再生骨料如何在混凝土路面中循环利用?需从以下几方面入手!

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2018-08-15

碾压混凝土与常规水泥混凝土的成分基本相同,均由水泥、水、砂及骨料构成,但碾压混凝土更加干燥,压实更加充分,且施工进程中碾压混凝土没有接缝,不包含板钉或钢筋,通过前期的精心设计,会使路面具备很高的抗压强度和耐久性。成型后的路面敏感度较低、干燥收缩裂缝小,且道路施工过程中的施工工艺简单,若铺设20cm的路面,采用一般的压实机械就可以保证表面平整度、均匀性和压实度。因此,碾压混凝土在多种类型的工业或重载路面中得到广泛应用。


此外,现阶段建筑工程的蓬勃发展,使得建筑物废旧骨料逐渐增多,但由于其不同组成和性能差异,使其重新利用的受限明显,而水泥混凝土路面的再生骨料来源渠道单一均匀,性能稳定,相比建筑废旧骨料,更加易于重新使用。其中的水泥混凝土和沥青混凝土作为两种主要的道路回收材料,经常用做新建工程的道路基础,但由于胶结料含量的原因,其耐磨性和强度受到一定制约,该文主要研究再生骨料作为碾压混凝土路面的原材料的组成设计。


原材料


再生骨料

主要来自于工业厂房和沥青路面。再生骨料主要包含混凝土骨料和掺杂部分沥青及其他路面材料的混合料,因为存在大量水泥砂浆,再生骨料会影响碾压混凝土的力学性能。因此,必须在前期混凝土设计时对混合料进行筛分,大部分骨料的粒径大于10mm,混合前只有5.87%的骨料数量低于10mm,而混合后增长到13.53%。


通过评价亚甲蓝值的测量值,实现对通过80mm筛孔的部分骨料的表面潜在活性检测,且密度对确定材料空隙率非常重要,最后结合吸水率评估7~20mm颗粒的组分。


可以看出:亚甲蓝的测试值非常低,单位密度和堆积密度相当高,说明再生骨料非常接近天然骨料,可以在混凝土中使用,且洛杉矶系数也表明该骨料具有良好的抗压碎性能。


在骨料吸水率平均值的基础上,考虑混合料的组成。可以看出:再生骨料的吸水率仍比天然骨料大,因此多孔性质的混凝土在进行设计时要采用更高的用水量。


水泥选用高炉矿渣42.5级水泥,因为其水化率低、混合料和易性好,在混合的过程中更容易与骨料形成稳定的混合料。

混合料配合比设计


配合比设计的主要目的是优化混合料的压实度,其方法包括一致性测试、材料压实,优化体积和固体悬浮液模型采用基于压实理念为主的设计思想,选用较小的水泥、水和骨料用量,在固体压缩模型中有助于混合料一致性和压实。


振动压实产生的能量对碾压混凝土的性能形成非常重要,基于这个原因,室内试验需要进行多次的修正、调整和验证。直接制备160mm和320mm的试件,该设备的主要优势是圆柱体试件可以重新再利用。试验过程主要采取以下6个步骤:①集料和砂子加入搅拌机并搅拌2min;②静置1min;③加入水泥并搅拌2min;④加水搅拌2min;⑤将模具在振动台上固定;⑥振动1min。试件制作完成后对其密实度进行检测,即将约7.5kg的试件样本放置到振动台上,在150Hz的振动频率作用下将产生的10KPa压力作用于试件上,通过测量混凝土的体积变化,计算混凝土试件的密实度。


混合料优化


混合料组成是基于比利时指南的要求,根据混凝土设计的理论,在参照曲线的基础上优化混合料中的颗粒骨架。由于缺乏2~10mm的颗粒组成,第一组合的混合料设计含砂量太多,通过优化骨料的含砂比例和含水量的方式,得到混合料的最大压实度。


含水量的优化主要通过对不同试件的含水量和密实度测试实现,为了明确水泥水化时的有效水量和需水量,必须考虑混合料中再生骨料的吸水率,该文选取7种具有相同骨料结构的试样,对其含水量、各成分占比和抗压强度进行测试。


可知:当含水量为140~170L/m3时,7d抗压强度基本保持不变;当含水量为120~140L/m3时,随着含水量的降低,7d抗压强度降低明显,此时的混凝土变得干燥且无粘结能力。结合抗压强度的变化,可得混合料达到最优压实度时的含水量为140~160L/m3,对于室内试验或现场试验段的铺筑,建议选定混凝土组成配合比所对应的含水量为150L/m3,此时混凝土铺筑压实情况良好,且力学性能较好。


对碾压混凝土再生骨料进行冻融循环和空隙率测试等耐久性试验的结果,测试后的试件质量损失低于0.03%,且试件之间几乎没有差异。导致粘结较差。另外,冻融循环前后进行的共振频率测试,其结果显示变化非常小,说明混合料在冬天使用时也将具备良好的性能。


参数优化


天然骨料比较


天然骨料和再生骨料在使用性能上存在差别,通过试验对采用天然骨料的混凝土与再生骨料的碾压混凝土进行相关性能的比较,测试结果表明:由于再生骨料的粒度测定参考天然骨料的性能标准,导致7/14与14/20的石灰石骨料结构压碎,但是混凝土压实度在规范要求的范围内,由于再生骨料的吸水率较高,使混凝土的有效压实度完全不同,抗压强度随养生时间增加而增大。天然骨料的质量更好,采用天然骨料的混凝土抗压强度更高。


试验条件


为了与之前的既有经验进行比较,该文对混合料的密度试验进行了改进。原试验主要在岩土工程中评价土的含水量和干密度之间的关系,以便让土体达到指定压缩模量。材料试验中让一个4.5kg重锤从457mm高处下落击实5层CBR模具的铸件56次,之后测量湿密度ρh和干密度ρd,然后根据式(1)计算密度。


混凝土含水量-密度曲线呈现钟形,最大值对应混凝土较高干密度时的最佳含水量,由此可以看出:获得的最佳含水量为6.46%~7.39%,对应的水总量为140~160L/m3。为了能够准确比较两个过程,通过式(2)、(3)从混凝土构件角度确定干物料比重。


水泥用量


基于碾压混凝土的优化组合,试验过程中采用较低的水泥含量,以此分析混合料对水泥含量的灵敏度。当水泥含量减少且低于150kg/m3时,由于空气代替了水的减少量,导致成型试件的空隙率明显增加,水泥含量由250~175kg/m3变化时,7d抗压强度降低了43%,因此,若要满足混凝土的抗压强度要求,则混合料中的水泥含量应不小于200kg/m3。


结论


(1)在提供质量和稳定性均良好的废旧材料基础上,沥青路面能够做到循环再利用,且再生骨料在碾压混凝土的使用过程中表现出很好的性能,混合料的密度可以达到2634kg/m3,吸收系数为4.58%,洛杉矶系数为25。


(2)天然骨料混凝土和再生骨料混凝土的压实度均可以达到要求,虽然天然骨料混凝土的抗压强度更高,但再生骨料混凝土更符合目前环保友好型路面的发展趋势;振动称重测试是除了普氏改性测试外,评价混合料抗压强度较准确的一种测试方法。


(3)水泥含量在175~250kg/m3之间对混凝土的压实度影响不大,但为避免由于水泥减少而导致的抗压强度降低,再生骨料混凝土中的水泥含量不能小于200kg/m3;再生骨料混凝土的最佳含水量分布范围较大,如果环境条件发生改变将使含水量出现变化,但对混凝土的最终性能没有明显影响。

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