摘要: 水泥路面养护、改建产生废弃混凝土块加以破碎、筛分, 利用筛分后的优质集料( 粒径4.75～31.5mm) 重新应用于道路工程水泥稳定基层、级配碎石、水泥混凝土等, 不仅有利于环境保护, 同时降低了工程造价。文章首先通过再生粗集料物理、力学性质实验, 提出再生粗集料混凝土配合比设计方法。然后对再生水泥混凝土的力学性质, 干缩性、抗冻性、耐磨耗等耐久性, 以及疲劳等路用性能进行了系统研究。结果表明: 利用再生粗集料混凝土修筑水泥路面, 能够满足道路的技术要求。
关键词: 再生集料; 再生混凝土; 水泥路面; 路用性能
中图分类号: U416.216 文献标识码: B
水泥混凝土路面强度高, 耐久性好, 是我国重要的高等级路面结构型式。随着水泥混凝土路面修筑技术的推广与应用, 我国水泥路面发展较快, 高等级公路水泥路面总里程由1993 年的28049km 上升到2002 年的150117km。在路面使用中后期, 随着累计交通量增加、环境因素的影响, 水泥路面将会出现破碎、下沉、错台、板角断裂等病害, 并且随着使用年限的递增, 破损面积将逐年成上升趋势。在路面维修与改建过程中, 如果采用破碎设备将废弃混凝土块加以破碎、筛分, 利用筛分后的优质集料( 粒径4.75～31.5mm) 重新配制不同强度等级混凝土, 应用于道路工程, 不仅有利于环境保护, 同时降低了工程造价[1,2]。
本文结合合宁( 安徽段) 、高界高速公路养护与改建工程实例, 通过室内再生粗集料物理、力学性质实验, 提出再生粗集料混凝土配合比设计方法。然后对再生混凝土的力学性质, 干缩性、抗冻性、耐磨耗等耐久性能进行系统研究, 为再生混凝土在道路工程应用提供技术支持。
1 再生粗集料技术性质
路面废弃混凝土经破碎、筛分后, 再生粗集料按最大公称粒径分为两个粒级, 分别为4.75 ~19.0mm、19.0~31.5mm。其物理性质、力学性质见表1、表2。
表1 说明再生粗集料表观密度、针片状含量、坚固性、碱集料反应等物理指标均满足规范要求, 空隙率偏大降低了再生混凝土的工作性, 吸水率偏大需增加混凝土用水量。表2 再生粗集料压碎值较一般的集料稍大,对水泥混凝土性质有一定的影响。
2 再生粗集料混凝土配合比设计
同普通混凝土一样, 再生粗集料混凝土配合比要满足强度、工作性、耐久性等技术要求。由于水泥混凝土路面设计以混凝土弯拉强度作为控制指标, 再生粗集料混凝土配合比设计以弯拉强度计算水灰比。用水量应根据再生粗集料吸水率大的特点, 增加再生粗集料的吸水量。针对再生粗集料空隙率、磨耗率偏大的特点, 合理选用砂率、减水剂以保证混凝土的工作性与混凝土的耐磨性。
本次配合比设计过程中, 粗集料采用再生集料,4.75 ~19.0mm∶19.0 ~31.5mm=2 ∶3; 细集料采用天然粗砂, 细度模数为2.8; 外加剂: JM 型高效减水剂; 水泥: 采用巢东牌PO42.5, 水泥初终凝时间、安定性均满足要求。再生混凝土设计强度等级为C25、C30、C35, 通过比选, 拟定了不同强度等级混凝土配合比,并对混凝土的工作性、强度指标进行了测试, 结果见表3。
表3 说明不同强度等级再生混凝土的工作性、含气量满足规范要求。28 天抗压强度、弯拉强度能够达到设计要求, 说明再生混凝土在道路工程中应用能满足工程要求。
3 再生粗集料混凝土路用性能
再生混凝土的路用性能包括混凝土力学性能, 干缩性、抗冻性、耐磨耗等耐久性能, 以及混凝土疲劳等性能。
(1) 再生粗集料混凝土力学性能
① 弯拉强度随龄期变化
水泥混凝土路面结构设计以弯拉强度作为强度指标。按表3 再生混凝土配合比制备不同强度等级混凝土试件, 测定再生混凝土3、7、28、90 天弯拉强度, 考察再生混凝土弯拉强度随龄期增长规律。结果见表4。
表4 说明再生混凝土与普通混凝土有相似强度增长规律, 并且28 天后弯拉强度增长幅度不大。
② 弯拉强度( fr) 与劈裂强度( fsp) 关系再生混凝土应用于道路工程, 通常以混凝土取芯劈裂强度作为质量评定依据。为建立弯拉强度( fr) 与劈裂强度( fsp) 关系, 根据不同强度等级再生混凝土, 选取8组成型试件, 通过对试验结果的回归分析, 得出如下弯拉强度( fr) 与劈裂强度( fsp) 经验公式, 相关系数为0.939fr=1.924+0.908fsp上式与Narrow 等[4]人的普通混凝土fr=1.639+1.028fsp 相近, 说明再生混凝土的斜率比普通混凝土偏缓, 随着劈裂强度增大, 对应弯拉强度较普通混凝土低。
③ 弯拉强度与弯拉弹性模量关系
弯拉弹性模量是水泥混凝土路面结构厚度设计重要参数。为建立弯拉强度( fr) 与弯拉弹性模量( Ec) 关系,根据不同强度等级再生混凝土, 通过对试验结果的回归分析, 得出如下弯拉强度( fr) 与弯拉弹性模量( Ec) 经验公式, 相关系数为0.99。Ec=8.09+3.81fr
由上式弯拉强度3.5~5.5MPa 范围推算的再生混凝土弯拉弹性模量见表5。表5 反映再生混凝土弯拉模量比普通混凝土低12%~14%, 说明再生混凝土变形能力优于普通混凝土。
(2) 再生粗集料混凝土耐久性能
① 再生粗集料混凝土干缩性能干缩是水泥混凝土路面主要性能之一, 与原材料、材料组成、水灰比等许多因素有关, 并影响混凝土板块划分。本次研究以相同强度等级C35 分别制备再生混凝土和普通混凝土, 测定1、3、7、14、28、60、90 天干缩率。结果表明: 再生混凝土与普通混凝土干缩率随龄期增长而增大, 后期增长缓慢; 前28 天再生混凝土干缩率比普通混凝土高约16%~25.3%左右, 90 天约高于13.4%。粗集料在混凝土结构中作为骨架, 水泥砂浆填充于骨架中作为结构联结组份。在配合比和环境条件相同时, 混凝土收缩率取决于粗集料和砂浆的收缩率。由于再生粗集料中含有大量旧砂浆, 其收缩率显然高于普通混凝土集料。因此使用再生粗集料制备的再生集料混凝土, 其收缩率会高于普通混凝土。
② 抗冻性能
抗冻性是水泥混凝土路面抵抗水和负温反复作用的能力。以相同强度等级C35 分别制备再生混凝土和普通混凝土, 测定再生混凝土和普通混凝土相对动弹性模量变化, 比较各自抗冻性能。结果见表6。由表6 反映再生混凝土与普通混凝土冻融次数达到100 次, 相对动弹性模量变化在60%以上, 并且二者抗冻试验结果变化不大。
③ 耐磨性能
水泥混凝土路面长期经受行车荷载的反复作用, 要求路面具有很高的耐磨能力。磨损量是评定水泥混凝土耐磨性重要指标。按表3 再生混凝土配合比制备不同强度等级再生混凝土试件, 并与相同强度等级普通混凝土的磨损量进行比较, 结果见表7。
表7 说明再生混凝土的磨损量比普通混凝土高出4.9%~9.2%,并且随着混凝土强度等级的提高, 二者磨损量相差不大。
(3) 再生混凝土疲劳性能
疲劳特性是混凝土面板的主要力学性能。东南大学季天剑等[6]通过对再生水泥混凝土的疲劳性能试验研究,结果表明再生水泥混凝土的疲劳规律与普通水泥混凝土相似, 而且在高应力水平状态下, 再生水泥混凝土的疲劳寿命较高。因此, 使用再生水泥混凝土修建的水泥混凝土路面, 完全能够满足混凝土面板的力学性能要求。
4 结语
再生材料应用技术的研究是一直关注的课题, 对节省资源、保护环境具有重要的意义。本文通过对水泥混凝土路面破碎后的再生碎石的粗集料物理、力学性质,由此形成的再生水泥混凝土的强度性能, 干缩性、抗冻性、耐磨耗等耐久性能试验测试及分析, 可以得到以下结论:
(1) 利用再生粗集料形成的水泥混凝土修筑水泥混凝土路面, 能够满足道路的技术要求。
(2) 再生粗集料表观密度、针片状含量、坚固性、碱集料反应等指标均满足规范要求, 空隙率、吸水率、磨耗率等指标稍超出规范范围。因此, 再生混凝土配合比设计时应考虑再生粗集料特征, 合理选用砂率、减水剂以保证混凝土的工作性与混凝土的耐久性。
(3) 再生混凝土路用性能: 在力学方面, 再生混凝土具有较高抗弯拉强度, 弯拉强度与劈裂强度、弯拉弹性模量具有较好相关性, 并且再生混凝土弯拉模量比普通混凝土低12%~14%, 说明再生混凝土变形能力优于普通混凝土; 耐久性方面, 再生混凝土抗冻性与普通混凝土差别不大, 干缩性再生混凝土偏高, 磨损量比普通混凝土高出4.9%~9.2%,并且随着混凝土强度等级的提高, 二者磨损量相差不大; 疲劳方面, 再生水泥混凝土的疲劳规律与普通水泥混凝土有相似疲劳规律。
参考文献：
[1] 肖建庄，等.废弃混凝土破碎及再生工艺研究[J].建筑技术，2005,36(2):141- 144
[2] 肖益民，等.合宁高速公路水泥混凝土路面再生利用的研究[C].第四界国际道路和机场路面技术大会论文集，2002.
[3] JTJF30- 2003，公路水泥混凝土路面施工技术规范[S].
[4] 姚祖康.路面（公路设计手册）[M].北京：人民交通出版社，1999.
[5] JTJD40- 2002,公路水泥混凝土路面设计规范[S].
[6] 季天剑，等.再生水泥混凝土疲劳性能[J].交通运输工程学报，2002(06):16- 18.
