建筑垃圾在沥青混凝土路面中的应用

朱 朴

黎明职业大学 土木建筑工程学院,福建 泉州 362000

0 引言

随着我国城镇化进程加快及交通业的快速发展,建筑材料的需求也越来越大,而城市建设或拆迁中产生大量建筑垃圾,占城市垃圾的30 %～40 %,截止2018年我国存量建筑垃圾已达200多亿吨,由于大部分采用未经处理的露天堆放及填埋,已导致严重的生态危机[1].“建筑垃圾资源化”是建设21世纪资源节约型、环境友好型社会的重要内容,且早已成为两会各大代表们高度关注的话题.采用一定的技术和工艺进行处理后,将其加工为再生路用材料是一种有效的资源化利用途径[2].

目前，建筑垃圾的路用性能研究较多,李鸿运[3]利用试验分析了建筑垃圾再生骨料基本物理力学特性并明确将其运用到路基、基层、水泥路面中的可行性.谢晓文[4]研究了现阶段建筑垃圾的特点及其在沥青路面中适用性,发现其沥青面层应用经济性较差.廖湘南[5]提出研磨预处理可以有效改善再生粗骨料的品质.试验研究表明,随着再生粗骨料掺量的增加,沥青混凝土的最佳沥青用量增加,其动稳定度先增加后下降、低温抗裂性能下降、水稳定性能增强、劈裂抗拉强度降低.彭超杰[6]提出对再生骨料在道路工程上的应用要差异化利用,选取典型沥青混合料类型开展试验.研究表明,高温性能随着再生粗骨料掺量增加出现先增加后减小现象,30 %～40 %掺量下达到最大,再生粗骨料对沥青混凝土的水稳定性能有积极影响,60 %～70 %掺量下残留稳定度和冻融劈裂强度比都达到最大,再生粗骨料对沥青混凝土的低温性能和抗疲劳性能有一定的负面影响,但在不大于60 %的掺量下降幅较小,再生粗骨料沥青混凝土更难压实.贾艳东等[7]人指出再生砖骨料沥青混合料随着沥青用量的增加,马歇尔稳定度逐渐增加而流值逐渐减小,建议废弃砖可以用于承载能力要求不高的沥青面层.再生骨料沥青混合料的搅拌温度要高于天然骨料以利形成沥青膜,粒料间空隙率与饱和度随沥青用量的增加而增加,流值的变化值不大而稳定度变化较大[8].Chidozie[9]提出再生混凝土骨料(RCA)可以有效地用于沥青混合料中,但建议使用40 %的RCA替代以达到最佳的路面性能.Han Sen等[10]人指出随着再生沥青路面(RAP)及再生细料沥青路面(FRAP,0～5 mm)含量的增加,可以节省41 %～63 %的沥青用量,但会降低沥青混合料的低温和疲劳性能.郑惠珍[11]提出将再生粗骨料用于混凝土中,随着取代率的增加再生混凝土的工作性变差、抗压强度、弹性模量降低.

综上,很多学者的研究普遍集中于将建筑垃圾中的混凝土或者砖块单独分离处理后应用到沥青混合料中,而将建筑垃圾分离处理的经济性较差.假设将建筑垃圾中的两种及以上作为主要成分直接添加到沥青混合料中,其路用性能值得进一步深入研究.谢晓文[4]的调查结果表明:混凝土、砖块、碎石、砂子、金属、木材等是建筑垃圾中主要成分,在框架及剪力墙结构拆除产生的垃圾中,混凝土占64.7 %、砖占8.43 %,而框架及剪力墙结构约占1/3的现有拆除量,也将成为未来建筑垃圾的主要来源,故本文以建筑垃圾中的混凝土和砖为主要成分,对其在沥青路面的再生利用开展试验研究.

1 试验方案设计

1.1 研究参数的确定

刘怡媛等[12]人提出建立一套关于废弃建筑如何进行精细化拆除和垃圾源头分类等方面的标准可以有效降低成本,但仍需要一段时间.杨敏等[13]人指出近年来建筑拆除废料在许多工程领域得到再生利用,公路与城市道路路面工程只需较少投入就能促进其大量应用,研究前景广阔.

为提高建筑垃圾在再生骨料沥青混凝土的经济性,故本文采用按混凝土∶砖=8∶1的质量比合成建筑垃圾(未对再生混凝土和再生砖进行筛分),替代沥青混凝土中的粗骨料,主要通过标准马歇尔试验,研究不同替代率(0 %,20 %,40 %,60 %)下的再生骨料沥青混凝土的路用性能.

本文参考了文献[2]中典型AC-20沥青混合料配合比进行马歇尔试件制作(见表1),考虑建筑垃圾可能吸收沥青适当提高油石比.沥青及矿料性能指标见表2～表3.

表1 AC-20典型沥青混合料试验配合比

表2 A-70#固体石油沥青指标

表3 天然集料与再生集料(混凝土)技术指标

1.2 材料的选择与加工

为真实模拟建筑垃圾生产过程,本文采用C 40混凝土试块及水泥砖分别用机器压碎(辅助人工铁锤砸碎)并过筛(19 mm),按混凝土∶砖=8∶1配成建筑垃圾,放入烘箱烘干备用.

雷斌等[14]人提出有机硅处理后再生骨料的物理力学性能及沥青粘附性能均有了很大的改善,吴春等[15]人指出甲基硅酸钠对再生骨料的处理效果最好,为降低其加工成本,未对再生集料进行水洗、除尘、打磨、改性等处理,集料制作过程如图1～图2所示.

图1 建筑垃圾加工过程

图2 试验用集料示意图

1.3 试件的制作与养护

按表1 的沥青混合料试验配合比,采用专用的沥青混合料搅拌机和马歇尔电动击实仪,严格执行试验规程相关规定[16-17],制备不同垃圾替代率下的标准马歇尔试件共计27个(报废1个),见图3～图5.

图3 沥青混合料搅拌机

图4 马歇尔电动击实仪

图5 马歇尔试块养护脱模后成型

2 试验加载测试

本次试验的沥青混凝土马歇尔试件分两组进行加载,一组进行标准马歇尔试验加载,另一种进行浸水马歇尔试验加载,加载设备采用电脑数控马歇尔稳定度测定仪并记录试验结果,见图6～图7,4种垃圾替代率下的马歇尔试件的测试结果数据见表4～表7.

图6 马歇尔试块浸水过程

图7 马歇尔试块试验加载过程

表4 0 %替代率的沥青混凝土马歇尔试件实测结果

表5 20 %替代率的沥青混凝土马歇尔试件实测结果

表6 40 %替代率的沥青混凝土马歇尔试件实测结果

表7 60 %替代率的沥青混凝土马歇尔试件实测结果

3 试验结果分析

3.1 试件破坏现象及物理特性指标

将各组沥青混凝土试件加载破坏后对其外观的破坏情况进行系统分析,发现垃圾替代率为0 %的马歇尔试件外观完整,无出现明显的集料剥落或大裂缝出现,但浸水试件出现明显的粗集料剥落现象,如图8所示.

图8 0 %替代率试件破坏图(右为浸水试件)

替代率为20 %的马歇尔试件表面较为完整,个别试件表面出现粗集料剥落及局部松散的现象,但浸水试件表面出现了明显的粗集料剥落及大面积松散掉落丧失完整性,见图9.

图9 20 %替代率试件破坏图(右为浸水试件)

替代率为40 %的马歇尔试件外观完整,无出现明显的集料剥落或大裂缝出现,浸水试件表面有轻微粗集料剥落但其外观较完整.

替代率为60 %的马歇尔试件外观完整,无出现明显的集料剥落或大裂缝出现,浸水试件表面无粗集料剥落且外观较完整,见图10～图11.

图10 40 %替代率试件破坏图(右为浸水试件)

图11 60 %替代率试件破坏图(右为浸水试件)

从试件加载破坏现象看,垃圾替代率为20 %的试件破坏最严重,浸水试件已丧失完整性,而垃圾替代率为40 %和60 %的试件外观无明显破坏特征,60 %替代率的试件外观保持高度完整性,与垃圾替代率为0 %的试件外观接近.

采用电子天平和游标卡尺对马歇尔试件进行质量及体积等物理指标量测.量测结果表明:试件的毛体积密度随垃圾替代率的增加出现先减少后增加又下降的趋势,总体趋势为减少,在实际施工过程中应注意加强碾压,见图12～图13.同时也说明当混合料的质量一定情况下,垃圾替代率越高的沥青混合料可以摊铺更大面积的路面,有利于节约建筑材料.

图12 马歇尔试件物理指标量测过程

图13 试件毛体积密度-替代率关系曲线

从图14看出,试件空隙率随垃圾替代率的增加出现先增大后减小最后又略微提升的现象,但总体曲线呈现下降变化趋势,当替代率超过40 %时,其空隙率已低于规范限值12 %[18],说明建筑垃圾中的砂浆粉末及石灰砖粉末对沥青混合料起到一定的填充效果.

图14 试件空隙率-替代率关系曲线

3.2 标准马歇尔试件路用性能指标

取各组替代率下混合料的马歇尔试件测试结果的平均值进行分析,,其标准马歇尔稳定度随着垃圾替代率的增加出现先减少后增加随后趋于平稳的现象,如图15所示.

图15 标准马歇尔稳定度-替代率关系曲线

马歇尔流值则随垃圾替代率的增加出现先略微减小后迅速递增的现象,总体趋势为递增,见图16.标准马歇尔稳定度和流值主要反映沥青混合料的强度及抗变形性能.从试验结果来看,建筑垃圾替代率为40 %工况下可以获得最高的强度和最小的变形,表明其抗裂和抗车辙性能最好.但随着替代率的增加,当替代率超过40 %后其流值变化开始出现拐点,但均未超过规范最大限值.主要是由于建筑垃圾中的再生混凝土及砖块表面存在一定的损伤裂纹,在受力中由于裂纹开展吸收能量需要一定的变形量,进而对其抗变形能力产生一定的影响.

图16 标准马歇尔流值-替代率关系曲线

在马歇尔试件的制备过程中,发现沥青集料表面出现花白现象,说明实际沥青用量不够,因此需要根据不同替代率工况下对沥青用量进行微调.试验研究表明,实际油石比随垃圾替代率的增加而递增最后趋于平稳,总体呈现递增的变化趋势,当垃圾替代率为60 %工况下的油石比高达6.5 %,超出理论油石比1.5 %,如图17所示.由于建筑垃圾中的再生混凝土及再生砖块表面存在裂纹及微小孔洞,相比替代率为0 %的纯天然石料沥青混合料,在搅拌过程中会吸收沥青.虽然沥青用量增加,但沥青混合料的毛体积密度下降,说明同等质量下可以摊铺更多路面结构,因此未必会增加施工成本.

图17 实际油石比-替代率关系曲线

3.3 浸水马歇尔试件路用性能指标

将标准马歇尔试件放入60 ℃恒温水浴浸泡48 h后取出测其不同垃圾替代率下的水稳定性.研究表明:试件浸水后的马歇尔稳定度随垃圾替代率的增加出现先降低后增加最后又趋于平缓的变化,总体呈现递增趋势,且所有稳定度均大于规范的最小限值,而当替代率为20 %时其浸水后稳定度急剧降至9.82(规范最低限值8),说明20 %的垃圾替代率对试件的浸水后强度产生了较大的负面影响,如图18所示.图19给出了不同垃圾替代率工况下的试件的残留稳定度随替代率的变化关系,发现残留稳定度随垃圾替代率的增加而增加,当替代率为60 %时,试件的残留稳定度达到最高77 %(接近规范最低限值80 %).由于本试验的建筑垃圾粉碎后未进行吹洗等工序,其产生的碱性砂浆粉包裹在粗集料外表,碱性更有利于沥青的粘结,从而提高集料的抗剥落能力,使沥青混合料具有更好的水稳定性,但这种积极影响需要满足一定的垃圾替代率(约30 %)为前提,否则可能产生负面影响.

图18 浸水马歇尔稳定度-替代率关系曲线

图19 马歇尔残留稳定度-替代率关系曲线

图20给出了浸水后试件的马歇尔流值随垃圾替代率的变化关系,发现随着垃圾替代率的增加,马歇尔流值先增加后下降最后又缓慢增加,最终的趋势为递增趋势,后半段与图16的标准马歇尔流值变化趋势一致.当建筑垃圾替代率为20 %工况下,其试件的浸水马歇尔流值达到最大值约3.8,(接近规范最大限值4),主要由于建筑垃圾含量低,其碱性成分(砂浆粉)对粗集料的包裹不完全,不仅不能提高沥青与粗集料的粘结力还破坏天然石子与沥青有效粘结的完整性,加上粗集料(含建筑垃圾)由于吸水导致的强度下降等综合因素的影响,最终导致其抗变形能力下降,图9(浸水试件外观破损程度)和图18(浸水试件稳定度急剧下降)也说明这点.当标准马歇尔试件浸水48 h后(水温60 ℃),采用将试件从水浴中取出迅速擦干表面残留水并称重的方法测定试件的吸水率.如图21所示,试件吸水率随建筑垃圾替代率的增出现先急剧增加后缓慢增加的变化趋势,混合料的吸水率明显要大于规范规定的集料允许最大吸水率.

图20 浸水马歇尔流值-替代率关系曲线

图21 试件吸水率-替代率关系曲线

主要由于建筑垃圾中的再生混凝土和砖块表面自带损伤裂纹、多孔疏松,更容易吸收水分并留存在混合料内部,同时集料颗粒间隙也容易吸水.因此,在多雨地区使用时要注意做好沥青路面基层的防水措施.

4 结论

通过以建筑垃圾中的混凝土和石灰砖为主要成分并按一定比例混合替代沥青混合料中的粗集料,开展不同垃圾替代率工况下的标准马歇尔试验和浸水马歇尔试验,得出以下结论:

(1)40 %垃圾替代率下的再生沥青混合料具有较好路用性能,其标准马歇尔稳定度和流值达到最优.

(2)垃圾替代率越高其实际油石比应适当提高,由于毛体积密度下降其工程经济性未必受到影响.

(3)在替代率≥30 %的前提下,建筑垃圾对沥青混合料的水稳定性有积极影响.

(4)再生集料沥青混合料的吸水率随垃圾替代率增加而变大,建议做好沥青路面基层的防水措施.

(5)采用建筑垃圾再生的沥青混凝土路面在施工中应注意加强碾压以保证压实度.

采用建筑垃圾中的混凝土和石灰砖为再生粗集料的沥青混凝土中,其高温稳定性和低温抗裂性等其他路用性能指标有待进一步的试验研究.