含再生集料级配碎石的压实性能和强度试验研究

周盛树, 朱晓煜

(1.莆田学院 土木工程学院， 福建 莆田 351100；2.上海市政工程设计研究总院有限公司， 上海 200092)

0 引言

在过去20 年里, 建筑固体废物(construction& demolition waste, CDW) 的回收利用是一个全球关注的课题, 已成为发达国家社会经济优先施行的事务； 而在近10 年中, 发展中国家也逐渐加入CDW 回收利用行列[1]。 由于大多数国家的自然资源日益缺乏, 出于环境方面的考虑, 迫切需要回收CDW 材料生成再生集料, 这些材料可以作为天然矿料的替代品, 用于路基、 路面、 人行道和其他土木工程中。

CDW 来源不同, 成分复杂, 主要成分包括：混凝土、 粘土砖、 石块、 陶瓷、 玻璃、 塑料、 沥青混合料、 木材、 金属、 石膏基材料及有害物质等。 通常砖混结构建筑拆除后, 旧混凝土、 碎砖、 砂浆是可利用建筑垃圾的主要原材料, 其中旧混凝土占总质量的60%, 然后依次是废石( 14%)、 碎 砖( 13%)、 沥 青( 5%) 和 其 他(8%)[2]。

早在2001 年, 就有学者对再生混凝土集料(RCA)作为无粘结粒料应用于路面底基层开展了研究, 认为其性能可与天然材料相媲美[3]。香港理工大学潘智生等探讨了RCA 和再生粘土碎砖(RCB) 用于无粘结材料底基层时, 再生集料掺配比例对混合料压实性能的显著影响[4]。澳大利亚Arulrajah 等对5 种建筑废料进行比较,将RCA 与RCB 混合作为路面底基层的替代材料, 发现比例高达25%的碎砖可以安全地添加到混合集料中应用于路面基层或底基层[5]。 肖杰等分析了再生集料含量对混合料加州承载比(CBR)的影响, 并讨论了压实度与含水量对混合料动回弹模量的影响, 所得结果充实了再生集料应用于粒料层的研究[6]。 此外, 张志伟将砖混类再生骨料用于级配碎石, 研究发现再生骨料中杂物含量的增加能明显降低级配碎石的最大干密度与承载比； 适量增加RCA 颗粒含量, 可以提高级配碎石的路用性能[7]。 张立群等研究了混凝土再生粗骨料在道路基层中的应用, 认为再生粗骨料抵抗压碎的能力比天然集料低, 但满足道路材料强度要求[8]。

针对含再生集料级配碎石压实特性的研究较少, 为此, 本文在比较分析两种再生集料的基本物理性质的基础上, 探讨其代替比例对级配碎石最佳含水率和最大干密度的影响, 然后进一步讨论含再生集料级配碎石的CBR 是否满足我国现行规范标准的要求, 所得结论为确定再生集料的掺配比例提供参考。

1 再生集料

粗集料包括3 种, 分别是天然辉绿岩碎石(NA)、 RCA 和RCB。 其中, 后两种集料的原材料来自于建筑拆除的固体废物, 经颚式破碎机加工并筛分获得, 是粗糙、 多孔和不规则的再生材料。 RCA 的规格为15 ～25 mm 和5 ～15 mm, 而RCB 的规格为5 ～25 mm。 各种规格粗集料按照《公路工程集料试验规程》 (JTG E42—2005) 试验方法检测集料相关物理性质, 包括粗细集料的表观密度、 吸水率, 粗集料的针片状颗粒含量、压碎值等质量技术指标, 检测结果如表1 所示。细集料采用0 ～5 mm 的石灰岩石屑, 表观密度为2.668 g⋅cm-3, 吸水率为3.80%。

表1 粗集料的物理指标

由表1 可知, 天然碎石的平均表观密度最大, RCA 次之, 而RCB 的平均表观密度最小,大约是天然碎石的74%。 3 种粗集料的平均吸水率分别为0.76%、 6.51%和8.50%, 造成差异的主要原因是： RCA 表面附着密度较小的砂浆, 砖块和砂浆的孔隙率和比表面积较大, 吸水性更强。

针片状颗粒含量相差较大, 再生集料优于天然碎石。 两种再生集料的平均压碎值分别为14.8% 和25.6%, 均大于NA 的平均压碎值9.9%。 值得注意的是, RCB 只能满足二级和二级以下公路基层压碎值不大于30%的要求。 总的来说, 相对于天然粗集料的物理性质, 再生集料表现出密度小、 孔隙率大、 吸水率大、 压碎值大的特点, 但是, RCA 具有较好的针片状指数和颗粒形状。

2 试验方案

2.1 级配组合设计

为研究再生集料的掺配对级配碎石性能的影响, 本文共设计了5 组不同材料的级配组合。 其中, 1#组采用100%NA, 作为基本评价参照组；2#组采用85%NA+15%RCA, 3#组采用70%NA+30%RCA, 4 # 组采用70% NA + 15% RCA + 15%RCB, 5#组采用50% NA + 25% RCA + 25% RCB。参照《 公路路面基层施工技术细则》 ( JTG/ T F20—2015)中级配碎石或级配砾石用于高速公路和一级公路基层、 底基层的推荐级配范围(GA-4)取中值, 如表2 所示, 粒料的公称最大粒径为26.5 mm。

2.2 试验方法

再生集料按一定的质量比例代替天然矿料用于粒料基层, 其类型及代替比例会对混合矿料的物理性质和力学特性, 包括最佳含水率及最大干密度、 CBR 值等产生影响。 为此, 本文通过设计不同再生集料组合的击实试验和CBR 试验,评价包含再生集料级配碎石的压实特性以及承载能力。

击实试验包括轻型击实和重型击实两种, 由于本试验使用的粒料最大公称粒径为26.5 mm,故采用重型击实法对5 组混合矿料分别进行试验。 试验前, 将已过筛的试料用四分法逐次分小, 至最后每份质量约5.5 kg。 预定5 个不同的含水量, 依次相差1%左右。 采用电动击实仪,重锤的质量为4.5 kg, 重锤落高为45cm, 试筒内径152 mm, 试样高度120 mm, 分三层击实,每层击实98 次。

CBR 试验是用来评价道路材料承载能力的重要方法, 表征粒料材料抵抗局部荷载产生变形的能力, 以标准碎石承载能力的相对百分比表示。 按照 《 公路土工试验规程》 ( JTG E40—2007)中T0134 承载比试验方法进行CBR 试验。控制试件在最佳含水率、 压实度为98%条件下的干密度备样, 每组制备3 个, 共计15 个试样,试验结果取平均值。 CBR 值的计算公式如下：

式中： CBR 为加州承载比, 计算到0.1； p 为单位压力(kPa), 贯入深度为2.5 或5.0 mm； p0为标准单位压力, 贯入深度为2.5 mm 时取7 000 kPa, 贯入深度为5 mm 时取10 500 kPa。

3 结果与分析

3.1 击实试验结果

5 组混合集料的击实曲线如图1 所示, 采用二次多项式模型回归拟合二者之间的关系, 击实试验得到各组粒料的最佳含水率和最大干密度结果如表3 所示。

表3 级配碎石的最佳含水率和最大干密度

由表3 可以发现, NA 的最佳含水率最小(5.41%), 随着RCA 掺配比例的增加, 混合集料的含水率明显增大, 呈现较明显的规律。 当RCA 含量达到30%(3 #组) 时, 最佳含水率是8.36%, 比参照组增加了54.5%。 这原因很可能是RCA 表面附着少量砂浆, 而砂浆密度相对较小、 吸水率较大, 导致混合粒料的最大干密度变小, 最佳含水率变大。

图1 级配碎石的击实曲线

同时, 用RCB 部分代替RCA, 则进一步提高了混合集料的最佳含水率。 当RCB 含量达到25%(5 # 组) 时, 混合集料的最佳含水率高达13.56%, 是3 # 组的1.62 倍, 是天然矿料的2.51 倍。 这主要是由于破碎过程的影响, RCB表面开始出现微小的裂缝, 再生集料的不良特性明显。

NA 的最大干密度为2.323 g⋅cm-3, 是所有组合中最大的, 而5#组的最大干密度最小, 仅为1.914 g⋅cm-3。 试验结果表明, 最佳含水率和最大干密度受再生材料的掺配比例的影响, 随着再生集料掺配比例的增加, 最大干密度逐渐减小, 而粒料的最佳含水率逐渐增大, 这一点与杨敏的研究结论是一致的[9]。

3.2 CBR 试验结果

根据试验规程, 本试验CBR 值均采用贯入深度为5 mm 时的CBR, 取每组三个平行试验的平均值进行比较分析, 各组粒料的CBR 值如图2 所示。

图2 不同粒料组合的CBR 值比较

从图2 可以明显看出： 2#组, 也就是RCA替代比率为15%时, 试验得到的平均CBR 值是最高的, 达到183, 甚至超过了1#组(100%NA)的CBR 值, 这一点是出人意料的。 其次, RCA替代比率为30%时, CBR 值比参照组(1#组) 降低了6.3%。 当采用3 种混合集料, RCB 占比为15%时, 粒料的CBR 值进一步降低； 若RCB 占比达到25%, 5#组所得到的CBR 值仅为135,是各组中最低的, 并且比参照组低了22.8%。

级配碎石的强度主要来源于颗粒之间的摩擦以及嵌挤作用, 而再生集料表面较天然集料粗糙, 一定程度上使内摩擦角增大。 再生集料的粘聚力普遍在41～46 kPa, 而内摩擦角在49° ～51°,RCA 的岩土环境特性等同于甚至好于采石场的粒料, RCB 在70%的最佳含水量下具备和采石场集料大致相同的性能[5]。 因此, 试验进一步证实了再生集料有可能提高混合集料强度的可能性。

另一方面, RCA 表面粘附的砂浆块吸水后容易产生水化反应, 使得粒料之间具有较强的粘聚作用, 集料因互相吸附而更加坚固。 与RCA相比, RCB 孔隙率大, 强度较低, 颗粒吸水之后强度降低, 大大降低了级配碎石的强度, 这一结论与肖杰等得到的结果[6]类似。 需要注意的是, RCB 的吸水率较高, 在低温地区有可能影响粒料基层的抗冻性, 所以应该谨慎使用并控制其配比含量。

目前, 还没有关于再生集料道路基层的规范标准, 可以参考《公路路面基层施工技术细则》(JTG/ T F20—2015)的规定： 对于高速公路及一级公路, 级配碎石路面基层和底基层的CBR 要求分别不小于160 和80； 对于二级及以下公路,要求分别不小于120 和60。 由此可见, 含RCA的级配碎石可以用于各级公路的基层或底基层,其掺配比例可以达到30%左右。 再生集料RCB可以与RCA、 NA 组成级配碎石, 但由于RCB替代比例为25%时CBR 值仅135, 为保证CBR满足要求, 所以只能用于二级及以下公路。

4 结论

(1) 与开采石料相比, 再生集料存在密度小、 孔隙率大、 吸水率和压碎值高的缺点, 在物理和力学性能方面都是有差异的。 再生集料影响级配碎石的压实性能, 随着再生集料含量增加,粒料的最佳含水率增大, 最大干密度减小。

(2) 试验发现85% NA + 15% RCA 混合料的CBR 值超过100%NA 的CBR 值, 表明NA 中掺入适当比例的RCA 能够提高级配碎石的承载能力； RCB 也可以和RCA 一起与天然碎石混合,随着RCB 比例增加, 粒料的CBR 值逐渐变小,说明RCB 的掺入降低了级配碎石的承载能力,RCB 含量应谨慎控制。

(3)再生集料作为粗骨料用于级配碎石, 可以采用一种的再生集料, 也可以两种或以上的再生集料部分代替传统开采石料, 但级配碎石抗变形能力仍有待于进一步的研究。