建筑垃圾在道路基層中的應用

崔 寧

(北京市市政工程研究院,北京 100082 )

1 引言

近年來,隨著國家對環境保護力度的加大,建筑垃圾作為影響環境問題的重要因素之一已經逐漸引起重視。為解決大規模消納建筑垃圾、實現建筑垃圾資源化循環利用、解決建筑垃圾環境污染并有效緩解砂石資源短缺問題,國內外相關學者已經進行了大量試驗研究。隨研究的不斷深入,目前建筑垃圾再生產品種類多樣化,包括再生骨料、再生磚、再生低標號回填料、再生混凝土、再生無機混合料等產品。其中,再生無機混合料因其應用量大、強度要求低、可相對多比例的消耗微粉等特點得到了較大范圍的推廣應用。本文通過再生無機料與普通無機混合料的對比分析,了解再生無機混合料的特點以及選材、配制、施工、驗收等質量控制方法。

2 原材料

現有的再生無機混合料的種類主要包括：水泥穩定再生骨料混合料、水泥粉煤灰穩定再生骨料混合料、石灰粉煤灰穩定再生骨料混合料。其原材料主要包括：水泥、石灰、粉煤灰、再生骨料。原材料的選擇、性能以及其對混合料性能的影響如下所述。

2.1 水泥

依據標準JTG/T F 20-2015《公路路面基層施工技術細則》,道路基層用水泥選用強度等級為32.5或42.5,且初凝時間大于3h,終凝時間大于6h且小于10h的普通硅酸鹽水泥。與普通混凝土用硅酸鹽水泥不同,由于道路施工過程中混合料用量大,且施工時間比較集中,拌合出料、運輸、攤鋪、刮平、碾壓過程用時較長,按照施工要求,混合料應在3h內碾壓完成,即保證在水泥初凝前完成碾壓成型,以降低施工時間過長導致的混合料強度損失。

選用初凝時間大于3h的42.5強度等級水泥配制的混合料分別按照拌合后立即成型、拌合后3h成型、拌合后6h成型進行強度對比試驗,結果如圖1所示。由圖可以看出,隨著成型時間的延長,再生無機混合料的7d強度有遞減的趨勢,而對28d的強度影響不明顯。

圖1 再生無機混合料不同成型時間強度(MPa)

2.2 石灰

按照標準規范要求宜選用Ⅲ級及以上等級石灰配制混合料。當部分地區受原材料限制,只能選用等外石灰時,生石灰有效鈣鎂含量不宜低于40%(普通混合料用石灰有效氧化鈣含量應在20%以上)。當石灰有效鈣鎂含量過低時,難以保證混合料后期的強度增長,當選用等外石灰時宜進行28d齡期強度試驗。

選用四種不同品質的石灰配制混合料,石灰有效鈣鎂含量試驗結果如圖2所示。利用不同品質石灰按照相同配合比配制的混合料強度試驗結果如圖3所示。

圖2 不同品質石灰的有效鈣鎂含量

圖3 不同品質石灰配制混合料的強度

由圖可以看出,等外生石灰配制的再生混合料隨石灰有效鈣鎂含量降低混合料的強度有明顯降低的趨勢；消石灰配制的再生混合料強度沒有隨有效鈣鎂含量的增加而提高。由此可見不同品質的石灰對再生無機混合料的強度影響較大,尤其當有效成分含量較低時宜進行后期強度測定以保證混合料的應用性能滿足要求。

2.3 粉煤灰

粉煤灰應滿足JTG/T F20-2015標準要求。SiO2、Al2O3和Fe2O3總含量大于70%,燒失量小于等于20%。

2.4 再生骨料

按照標準將再生骨料分為Ⅰ類、Ⅱ類。其中Ⅰ類為以混凝土為主的再生骨料,Ⅱ類為以磚瓦、混凝土類為主的再生骨料。不同種類再生骨料與天然骨料性能對比如表1所示。由表1可以看出,再生骨料與天然碎石相比具有密度低、吸水量大、含泥量及泥塊含量高、壓碎值高以及含雜物等特點。其中壓碎值不能滿足普通無機混合料對骨料壓碎值的要求,但通過混合料配合比優化設計,再生無機混合料的性能指標均可滿足驗收標準要求,為指導施工應用,編制了再生無機混合料的相關標準.DB11/T999-2013《城鎮道路建筑垃圾再生路面基層施工與質量驗收規范》,其中再生骨料的指標控制如表2所示。

表1 再生骨料基本性能

表2 再生骨料質量控制指標

3 質量控制

3.1 骨料質量控制

根據上一節骨料對比可以看出,再生骨料與天然骨料性能存在一定差異,主要包括壓碎值、雜物含量、組分穩定性、吸水率、密度等指標。利用再生骨料配制混合料時主要控制指標如下。

壓碎值

由于Ⅱ類骨料中磚瓦類材料組分相對較多,不能滿足普通標準規范要求,但根據試驗結果顯示,其配制的混合料的強度及性能可以滿足驗收要求,所以與普通混合料相比,放寬了再生骨料壓碎值的指標要求。

雜物含量

根據目前的再生骨料生產工藝控制技術,不能完全清除再生骨料中的雜物,而雜物含量將對混合料的性能造成不利影響,所以在再生骨料控制指標中增加了雜物含量指標。

組分穩定性

再生骨料組分主要以混凝土石、磚瓦材料為主,由于兩種組分的吸水率、密度具有一定差異,隨混合料組分比例的變化再生骨料的吸水率、密度發生變化。在控制再生骨料指標中增加了混凝土石含量的測定,以便于控制混合料的最佳用水量和最大干密度。另外,按照混凝土石的含量對骨料種類進行了劃分,通過混合料配合比設計以及性能試驗結果顯示,當再生骨料中混凝土石含量低于90%時,混合料后期強度受到一定影響,同時再生骨料加工企業生產的混凝土類再生骨料中混凝土石的含量可以達到90%以上,所以對再生骨料進行了分類,以便于合理選用。

3.2 混合料質量控制

混合料的質量控制包括：配合比設計、最佳含水量最大干密度確定、性能指標控制、拌合工藝等。

配合比設計

與混凝土的配合比設計不同,無機混合料的配合比設計主要通過力學性能指標綜合經濟指標確定混合料中膠結材料用量及比例,而混合料的用水量通過擊實試驗確定。

最佳含水量和最大干密度

最佳含水量和最大干密度指標通過室內擊實試驗確定,試驗方法依據標準JTG E51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》,再生無機料選用重型擊實試驗丙法。

通過試驗數據統計,再生無機混合料的最大干密度和最佳含水量參考范圍如表3所示。由表3可以看出,再生骨料無機混合料的最大干密度和最佳含水量與普通無機混合料具有較大差異。由于再生骨料吸水率高導致混合料的最佳用水量提高。由于再生骨料的密度低導致混合料的密度降低。

表3 混合料的最佳含水量及最大干密度參考范圍

最大干密度和最佳含水量是混合料施工和驗收的重要參考指標,通過現場灌砂法測密度與最大干密的比值確定壓實度。通過最佳含水量控制施工碾壓含水率。但在擊實試驗過程中,由于再生骨料吸水率且波動大,導致混合料擊實試驗中用水量波動大。其中石灰粉煤灰穩定再生骨料以及水泥摻量較多時水泥穩定再生骨料的擊實曲線接近拋物線；當水泥用量較小時,混合料擊實試驗很難獲取拋物線(如圖4、5、6、7所示),當混合料擊實過程中已經出現嚴重出水現象(如圖8所示),混合料的密度仍有不斷增加的趨勢。

圖4 水泥穩定I類再生骨料擊實曲線

圖5 水泥穩定Ⅱ類再生骨料擊實曲線

圖6 水泥穩定Ⅱ類再生骨料實曲線

圖7 普通水泥穩定級配碎石擊實曲線

通過室內擊實試驗與實際施工效果對比統計分析,導致再生混合料擊實曲線不易出現拋物線的原因主要包括：1)再生骨料的吸水率波動大；2)再生骨料中磚粉等粘聚性差的粉料含量相對較高,擊實過程中粉料之間沒有足夠的粘結力導致擊實過程中出現落錘下落點周圍骨料反彈不易擊實現象；3)再生骨料中磚瓦類材料強度相對較低,擊實過程中出現骨料擊打破壞現象(如圖9所示),導致混合料難以擊實。當水含量較高時,增加了混合料的粘聚性,當混合料出現出水現象時混合料的擊實密度仍在繼續增加,但該用水量不能用于工程施工,所以建議當無法出現擊實曲線合理峰值時,宜選用擊實出水點的前一點或微出水點作為最佳含水量取值點。

拌合工藝

采用傳統拌合設備,攪拌缸長度不宜低于5米,或采用雙缸攪拌。拌合膠結材料用量應按照室內試配用量提高0.5%左右,以保證施工強度。根據運輸距離、施工時間應對拌合用水量進行合理控制。由于再生骨料吸水量大,主要吸水時間集中在1h內,24h內吸水量增加不大但也會對混合料的應用造成一定影響。通常以室內試驗確定最佳含水量作為參考,根據天氣情況提高1%～2%的用水量。而依據現行標準室,內擊實試驗悶料時間不同,水泥穩定再生骨料宜在1h內擊實完成,二灰穩定再生骨料應悶料4h后進行擊實試驗,而實際生產施工中,水泥穩定再生骨料的碾壓成型時間不超過3h,二灰穩定再生骨料不超過24h,由于室內試驗時間和實際施工時間具有一定差異,而隨著時間的延長再生骨料吸水量逐漸增加,會對碾壓性能造成一定影響,所以在實際應用中,建議根據施工時間確定室內試驗的混合料悶料、擊實時間,進而確定最佳含水量。

3.3 施工質量控制

再生骨料混合料施工宜使用機械攤鋪,采用刮平機攤鋪或攤鋪機(如圖10所示)攤鋪應注意松浦厚度,攤鋪機攤鋪的松浦系數一般在1.2～1.25,刮平機攤鋪松浦系數一般在1.2～1.35,實際應用過程中宜通過鋪筑試驗段確定松浦系數。

圖10 再生無機混合料攤鋪設備

由于再生無機混合料中磚粉及混凝土石粉含量較多,混合料粘聚性較差,所以當骨料級配不合理或用水量較低時,混合料施工碾壓加強振過程中容易出現骨料離析現象,而混合料含水量過高容易出現粘輥現象,如圖11所示。在碾壓過程中宜在碾壓輪上配有刮板或鋼絲繩,如圖12所示。

混合料應在攤鋪后及時碾壓成型,宜采用12t～22t振動碾壓壓路機。碾壓遍數宜通過試驗段確定,通常碾壓過程包括：不加振碾壓——輕振碾壓——強振碾壓——輕振碾壓——快速不加振碾壓整形。混合料碾壓加強振時容易導致混合料面層的磚瓦類骨料破碎,如圖13所示,當養生過程面層水分損失較快時,養生后的再生骨料混合料面層易出現磚瓦類粉塵,如上層鋪筑瀝青時應加以處理。

圖13 再生混合料碾壓后表面狀態

3.4 施工驗收標準

再生骨料無機混合料道路基層碾壓完成后應進行壓實度檢測,采用灌砂法。由于再生骨料的組分波動大,混合料密度均勻性差,宜適當增加灌砂試驗點數。混合料基層經一定齡期養生后鋪筑上層前應進行取芯、彎沉試驗,確定混合料基層各項指標滿足設計要求后方可進行上層施工。

4 結論

通過大量試驗及施工驗收過程數據統計可以看出,建筑垃圾再生骨料配制的無機混合料在應用過程中主要有以下特點。

(1)再生骨料組分波動性大,壓碎指標不能完全滿足普通無機混合料用碎石標準要求,但混合料的性能能夠滿足應用標準要求。

(2)再生無機合料最佳含水量高于普通無機混合料,最大干密度低于普通無機混合料,在使用過程中按噸計價時相同結構體積使用噸數降低,具有一定的經濟性能。

(3)再生無機混合料的最佳含水量通過現有試驗方法取值困難,但相對范圍波動比例不大。合理的控制可以滿足施工要求。

(4)施工過程應合理控制混合料用水量,室內擊實試驗時間應與實際施工時間相對應。以降低施工碾壓過程中出現的骨料離析或碾壓粘輥現象。

(5)由于再生骨料組分波動大,混合料的密度均勻性差,驗收過程可適當增加壓實度測量點數。

[1]北京市市政工程研究院.DB11/T999-2013城鎮道路建筑垃圾再生路面基層施工與質量驗收規范[S].北京：北京城建科技促進會,2013.

[2]交通部公路科學研究院.JTG E51-2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].北京：人民交通出版社,2009.

[3] 交通部公路科學研究院.JTG/T F 20-2015公路路面基層施工技術細則[S].北京：人民交通出版社,2015.

[4]趙立華,張磊,洪剛華,王彬,白延峰,崔寧.道路基層用水泥穩定再生骨料混合料擊實試驗研究.市政技術,2015年,第33卷(第4期)：171～174．