废弃水泥混凝土再生集料在半刚性基层中的应用

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷　第５期　２ＯＯ２年９月　长安大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　ＶＯ１．２２　ＮＯ．５　Ｓｅｐ．２００２　文章编号：１　６７１—８８７　１）【＂２ＯＯ２）０５—０００１　０４　废弃水泥混凝土再生集料在半刚性基层中的应用　张　超，丁纪忠，郭金胜　（长安大学公路学院，陕西西安　７１　００６４）　摘　要：水泥混凝土道路改建时形成的废弃混凝土块的有效利用是一个亟待解决的问题。通过对废　弃混凝土再生集料的加工和性质的检测及在道路基层中的应用研究，认为再生集料具有良好的路　用性能，采用无机结合料进行稳定的半刚性基层完全能够满足现行规范高等级公路基层的指标要　求，是废弃混凝土再生利用的一个有效途径。　关键词：废弃混凝土；道路半刚性基层；无机结合料；旧水泥混凝土路面改建　中图分类号：Ｕ４１６．２２３；Ｕ　４１４．１８　文献标识码：Ａ　Ｕｓｅ　ｏｆ　ｓｃｒａｐ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎ　ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ　ｂａｓｅ－ｃｏｕｒｓｅ　Ｚ，，／１ＮＧ　Ｃｈｔ／ｏ，Ｉ）ＩＮＧ＇．１ｉ—ｚｈｏｎｇ，（　（）　ｌｉｎ—ｓｈｅｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ，Ｃｈａｎｇ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７　１　００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔＯ　ｍａｋｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｓｃｒａｐ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｄｕｒｉｎｇ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｏｒ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｅｅｎｌｅｎｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｒｏａｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅ——ｕｓｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｅｍｉ——ｒｉｇｉｄ　ｂａｓｅ——ｃｏｕｒｓｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ＣｅＩｎｅｎｔ　ｏｒ　ｌｉｍｅ　ａｎｄ　ｆｌｙ—ａｓｈ，ｉｔ　ｉｓ　ｐｉｏｎｔｅｄ　Ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｆｅａｔ　ｕｒｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｗａｙ　ｔＯ　ｒｅ—ｕｓｅ　ｓｃｒａｐ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｃｒａｐ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｓｅｎｔｉ—ｒｉｇｉｄ　ｂａｓｅ　ｃｏｕｒｓｅ；ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｏｒ　ｒｅｃｏｎｓｌ　ｒｌ】ｒｌ　ｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｅｍｅｎｌ　ｃｏｎ　ｒｅｔｅ　ｒｏａｄ　由于诸多因素的共同影响．许多地方于２Ｏ世纪　９Ｏ年代修筑的水泥混凝土路面相继出现了程度不　同的病害，如断板、唧泥、错台等现象，直接影响到车　辆的正常行驶，严重的已无法满足基本的行车功能，　需要进行更新改建。作为刚性水泥混凝土路面，很难　消极影响，同时对公路沿线的周边环境也会造成负　面作用。因此对废弃混凝土的有效再利用是水泥混　凝土道路整治过程中一项亟待解决的问题。　目前，中国道路结构中绝大多数采用的是沥青　面层下元机结合料进行稳定的半刚性基层，其中性　能较好的半刚性基层均大量使用粒径大小不同的砂　像柔性的沥青路面那样通过简单的罩面手段即可恢　复其路用功能，而只能通过基层和混凝土路面的综　石材料，其用量按现行规范要求，石灰、粉煤灰类（简　称二灰类）不少于８Ｏ　，水泥稳定类在９Ｏ　以上。如　合处置．在一定范围内换板．甚至采用全部重新铺设　路面的方法来恢复其通行能力。因此，混凝土道路的　改建必定伴随大量废弃的混凝土块。如仅以一条路　幅宽度９　ｍ、板厚２４　ｃｎｌ的二级路计算，每公里道路　改建时所废弃的混凝土为２　ｌ６０　ｍ　，如改建的混凝　土道路有十几公里、几十公里．则废弃的混凝士块可　达上万甚至几十万立方米。如此之多的混凝土如不　能妥善处理，则不仅对水泥混凝土道路的整治带来　收稿日期：２００２　０１—１８　能将废弃混凝土加工成适宜于路面基层使用的再生　集料，而其性质又可达到路用要求，则这将是解决废　弃混凝土的一个很有效的方法。以每层设计厚度为　２Ｏ　ｃｍ的二级路为例，二灰类基层材料每公里可利　用再生集料为ｌ　４４０　ｎｌ。、水泥稳定类达到ｌ　７２８　ｍ。，　分别占到原废弃混凝土量的６７　到８０　，可基本解　决水泥混凝土改建时废弃混凝土再利用的问题。本　作者简介：张　超（１９５６）．男．河南洛刚人．长安大学副教授　维普资讯 http://www.cqvip.com ２　长安大学学报（自然科学版）　２００２盎　文就采用无机结合料稳定再生集料用于高等级公路　际应用打下了良好的基础。同时，废弃混凝土轧制成　路面基层问题进行研究，以探讨废弃混凝土再生利　骨料的过程相对来说并不是一件困难的工作，轧制　用的可行性。　时只需将超限的粒径筛出重新加工即可，从而为废　ｌ　废弃混凝土的再生利用　弃混凝土的再生利用提供了便利条件。　１．２结合料稳定再生集料击实结果　１．１再生集料性质　参照《公路工程基层施工技术规范》并结合实际　无论是采用水泥或是二灰稳定粒料作为基层材　施工惯例，水泥和二灰稳定再生集料分别选定两种　料，其中的粒料均要满足一定的要求。该指标主要包　配合比，以标准方法进行击实试验，确定各配合比的　括颗粒级配和压碎值、洛杉矶磨耗、针片状颗粒含　最大干容重和最佳含水量。　量、坚固性等。前者表示了用于基层粒料粗细颗粒的　表３不同配合比击实结果　分级搭配，后者综合反映了粒料的力学性质。表１、　最大干容重　最佳含水量　表２分别为主要路用指标检测结果和采用普通颚式　配合比　／ｇ‘ｃｍ　／　轧石机通过控制最大粒径的方法加工而成的再生集　水泥：再生集料＝５：９５　１．８６８　１０．９　料筛分结果。　水泥：再生集料＝６：９４　１．９７７　１０．８　表１　再生集料主要路用指标检测结果　石灰：粉煤灰：再生集料Ｉ　４：１６：８０　１．７９７　１２．９　性质指标　实测值　规范要求　石灰：粉煤灰：再生集料一６：２４：７０　１．７３１　１３．９　压碎值／％　１７．８　≤３Ｏ　１．３再生集料基层性质　洛杉矾磨耗／　２７．２　≤３０或≤３５一　用于沥青路面的半刚性基层是整个道路结构中　针片状颗粒含量／％　９．３　≤１５或≤２５一　的承重层，因此达到一定的强度是再生集料必须具　坚固性／％　８．５　≤１２　备的一项基本性质。根据半刚性基层材料强度测试　注：　以高等级公路指标为准；一前者适用于沥青混合料，后者适　方法，分别就两大类四种再生集料的无侧限饱水抗　用于水泥混凝土。　压强度测试结果列于表４。　表２再生集料筛分结果　从试验结果看，两种无机稳定类再生集料半刚　筛孔尺寸　再生集料筛分　高等级公路基层规范要求【通过量／　）　性基层材料在强度指标上除５　水泥稳定稍低之　结果（通过量／　）　水泥稳定类　二灰稳定类　外，其余均能满足高等级公路基层路用要求，并随着　３０．０００　１００．Ｏ０　ｌＯ０　ｌＯＯ　结合料用量的增加及龄期的延长，强度随之提高。说　２０．０００　９２．８０　９０～ｉＯ０　９０～ｉ００　明采用废弃混凝土轧制的粒料替代普通集料用于道　ｌ０．００（）　７９．２５　６０～８０　５５～８０　路基层，在强度的形成和发展上符合半刚性基层材　５．０Ｏ０　４８．０５　３０～５０　４０～６５　料的特点，使用效果与普通材料无本质上的差异。这　一２．０００　２４．５５　ｌ　５～３０　２８～Ｓ０　结论在其它路用性质上也有较明显的反映，即与　１．０００　２０～∞　采用普通集料的基层性质在水稳性系数、回弹模量、　０．５００　９．７０　ｌ０～２０　ｌ０～２０　温缩和干缩系数相比很接近（见图１、图２），差异均　０．２５０　Ｏ．７Ｏ　在合理的范围，证实废弃混凝土再生料完全可以替　０．０７５　３．１０　０～７　０～ｌ　０　代普通砂石料用于道路基层。　从筛分结果上看，普通轧石机破碎的再生集料　采用无机结合料稳定粒状类材料的半刚性基　除分别在两类基层材料各有一个粒径上有较低的超　限之外，其余全部在规范指定的范围内。考虑到这是　一项废物的再利用，当大多数粒径符合要求的前提　下，可适当在某一粒径上放宽一些要求，以免加大工　作难度，造成事倍功半的结果。对于其它路用指标，　尽管不一定是针对基层材料的要求，但再生集料却　能够全部满足。由此看来，废弃混凝土再生集料自身　水稳系数　回弹模量　温缩系数　干：缩系数　已具备了基本的路用性能，为其在道路工程中的实　图ｌ　水泥稳定再生料重要性质比较　维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期　张　超，等：废弃水泥混凝土再生集料在半刚性基层中的应用　表４再生集料抗压强度　配合比　７　ｄ强度／ＭＰａ　２，８０　３．６０　３　２８　ｄ强度／ＭＰａ　３．６８　４．３５　高等级公路规范要求７　ｄ强度／ＭＰ　水泥　稳定类　基层３～４　低基层≥１．５　水泥：再生集料一５　９５　水泥：再生集料一６：９４　石灰：粉煤灰：再生集料＝４：ｌ６；８０　石灰：粉煤灰　再生集料＝６：２４：７０　０．９２　０．９６　２．３６　３．０９　二灰　稳定类　基层≥０．８　低基层≥０．５　所谓的热分析试验是通过对待测物在加热过程　中热量的变化进行分析的一种试验方法，即物质在　加热过程中，可能与周围的环境作用而经历物理或　化学变化，分解释放出某些物质碎片如结晶水、结构　水、氧化物等，在质量变化的同时伴随吸热或放热等　热行为，通过检测分析这些热量的变化以及同时在　水稳系数　回弹模量　温缩系数　千缩系数　质量上所发生的改变，对待测物质的结构及组成进　行分析和判断。热分析的两种常用方法分别是差示　扫描量热法和热重分析法，前者检测出加热过程中　图２　二灰稳定再生料重要性质比较　层，其强度的形成主要依靠两个因素：一是由无机结　合料在水的参与下，经多种物理化学反应之后形成　的结晶缩合结构，该结构将整个基层材料胶结在一　起，使材料的水稳性和联结强度得以根本的改善和　的待测物的热量变化，后者则检测出该过程中伴随　的质量上的变化。因此将硬化后的水泥标准净浆试　样重新加工磨细与同一种未水化过的水泥分别进行　热分析试验，以分析判断击实过程中在烘含水量时　造成质量损失的原因。图３和图４表示了同一种水　泥分别经水化（图中的实线）和未水化（图中的虚线）　的差热分析和热重分析结果。　２Ｏ　提高；二是由一定级配的粒料所形成的骨架结构，经　压实后在起到骨架支撑作用的同时，有效地强化了　整个材料的内摩阻力，使之具有更高的力学强度。因　此采用废弃混凝土再生骨料替代普通砂石材料，当　再生集料自身的基本性质满足要求，且无机结合料　所形成的结晶缩合结构有保证时，这类材料的路用　性质理所当然能够达到相关规范的要求，并与普通　基层材料的性质相一致。　ｌ５　≥　曩１０　暮　５　２　问题讨论　通过标准击实方法所得到的最大干容重和最佳　含水量从表面上观察并未发现任何异常现象，然而在　Ｏ　８０　１Ｏ０：４０　１８０　２２０　２６０　３００　３４０　３８０　４２０　温度／＇Ｃ　水泥稳定类试件成型时，却发现用水量严重超量，以　至于造成无法正常进行试件制备的现象。这在以往水　泥稳定的半刚性材料应用过程中从未出现过，显然这　一图３　两种水泥的差热曲线　问题与再生集料的应用有关，也是再生集料在道路　１妞｝　｝基层应用过程中必须研究和解决的一个问题。　通过对水泥、室内风干的普通碎石和混凝土再　生料取样，分别在１０５（、的烘箱中加热测试，发现水　泥材料无任何质量上的损失，普通碎石也仅有　０．３　的质量变化，而再生集料却有高达４．６　的质　量损失。这就意味着在击实的计算过程中将这部分　的质量损失计作了含水量，从而造成试件成型时因　用水量过高而挤出大量水分的现象。通过热分析试　验进一步证实了造成这一现象的根本原因。　图４　两种水泥的热重曲线　在图３中，水化后水泥（实线）的差热曲线大约　在１２０　Ｃ附近有一显著的吸热峰，而未经水化水泥　维普资讯 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长安大学学报（自然科学版）　２００２生　的差热曲线在此区间几乎保持水平状态；同时由图　５为开兰路弯沉检测结果汇总。　４的热重曲线中可看出，在相近的升温区间水化后　表５　开兰路弯沉检测部分结果　的水泥有显著的质量损失，此时未水化水泥的热重　曲线却没有任何变化。这说明水化过的水泥在加热　桩号　ｃ　，／％　ｏ　９：　／０，０１　ｍｎｌ　／／０．０１　ｍｉｌｌ　时会产生显著的吸热变化，并伴随质量的损失。已知　Ｋ４８９＋Ｏ（）０～Ｋ４９卜　０００　１　５．００　１．６３　１０．９　１　７．７　２．２０　水泥经水化后生成一系列的凝胶物质——水泥百．　竣　］一　Ｋ４９ｌ＋０００～Ｋ４９３＋０００　５、１０　１．４０　５４．３　９．７　４．０２　其中包括硅酸钙、铝酸钙和硫铝酸钙等，这些凝胶物　弯　沉　验　试验路段　７．２５　４．６５　６４．２　１　４．９　２．６２　质都舍有大量的结晶水，在一百多度的高温中这些　收　结　Ｋ４９５＋（）００～Ｋ４９７＋０００　１０　００　４．５４　４５．４　１　７、５　２．２３　结晶水遭到破坏而被释放出，因此这一质量损失正　粜　Ｋ４　９７＋０００～Ｋ４　９８＋０００　９．２５　５．００　５４．１　１　７．５　２．２３　是水泥石中的结晶水大量损失所形成的。当采用再　通　Ｋ４８９＋０００～Ｋ４９１＋０００　４．５４　１．８Ｏ　３９．６　７．５０　５．２０　生集料进行击实试验测含水量时，一方面一百多度　车　—　Ｋ４９１＋［）（）０～Ｋ４　９３＋０００　４．１８　１．７５　４１．７　５．３Ｏ　７．３６　的高温烘去了击实所加进的水分，另一方面也烘去　年　弯　沉　试验路段　３．９４　１、７５　４４。３　６．８２　５．７２　了再生集料中的结晶水，并且统统将其当作击实时　测　Ｋ４９５＋０００～Ｋ４９７＋０００　检　４．２２　１．６８　２３．７　６．９８　５．５９　所需的用水量，从而造成击实结果中的最佳含水量　结　果　Ｋ４９７＋（）００～Ｋ４９８＋０００　４．９２　１．７７　３５、９　７、８３　４．９８　明显偏高的问题。通过热重试验的半定量分析，这部　从两次弯沉检测结果未看出试验路段与生产路　分的质量损失大约是３．８　．非常接近原材料失重　段有何本质上的差异，均远远满足了设计弯沉３９　量的测定值４．６％。当把表３中水泥稳定类的最佳　含水量各折减４．６　之后，试件成型时的水量过高　（０．０１　ｍＦＢ．）的要求，且经过一年时间的通行，弯沉值　呈现出显著下降的趋势，符合半刚性基层材料一般　的问题即迎刃而解。因此今后对再生集料采用水泥　通性，清楚地表明了再生集料路用可行性。　加固稳定时，应根据该料在１Ｏ　（、烘干时的质量损　失，对击实的最佳含水量最终结果加以相应的修正。　４　结　语　需要说明的是，二灰稳定再生集料的最佳含水量也　（１）再生集料在道路基层中的应用是解决水泥　存在偏高的问题，但由于粉煤灰自身结构上的特点，　混凝土道路改建时产生的废弃混凝土再利用的一个　二灰类材料有着较宽的需水量范围，多余的水分可　有效途径，通过控制最大粒径的方法，利用普通颚式　通过粉煤灰颗粒的空心球体加以调节，而这部分多　粉碎机可轧制出各项指标能够符合路用要求的再生　余的水分又可用于粉煤灰日后长期水化的所需，因　集料，备料相对简单实用。　此二灰类再生集料的最佳含水量无需再进行调整。　（２）利用再生集料通过水泥或石灰、粉煤灰等无　３试验路应用　机结合料进行稳定的半刚性基层材料显示出良好的　路用性能，其主要路用指标完全满足现行规范在高　结合河南开封地区连接开封和兰考两地的水泥　混凝土道路的改建工程，在Ｋ４９３十７　ｔ０　ｋｍ处各铺　等级公路中对基层的要求。　（３）采用水泥稳定再生集料，需要对混合料经击　筑了４Ｏ　ｎ１的废弃混凝土再生集料的试验路段，路　实得到的最佳含水量进行修正，造成异常现象的原　面结构示意图如图５所示。　因在于再生集料中已水化的水泥成分在含水量的测　上面层　细粒式沥青混凝土（２　ｃｍ）　竺垫　堂堡竺±！　！　定过程将其中的结晶水一起加热烘出所致。　Ｆ向层　中粒式沥青混凝十（４　ｃｍ）　ｑ　粒Ｊ℃沥爵混凝＋（４　ｃｍ）　参考文献：　基层　水泥稳定再生骨料（１　５　ｃｍ）　二荻稳定再生骨料（１　５　ｃｍ）　底基层　经压浆处理的ＩＨ混凝｛　板　经Ｊ　浆处理的ＩＨ观敞土傲　［１］　张登良．加固土原理ＥＭ］．北京：人民交通出版社・　１９９０．　图５　废弃混凝ｈ冉生集料路面结构图　其中水泥稳定的材料配合比为水泥：再生集料　Ｅ２］（ＪＴＪ　０３４—９３）公路路面基层施工技术规范［ｓ］．１　９９３．　［３］ＨＯＢＡＲＴ　Ｈ　Ｗｉｌｌａｒｄ．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙ—　一６：９４；二灰稳定配合比为石灰：粉煤灰：再生集　ｓｉｓ（Ｆｉｆｔｈ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）ＥＺ］．Ｕ．ｓ．Ａ．：Ｄ　ＶＡＮ　Ｎｏｓｔａｎｄ　料一６：２４：７０，施工程宁和方法完全按现行“公路　Ｃｏｍｐａｎｙ．１　９７４．　路面基层施工规范”进行。经数年行车运行，目前试　［责任编辑孙守增］　验路段的路况与正常生产路段无实质上的差异。表