水泥稳定建筑垃圾混渣料的路用性能研究

张俊峰,肖 田,李清华,靳灿章,李鸿运

(1.中交一公局第六工程有限公司,天津 300451;2.天津市政工程设计研究总院有限公司,天津 300392;3.河北工业大学土木与交通学院,天津 300401)

随着我国社会经济的持续发展,节能环保理念已经逐步深入到公路等交通基础设施建设的各个领域。在“碳达峰、碳中和”的目标要求下,推进资源全面节约和循环利用,减少资源消耗、提高再生资源利用水平的任务迫切[1]。建筑垃圾是一种房屋拆迁、市政改造等工程活动产生的一种废弃物,如果这些建筑垃圾不能被循环利用,只能当做垃圾处理,不仅占用土地,还会造成环境污染[2]。如果能够将建筑垃圾在公路工程等交通基础设施建设中作为建筑材料使用,将能变废为宝。但是,建筑垃圾的来源多样、组成成分差异巨大。对于以水泥混凝土路面改造、混凝土楼房拆除产生的废弃混凝土或者以废弃混凝土、含量较少的废砖组成的建筑垃圾,可以将其制成再生集料,用来生产再生混凝土加以循环利用[2,3]。并且也可以生产半刚性混合料用于公路工程的基层建设[4,5]。而大部分建筑垃圾来自于房屋拆迁所产生的低品质材料,其主要由低强度废弃混凝土块和大量的渣土组成,这些混合料难以充分分离,通常以建筑垃圾混渣的形式出现。为了促进这种以混渣为主的建筑垃圾的工程应用,以建筑垃圾混渣为原材料,以水泥为结合料,通过系统的实验,研究不同掺配比例情况下,水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压强度、水稳定性等路用性能,分析其作为公路建筑材料的技术性能。

1 原材料性质

1.1 水泥

试验用水泥为唐山冀东水泥厂生产的P·O 42.5硅酸盐水泥,其主要技术指标如表1所示。

表1 水泥的主要技术指标

1.2 建筑垃圾混渣

建筑垃圾混渣是建筑垃圾破碎完大块儿废料后的混合料,主要由废混凝土破碎料和建筑垃圾拆房土组成,试验测得建筑垃圾混渣中的废混凝土破碎料(粒径近均小于26.5 mm)和拆房土的主要技术指标,见表2和表3。

表2 废混凝土破碎料的技术指标

表3 拆房土的技术指标

2 试验设计

由于建筑垃圾通常以混渣的状态出现,为研究不同情况下的水泥稳定建筑垃圾混渣的路用性能,对试验按照如下方案进行设计:(1)首先将建筑垃圾混渣中的废混凝土破碎料含量分别控制在20%、35%、50%和65%,其余为拆房土。(2)将水泥的掺量选定为4%、5%和6%。(3)根据路用性能的抗压强度、劈裂强度和水稳定性规试验的范制要求[6],制作相应的试验试件,通过养生后测试其路用性能指标。

3 试验结果与分析

3.1 标准击实试验

公路基层材料施工过程中的压实度控制是一项事关工程质量的最关键技术指标,而室内标准击实试验确定最大干密度是控制压实度的基础,根据试验规程标准的试验方法,测得水泥稳定建筑垃圾混渣的标准击实试验结果如表4所示。

表4 水泥稳定建筑垃圾混渣的标准击实试验结果

从表4的标准击实试验结果可以看出,废混凝土破碎料含量对水泥稳定建筑垃圾混渣的最大干密度具有显著的影响,但是水泥含量对最大干密度的影响很小。根据表4中的数据,绘出水泥稳定建筑垃圾混渣的最大干密度随废混凝土破碎料含量的变化曲线,如图1所示。

图1 最大干密度随废混凝土破碎料含量的化曲线

从图1的规律可以看出,水泥稳定建筑垃圾混渣的最大干密度在废混凝土破碎料含量为50%时达到最大值,这是因为此时混合料既有破碎料形成的骨架结构、又有拆房土等细料填充其中的空隙,形成最为密实的骨架密实结构的缘故。

3.2 水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压强度

抗压强度是作为公路基层或底基层材料的设计控制指标,为了考察不同废混凝土破碎料含量对水泥稳定建筑垃圾混渣抗压强度的影响,试验测出不同情况下水泥稳定建筑垃圾混渣的7 d龄期抗压强度,并做出抗压强度随废混凝土破碎料含量的变化曲线,分别如表5和图2所示。

图2 抗压强度随废混凝土破碎料含量的变化曲线

表5 水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压强度试验结果

从表5和图2的可知,当废混凝土破碎料含量小于50%时,水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压强度随着废混凝土破碎料含量的增大而提高;当废混凝土破碎料含量大于50%时,抗压强度反而会随着废混凝土破碎料含量的增大而有所降低,这主要是由于当废混凝土破碎料含量达到一定限度之后,混合料反而不能达到最佳的密实程度的原因造成的。

同时,从表4的试验数据知,根据相关规定[6],试验范围内水泥稳定建筑垃圾混渣的7 d龄期抗压强度均大于2.0 MPa且小于3.0 MPa,因而可以将水泥稳定建筑垃圾混渣用于中、轻交通各级公路的底基层和二级以下公路的基层,但不能用于高速公路和一级公路的基层;除水泥含量为4%和废混凝土破碎料含量为20%的配合比之外,其余配合比的7 d龄期抗压强度均大于2.5 MPa,可以用于重交通高速公路和一级公路和特重、极重交通二级以下公路的底基层。

另外,如图3所示,水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压强度会随着水泥掺量的增大而显著提高。当废混凝土破碎料含量为50%时,水泥掺量从4%分别提高至5%和6%,抗压强度分别提高了6.0%和10.2%。

图3 水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压强度随水泥掺量的变化曲线

3.3 水泥稳定建筑垃圾混渣的刚度

公路工程中通常以抗压回弹模量来表征材料的刚度值。试验测出90 d龄期,不同废混凝土破碎料含量水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压回弹模量如表6所示。

表6 不同情况下水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压回弹模量

从表6的试验结果可知,水泥稳定建筑垃圾混渣具有较高的刚度,其抗压回弹模量值大于水泥稳定土,稍小于水泥稳定碎石。与抗压强度的规律相似,水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压回弹模量会随着水泥掺量的增大而提高。当废混凝土破碎料含量为50%时,水泥掺量从4%分别提高至5%和6%,抗压回弹模量分别提高了9.2%和14.7%。而当废混凝土破碎料含量小于50%时,水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压回弹模量随着废混凝土破碎料含量的增大而提高,当水泥掺量为5%时,当废混凝土破碎料含量从20%分别提高至35%和50%,抗压回弹模量分别提高了8.0%和13.5%。

3.4 水泥稳定建筑垃圾混渣的抗冻性能

冰冻地区或季节性冰冻地区的公路基层或底基层可能会受到冰冻的影响,因而,基层材料应具有较好的抗冻性能。根据标准的试验方法[7],测得水泥稳定建筑垃圾混渣的冻融试验结果(5次冻融),如表7所示。

表7 水泥稳定建筑垃圾混渣的冻融试验结果

从冻融试验结果可知,水泥稳定建筑垃圾混渣的冻融抗压强度损失BDR均大于60%,尤其是当水泥掺量达到6%时,BDR大于75%,可见水泥稳定建筑垃圾混渣具有较好的抗冻性能。

4 结 论

试验研究了水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压强度、刚度、抗冻性能等路用性能指标,并分析了其影响规律,主要结论如下。

(1)当废混凝土破碎料含量为50%时,水泥稳定建筑垃圾混渣的最大干密度、抗压强度和抗压回弹模量值达到最大。

(2)水泥稳定建筑垃圾混渣的抗压强度和刚度较高、抗冻性能良好,并且随着废混凝土破碎料含量的增大有一个先升后降的规律;同时,随着水泥掺量的增大而提高。

(3)试验范围内水泥稳定建筑垃圾混渣的7 d龄期抗压强度均大于2.0 MPa且小于3.0 MPa,因而可用将将水泥稳定建筑垃圾混渣用于中、轻交通各级公路的底基层和二级以下公路的基层,但不能用于高速公路和一级公路的基层。