基于级配重组的骨架密实型水泥稳定砖混建渣级配优化方法

2023-11-01李子良王晨宇

交通科技 2023年5期

李子良张栋范涛袁捷王晨宇

(1.上海民航新时代机场设计研究院有限公司上海 200335; 2.济南国际机场建设有限公司济南 250107; 3.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海 201804)

随着我国早期建成机场的航空吞吐量趋于饱和,近年来民用机场改扩建工程体量日益庞大。各类改扩建工程中,会产生巨大体量的固体建筑废弃物,俗称建筑垃圾或建渣[1-2]。同时,基础设施建设进程的推进必然加速砂石等不可再生资源的消耗和环境的破坏。如何通过预处理工艺,将拆改工程中产生的建筑垃圾转化为再生粒料,并通过材料组成设计应用于机场道面垫层、基层乃至面层材料组成设计,是实现天然集料替代、废旧资源循环利用的一种重要途径。

建筑垃圾主要包括水泥混凝土、沥青混凝土、钢筋、红砖、生活垃圾,以及各种轻物质[3]。其中,各类低等级民用建筑拆改工程中,又以砖混类建渣最为常见,体量最大[4]。然而,该材料具有颗粒强度低、孔隙率大、吸水率高等缺陷[5]。相关研究发现,若应用现行规范中简单、宽泛的级配要求[6]进行无机结合料稳定建渣粒料的级配设计,将无法同时保证对材料密实度、强度、结构稳定性,以及施工质量的有效控制。

因此,在固体废弃物的再生利用过程中,其级配设计与优化是影响其利用率和性能的关键因素,也是弥补粒料本身强度缺陷的重要手段。贝雷法作为经典理论设计方法之一,考虑了粒料性质带来的差异,并给出CA比、FAc比、FAf比三参数检验方法,可获得骨架嵌挤稳定、空隙填充密实的骨架密实型级配,从结构上有效提升材料强度[7]。同时,低强度的砖混粒料在压实过程中的压碎会导致混合料级配改变,该现象称为级配重组,在设计中也应考虑并对设计级配做出修正。

本文以砖混类建渣在场道基层的应用为目标,选用贝雷法进行水泥稳定砖混建渣材料的级配优化,考虑级配重组现象修正合成级配,并通过力学性能指标评价设计方法。

1 试验材料

1) 水泥。采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥,测得水泥各项技术指标见表1。

表1 水泥的技术指标

2) 集料。试验用砖混类建渣粒料来自山东蓝泰环保科技有限公司生产的成品建渣材料,分为粗、中、细3档粒料。各档粒料命名规则见表2。

表2 砖混类建渣粒料命名编号规则

贝雷法级配设计需要各档建渣粒料的级配、密度、吸水率等性质指标用于理论计算。参照现行规范,对各档粒料进行相关技术指标测试,测试结果见表3。

表3 建渣粒料的技术指标

2 贝雷法协同规划求解法级配设计

2.1 现行规范推荐级配

采用MH/T 5014-2022 《民用机场飞行区土石方与道面基(垫)层施工技术规范》中水泥稳定碎石的推荐级配,及JTG/T F20-2015 《公路路面基层施工技术细则》针对骨架密实型路面基层用水泥稳定材料的推荐级配。二者取公共区间,得到本文采用的现行规范推荐级配,见表4。

表4 现行规范推荐级配

2.2 贝雷法级配设计

2.2.1规划求解初级配

以现行规范推荐级配为解限制,中值为规划求解目标,利用Excel软件规划求解模块,求得级配初解,见表5。

表5 初级配

2.2.2贝雷法求解改进级配

进一步地,结合砖混类建渣颗粒密度小、压碎值较大的性质特点,着重考虑预留空隙率、目标密度的选取,进行贝雷法级配调整。

1) 贝雷法以公称最大粒经(NMPS)的18%～28%倍作为第一控制筛孔(PCS),常用系数取0.22,第二控制筛孔、第三控制筛孔以此类推[8]。

2) 根据初级配,求出2档粗粒料质量占比。

3) 初步确定粗细粒料质量分数。

粗粒料选取密度按松装密度的百分率计。对粗级配混合料, 粗集料选取密度一般取松装密度的95 %～105%, 对易碎的软集料可接近105%。针对砖混类建渣,其压碎值通常大于30%,较一般天然石料的10%～20%略低[9]。因此,考虑到强度差异,本文选取系数为1.05%。

①松装密度的105%设定为设计密度,求出每档粗粒料的设计密度。

②按质量占比及设计密度,求出2档粗粒料体积比。

③按体积比混合后,求出单位体积(cm3)内各档粗粒料的质量。

④每档粗粒料间隙率

⑤求解预留空隙率。

矿料级配设计时,通常未考虑水泥剂量。预留空隙率的保留是为了符合骨架密实结构水泥稳定粒料的特征,即粗集料形成骨架后会保留一定空隙,部分被细矿料填补外,剩下的空隙则由水泥胶浆填充。

⑥求解单位体积内细集料的用量。

每种细粒料的单位体积质量=每种细粒料的干捣实密度×(VCA-预留空隙率)×体积配比

⑦求解粗细砖混粒料初步组成的质量分数。

4) 考虑实际情况下,粗粒料中含有细料、细粒料中含有粗料,对粗细粒料质量占比调整(以4.75 mm为粗、细粒料分界筛孔尺寸)。

(1)

(2)

对试验材料应用上述设计流程,得到骨架密实型水泥稳定砖混类建渣改进级配,见表6。

表6 贝雷法改进级配

2.3 规划求解法级配调整

对比水泥稳定砖混类建渣贝雷法改进级配及规范推荐级配,合成级配4.75 mm筛孔的通过百分率为28.6%,略低于推荐级配下限值29%。为满足工程应用要求,调整改进级配。

混合料4.75 mm筛孔通过率主要由后两档粒料决定,即粒料BC-CA-2、BC-FA-1。因此,保持BC-CA-1掺配比例52.7%不变,利用Excel规划求解调整两档粒料的掺配比例,求得满足现行规范推荐级配范围的调整改进级配,见表7。

表7 调整改进级配

2.4 贝雷法三参数检验

贝雷法作为经典级配理论设计方法之一,不仅给出骨架密实型材料的级配设计流程,也给出了合成级配的三参数评价方法,称为三参数检验,检验参数包括CA比、FAc比、FAf比。检验结果见表8。

表8 三参数检验结果

分析表5、表6及表7的阶段性级配设计结果可得,砖混类建渣材料贝雷法级配优化过程呈现粗、细2档掺量逐步提高,中档粒料逐步减小的趋势。调整改进级配的三参数计算值均满足推荐范围,符合骨架密实型级配的理论要求,且该级配满足现行规范的推荐级配范围。

3 级配重组下的级配修正

3.1 最佳含水率与最大干密度

以调整改进级配为基础,参照JTG E51-2019 《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》,通过重型击实试验,测定材料最佳含水率及最大干密度,见表9。

表9 重型击实试验结果

3.2 级配重组研究

粗粒料相互嵌挤形成骨架结构,细粒料和胶浆填充空隙,由此协作形成骨架密实型结构,这是贝雷法进行级配设计的原理。其前提假设是,对于颗粒强度较高、压碎值较小的天然石料,大颗粒粗粒料在压实过程中只发生相互嵌挤,而无明显压碎。但对于本文采用的砖混类建渣粒料、水泥混凝土类建渣粒料,由于其强度较低、压碎值难以满足规范要求,因此在压实过程中,可能有更大一部分大颗粒压碎为若干小颗粒,致使贝雷法理想的嵌挤结构失效[10]。这种现象的出现,不仅会使材料力学性能衰减,更可能致使材料结构由骨架密实型向悬浮密实型转变,结构稳定性大幅下降,表现为耐久性、抗冲刷、抗冻融等耐候性的下降。

为验证上述推测,本研究通过重型击实模拟施工压实过程,测试击实前、后的混合料级配,探究级配重组现象,试验结果见图1。

图1 级配重组模拟试验结果

由图1分析可知,重型击实对建渣材料级配影响表现为使各个筛孔通过集料的质量分数增大,且大粒径筛孔的通过率提高幅度更大,最大增幅可达13.9%,表明重型击实与粗粒料的压碎有较大关联,一定程度可反映砖混类建渣粒料压碎值较天然碎石更大的性质特点;同时,水泥的掺入可明显降低砖混类建渣粒料在击实过程中的破碎率。

3.3 级配修正

基于3.2节研究结果,为消除压实过程对砖混类建渣粒料级配的影响,将合成级配作为击实后级配,设为Excel规划求解目标值,通过重型击实前、后各个关键筛孔通过率的变化,倒推求解各档粒料掺配比例,即可求得骨架密实型水泥稳定建渣粒料修正级配,见表10。基于级配重组的调整前、后级配曲线对比见图2。

表10 级配重组下的推荐级配 %

图2 基于级配重组的调整前、后级配曲线对比

4 性能验证与设计方法评价

对上述设计流程中得到的3种级配,即初级配、调整改进级配及修正级配完成重型击实试验,在最佳含水率下成型试件,测试7 d无侧限抗压强度,试验结果见表11,各级配抗压强度与水泥掺量关系曲线见图3。

表11 无侧限抗压强度试验结果

图3 各级配抗压强度与水泥掺量的关系

为进一步评价级配设计方法与水泥掺量对砖混类建渣材料的无侧限抗压强度的影响,通过双因素方差分析法评价显著性,结果见表12。

表12 双因素方差分析表

由表12知,在显著性水平0.05下,因子A和因子B的P值小于0.05,因此可以认为水泥掺量和级配设计方法均对砖混类建渣的无侧限抗压强度具有显著影响。

结合图3可得,随着设计流程的完善与深入,各水泥掺量下的抗压强度逐渐提升,总提升幅度在水泥掺量为0%时可达209.7%。分析发现,贝雷法与级配重组修正的应用均可以有效提升建渣材料强度,其中贝雷法较级配重组修正的提升效果更大,提升幅度平均为81.2%和29.6%。观察曲线斜率易知,应用现行设计方法时,材料强度随水泥掺量的增大而逐级增加;应用贝雷法后,2%至3%水泥掺量的增加对材料强度的提升效果减弱,表明贝雷法骨架密实型级配设计可降低材料强度对结合料的依赖性。

最后,经过贝雷法协同规划求解法的设计流程,并考虑级配重组现象进行修正后的优选级配,在3%水泥稳定条件下,7 d抗压强度可达4.35 MPa,满足4F等级机场道面上基层的材料要求,可实现砖混建渣粒料对天然碎石的等效替代。