石灰粉煤灰稳定混凝土再生集料最优配合比的试验研究

彭艳周王华锋史宏宇张 典徐 港

(1.三峡大学 湖北省防灾减灾重点实验室,湖北 宜昌443002；2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌443002)

有研究发现[4-6],骨架密实型的石灰粉煤灰稳定再生集料不但具有良好的力学性能、水稳定性、抗冻性,而且对环境的保护和我国废弃资源的开发利用带来很大的益处,是一种环保型路面基层材料,目前正逐渐应用于道路建设中[7].然而由于废旧混凝土自身强度和破碎工艺等原因,在破碎时造成再生集料压碎值过大而不能应用于高级和Ⅰ级公路的基层,另外还会出现再生集料级配不良的现象,在级配设计时多数表现为再生细集料(0～5 mm)含量高达50%左右,会使得最后的混合料形成悬浮密实类型的骨架,与骨架密实型的应用广泛不同[8],此种骨架类型的研究相对较少.从加快建筑垃圾资源化和降低工程成本的角度出发,以材料的力学性能、抗冲刷性能、抗冻等性能为指标,同时考虑工程成本的因素,首先进行了再生集料复合料的级配设计,其次对石灰粉煤灰稳定再生集料混合料的配合比进行优化设计,最后对石灰粉煤灰稳定混合料的最优配合比进行了抗冻性能的研究,拟将石灰粉煤灰稳定再生集料应用于Ⅱ级及以下公路中的基层中去,为废弃混凝土的开发和利用带来更广的出路.

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

石灰:采用湖北省夷陵区龙泉镇双泉精制灰加工厂的钙质消石灰粉,有效CaO+MgO含量为87%,含水量为0.3%,Mg O 含量为1.1%,品质Ⅰ级.粉煤灰:采用华润电力(宜昌)有限公司中泽公司的粉煤灰,SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量为80%,SO3含量为1.7%,比表面积为390 m2/g,烧失量为6.4%,含水量为0.2%,f-CaO 含量为0.3%.水:采用自来水.再生混凝土集料:采用某废旧混凝土路面板破碎加工而成的粒径范围分别为0～5 mm的再生细集料(RCA-1)、5～20 mm(RCA-2)和20～30mm(RCA-3)的再生粗集料,再生细集料和再生粗集料基本性能分别见表1和表2,再生集料筛分析试验结果见表3.

表1再生细集料基本性能

表2再生粗集料基本性能

表3 3种再生集料的筛分试验结果(单位:%)

由表1可知,再生细集料的各指标均满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)[9]中的相应要求；通过对比表2中RCA-2、RCA-3基本性能的检测结果,根据规范规定此再生集料可以用于二级及二级以下公路工程中.

1.2 试验方法

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[10]进行了重型击实、无侧限抗压强度、劈裂冻强度、抗冲刷性能、冻融等试验.其中重型击实试验严格按照以上规范中无机结合料稳定材料击实试验方法类别中的丙法进行；无侧限抗压强度、劈裂冻强度、抗冲刷性能、冻融等试验试件的制作严格按照以上规范中无机结合料稳定材料试件制作方法(圆柱形)进行,选择的试件尺寸为:直径×高=Φ150 mm×150 mm.

2 结果与讨论

2.1 再生集料复合料的级配设计

《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)中对石灰粉煤灰稳定碎石,公路等级为二级及二级以下公路应符合LF-B-1S这一推荐级配.为得到满足LF-B-1S3 种粒径范围的RCA掺配比例,借助Matlab工具,运用数学中的枚举法进行求解,方法如下:首先,假设RCA-1、RCA-2、RCA-3三种粒级的再生集料掺量分别为m、n、k.为了尽量精确,这里m、n、k 的取值范围都取1∶100,共有1 000 000种组合；其次,计算与每个筛孔相对应的通过率,如公式(1)所示,并通过与规范给出的推荐级配上下限作比较进行筛选,把满足要求的m、n、k挑选出来.最后,为了方便记录并化为比例的形式,取k为1,再分别用m、n里的对应项分别除以k,分别得到m、n的比例范围.设计计算结果见表4.

其中:pi表示通过第i个筛孔尺寸的累计通过率；ρi1表示RCA-1中第i个筛孔尺寸的筛余百分率；ρi2表示RCA-2中第i个筛孔尺寸的筛余百分率；ρi3表示RCA-3中第i个筛孔尺寸的筛余百分率.

表4再生集料复合料配比例的设计计算结果

为得到良好的级配,RCA-1和RCA-2的掺量比例取其中间值,得到3种粒径范围的RCA 混合料的最优掺配比例,即RCA-1∶RCA-2∶RCA-3=50∶30∶20.最后按照此比例进行3种再生集料的复合掺配,并对复合料进行筛分试验以验证,筛分结果见表5,筛分曲线如图1所示.由表5可知,按照以上掺量比得到的再生复合料的级配与计算出的理论级配非常相近,误差很小,而且都落在LF-B-1S这一推荐级配范围内.由图1可以看出,实际筛分结果基本上在规范级配范围的中间部分,而且由于破碎工艺和废旧混凝土强度等原因使其最后获得的混合料中细集料RCA-1的含量高达50%左右,由此形成的骨架类型为悬浮密实型[8].

对比实验组与参照组脑卒中后认知障碍护理干预前后简易精神状态量表评分数据（见表1），护理前两组患者简易精神状态量表评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。经护理干预2组患者精神状态评分均有所升高，但实验组护理3个月、6个月、9个月后简易精神状态量表评分均高于参照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

表5 3种再生集料按最佳比例掺配得到的复合料的级配

2.2 石灰粉煤灰稳定再生集料最佳配合比的确定

在研究石灰与粉煤灰的用量比例对石灰粉煤灰稳定再生集料性能的影响时,选取的石灰粉煤灰掺量为《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)规范中推荐掺量范围的中间值18%,选取试验组号A1,A2,A3,A4,A5,5 个试验组号的设计配合比中石灰与粉煤灰比例分别为1∶1,1∶2,1∶3,1∶4,1∶5,并依照设计配合比进行击实试验和7 d无侧限抗压强度试验,得到不同配合比的石灰粉煤灰稳定再生集料(Lime Flyash Stable Regeneration aggregate,RSFL)的最大干密度、最佳含水量、7 d无侧限抗压强度.并以7 d无侧限抗压强度为主要指标,确定石灰粉煤灰的最佳比例.

石灰粉煤灰掺量对石灰粉煤灰稳定再生集料性能影响的研究,保持石灰粉煤灰最佳比例1∶2不变,选取试验组号A2-1,A2-2,A2-3,A2-4,并4个试验组号的设计配合比中石灰粉煤灰的总量分别为18%,15%,13%,9%,并依照设计配合比进行击实试验、7 d无侧限抗压强度试验、28 d劈裂强度试验、90 d冲刷质量损失率试验,得到不同配合比的RSFL的最大干密度、最佳含水量、7 d抗压强度、28 d劈裂强度、90 d冲刷质量损失率等试验结果,并以各实验结果确定RSFL的最佳配合比.

对于室内试验取得的抗压强度均取95%的代表值,另外对其试验的工序进行了严格的控制,所有混合料均按照有关规范的时间进行拌制和闷料,各项试验中的试件成型参数、数量、质量、养护条件及测试内容,也均参照有关试验规程和设计规范来完成[10].

2.2.1 石灰与粉煤灰用量比对混合料最大干密度和最佳含水量的影响

由图2可知,在石灰粉煤灰与再生集料用量不变的情况下,石灰粉煤灰稳定再生集料的最大干密度和最佳含水量的变化趋势都是随着石灰粉煤灰比的逐渐减少,即随着石灰含量减小粉煤灰含量增多呈现先上升后下降的趋势；且不难发现最大干密度和最佳含水量都在石灰与粉煤灰的用量比为1∶2 时达到最大,分别为1.98 g·cm-3和11%；此外和石灰粉煤灰稳定碎石相比最大干密度有所降低,最佳含水量有所升高,出现这一现象的主要原因可能是由于RCA表面以及内部孔洞增加、微裂缝较多、附着过多硬化水泥砂浆,使其表观密度减小,吸水量增多造成的[11].

2.2.2 石灰与粉煤灰的用量比例对混合料7 d无侧限抗压强度的影响

由图3可知,随着石灰粉煤灰比的逐渐降低,其7 d抗压强度由低到高后出现回落,抗压强度的峰值出现在石灰粉煤灰比为1∶2左右,而且在峰值过后随着石灰与粉煤灰用量比的降低,混合料的强度变化幅度逐渐减小,于石灰/粉煤灰比为1∶4 后趋于稳定.值得注意的是在石灰粉煤灰含量为18%,RCA 含量为82%时,石灰粉煤灰比在1∶1～1∶5之间的范围内,其抗压强度都高于规范中对二级及二级以下公路规定的石灰粉煤灰稳定材料的7 d无侧限抗压强度标准Rd(数值为0.9 MPa),因此石灰粉煤灰的用量最佳比为1∶2左右.

2.2.3 石灰粉煤灰含量对混合料最大干密度和最佳含水量的影响

由图4可知,随着石灰粉煤灰含量的逐渐减少,混合料的最大干密度会随之增大,而最佳含水量的变化则相反,即石灰粉煤灰含量越小,其含水量也逐渐减小；由于RCA 的表观密度为2 490 kg·m-3左右,而通常情况下要比石灰粉煤灰的表观密度大,一般只有1800 kg·m-3左右,因此在保证密实度的情况下,随着RCA 含量的增加,混合料的干密度也会随之增大.

2.2.4 石灰粉煤灰含量对混合料7 d无侧限抗压强度的影响

由图5可以看出,随着石灰粉煤灰含量的减少和RCA 含量的增加,抗压强度呈现下降的趋势,这说明抗压强度与石灰粉煤灰和RCA含量有着密切的关系,并且把灰固比(石灰粉煤灰含量和RCA 含量的比值)与7 d抗压强度值进行线性拟合,得到两者的关系如图7所示；并且可以从图中可以发现悬浮密实型骨架结构在石灰粉煤灰比为1∶2,含量达到最低值9%时,其强度仍然满足规范所要求的石灰粉煤灰稳定材料的7 d无侧限抗压强度标准Rd(数值为0.9 MPa).

2.2.5 结合料和被稳定材料之比与混合料7 d无侧限抗压强度的关系

由图6可看出,结合料(石灰粉煤灰)和被稳定材料(再生复合集料)之比与抗压强度是正相关关系,以灰固比为x,抗压强度为y,拟合的方程为y=0.74+11.77x.结合料中石灰的主要成分为CaO,粉煤灰的成分主要为SiO2和Al2O3.石灰与水发生水化反应,生成氢氧化钙,为粉煤灰的水化提供钙源和碱性环境,生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙,能将再生集料胶结在一起,形成固化粘聚力,这是混合料强度的主要来源.因此随着结合料/被稳定材料的比例逐渐增大时,混合料中的水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶就会相对增多,混合料中的再生集料被包裹得更加严密,且之间的粘聚力也会更大,强度也会更高.其中组号A2-3的石灰粉煤灰稳定再生集料混合料通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)检测,其微观形貌如图7所示,图7(a)可看出中间是一些石灰、粉煤灰生成的产物,把旁边的较疏松的再生集料颗粒联系起来,从图7(b)、7(c)可以看出产物的产量不多,孔隙率较高,因此虽可以形成一定的强度,但不会很高.

2.2.6 石灰粉煤灰含量与混合料劈裂强度、抗冲刷性能的关系

对抗裂性能、抗冲刷性能进行检验,以上4个配比的28 d劈裂强度和90 d冲刷质量损失率如图8所示.

由图8可以看出,随着结合料含量的减少,劈裂强度呈现下降的趋势,并从斜率可以看出当石灰粉煤灰含量在13%～9%之间下降趋势更加明显,石灰粉煤灰含量9%(A2-4)时,劈裂强度仅有0.05MPa；对于冲刷质量损失率,随着石灰粉煤灰含量的减少呈现增大的趋势,从折线的斜率可以看出石灰粉煤灰含量在15%～13%之间上升趋势相对比较平缓,而13%～9%之间上升趋势相对比较明显,石灰粉煤灰含量为9%时,冲刷质量损失率高达10%左右.从以上分析可以发现虽然石灰粉煤灰含量为9%时强度满足要求,但其劈裂强度过低,冲刷质量损失率过高,因此可以发现石灰粉煤灰含量为9%时并不适合作为道路基层材料使用.相比较之下,石灰粉煤灰含量在18%(A2-1)时其各个方面的路用性能都比较好,石灰粉煤灰含量在13%～15%时,虽然其性能方面略有不及A2-1,但从测试结果可以看出仍能使用于道路基层中,并且随着粉煤灰的使用日益普遍,价格增幅剧烈,因此,在工程中不得不考虑成本的限制,故石灰粉煤灰含量在13%～15%时最为理想.

综上所述,由于废旧混凝土本身强度以及其他性能的原因,在破碎后生产出的再生集料经过级配设计不能形成骨架密实型的相对稳定的骨架结构,而只能形成悬浮密实型的骨架结构.经过研究发现悬浮密实型石灰粉煤灰稳定再生集料的最佳石灰粉煤灰比在1∶2左右,最佳石灰粉煤灰含量在13%～15%,RCA含量建议在85%～87%,此时的石灰粉煤灰稳定再生集料不仅具有良好的抗压、抗裂、抗冲刷性能.

2.3 石灰粉煤灰稳定再生集料的抗冻性能

选取石灰和粉煤灰质量比为1∶2,石灰粉煤灰含量为13%,RCA含量为87%这一配比的混合料,进行了石灰粉煤灰稳定再生集料的抗冻性能的试验研究,结果见表6.

表6 RSFL抗冻性能的试验结果

由表6可知,石灰和粉煤灰质量比为1∶2,石灰粉煤灰含量为13%,RCA 含量为87%这一配比的混合料经5次标准冻融试验后,其质量损失率均不超过0.14%,且各试件的外观质量良好,未见有明显破损,第5次冻融循环后抗压强度损失率仅为4.7%.

3 结论

针对再生集料压碎值过大和级配不良造成废旧混凝土利用率低的问题,借助Matlab以3种粒级的再生集料(粒径分别为0～5 mm、5～20 mm、20～30 mm,依次记为RCA-1、RCA-2、RCA-3)为原料进行再生复合料的级配优化设计,并通过重型击实、无侧限抗压强度、劈裂试验、抗冲刷性能等试验,研究了石灰粉煤灰的组分比例(即石灰/粉煤灰比例)、结合料掺量(石灰与粉煤灰的总掺量)对混合料的最大干密度、最佳含水量、7 d无侧限抗压强度、28 d劈裂强度、90 d冲刷质量损失等性能的影响,在此基础上,研究了石灰粉煤灰稳定再生集料混合料的抗冻性能,得到如下结论:

1)提出了一种借助于Matlab软件进行再生集料复合料级配设计的计算方法,并据此得到了3种再生集料的适宜掺配比例,即RCA-1∶RCA-2∶RCA-3=50∶30∶20.

2)以石灰粉煤灰为结合料,对再生复合集料进行稳定,所得混合料为悬浮密实型结构的道路基层材料.结合料(石灰粉煤灰)与被稳定材料的质量比(x)对混合料的7 d无侧限抗压强度(y)有着较大的影响,两者之间存在着以下关系:y=0.74+11.77x.

3)得到了石灰粉煤灰稳定废旧混凝土再生集料的最优配合比,本试验条件下最优配合比为:石灰/粉煤灰用量比为1∶2左右,石灰粉煤灰总量为13%～15%(RCA 含量为85%～87%时).此时,混合料的抗压强度、劈裂强度、抗冲刷性能等力学性能满足二级及二级以下公路对基层材料的要求,并且其抗冻性能也表现良好.