺筑沥青时应加以处理。

图13 再生混合料碾压后表面状态

3.4 施工验收标准

再生骨料无机混合料道路基层碾压完成后应进行压实度检测,采用灌砂法。由于再生骨料的组分波动大,混合料密度均匀性差,宜适当增加灌砂试验点数。混合料基层经一定龄期养生后铺筑上层前应进行取芯、弯沉试验,确定混合料基层各项指标满足设计要求后方可进行上层施工。

4 结论

通过大量试验及施工验收过程数据统计可以看出,建筑垃圾再生骨料配制的无机混合料在应用过程中主要有以下特点。

(1)再生骨料组分波动性大,压碎指标不能完全满足普通无机混合料用碎石标准要求,但混合料的性能能够满足应用标准要求。

(2)再生无机合料最佳含水量高于普通无机混合料,最大干密度低于普通无机混合料,在使用过程中按吨计价时相同结构体积使用吨数降低,具有一定的经济性能。

(3)再生无机混合料的最佳含水量通过现有试验方法取值困难,但相对范围波动比例不大。合理的控制可以满足施工要求。

(4)施工过程应合理控制混合料用水量,室内击实试验时间应与实际施工时间相对应。以降低施工碾压过程中出现的骨料离析或碾压粘辊现象。

(5)由于再生骨料组分波动大,混合料的密度均匀性差,验收过程可适当增加压实度测量点数。

[1]北京市市政工程研究院.DB11/T999-2013城镇道路建筑垃圾再生路面基层施工与质量验收规范[S].北京：北京城建科技促进会,2013.

[2]交通部公路科学研究院.JTG E51-2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京：人民交通出版社,2009.

[3] 交通部公路科学研究院.JTG/T F 20-2015公路路面基层施工技术细则[S].北京：人民交通出版社,2015.

[4]赵立华,张磊,洪刚华,王彬,白延峰,崔宁.道路基层用水泥稳定再生骨料混合料击实试验研究.市政技术,2015年,第33卷(第4期)：171～174．