CN114195439A - 一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，属于建筑垃圾处理技术领域。所述方法包括：筛选再生建筑垃圾统料的粒径，所述再生建筑垃圾统料包括建筑垃圾细集料和建筑垃圾粗集料；测量再生建筑垃圾统料的表观相对密度、吸水率、针片状含量指标；将不同建筑垃圾细集料掺量掺入水泥稳定碎石，以抗压强度最优原则确定建筑垃圾细集料最优掺量；在建筑垃圾细集料最优掺量的前提下，将不同建筑垃圾粗集料掺量掺入水泥稳定碎石，以抗压强度最大原则得到不同粒径再生粗集料最优掺量。本发明在保证路面基层工程质量前提下，提高水泥稳定基层中再生建筑垃圾掺量，规避建筑垃圾精细化分拣的难题，实现建筑垃圾高效资源化利用。

Description

一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法

技术领域

本发明涉及一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，属于建筑垃圾处理技术领域。

背景技术

随着城市化进程的不断推进，道路扩建和住宅重建的需求越来越高。大规模的改扩建导致混凝土块、废砖和渣土等建筑垃圾日益增多，截止到2020年，我国新增排放建筑垃圾将超过50亿吨，越来越多的城市面临严峻的建筑垃圾的处理问题。另一方面，建筑垃圾的主要成分繁杂，常见的有烧结砖、混凝土碎块、水泥砂浆、碎石块等，这就带来了分类处理困难的问题，在全国推广垃圾分类和资源循环利用的背景下，建筑垃圾的处理问题越发凸显。

建筑垃圾在路面工程中的应用在国内外都有相关研究和工程应用案例，个别省份也出台了相关地方标准，但仅针对精细化分拣后的再生混凝土骨料，不适用于未分拣的再生建筑垃圾统料，极大的阻碍了建筑垃圾大规模的在道路中的利用。与此同时，公路建设对砂石材料需求量巨大，石料矿山长期无序开采，不仅破坏了生态环境，而且造成砂石材料资源枯竭，加上国家对环境治理力度加大以及矿山资源管理规范化，公路建设中面临砂石材料短缺难题。

建筑垃圾在道路基层中的再生利用，可以使建筑垃圾变废为宝，有效缓解这一巨大的难题。因此实现建筑垃圾统料在公路基层建设中规模化、资源化利用成为迫在眉睫的问题。

发明内容

为了解决现有建筑垃圾统料难以直接在道路基层中规模化利用的问题，本发明提出一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，在保证路面基层工程质量前提下，提高水泥稳定基层中再生建筑垃圾掺量，同时规避了建筑垃圾精细化分拣的难题，实现建筑垃圾高效资源化利用。

具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：

本发明第一方面，提供一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，包括：筛选再生建筑垃圾统料的粒径，所述再生建筑垃圾统料包括建筑垃圾细集料和建筑垃圾粗集料；测量再生建筑垃圾统料的表观相对密度、吸水率、针片状含量指标；将不同建筑垃圾细集料掺量掺入水泥稳定碎石，以抗压强度最优原则确定建筑垃圾细集料最优掺量；在建筑垃圾细集料最优掺量的前提下，将不同建筑垃圾粗集料掺量掺入水泥稳定碎石，以抗压强度最大原则得到不同粒径再生粗集料最优掺量；在粗、细集料最优掺量前提下，根据天然粗集料粒径比例确定各集料的掺量，确定最终配合比。

本发明的一种实施方式中，在测量再生建筑垃圾统料的表观相对密度、吸水率、针片状含量指标后，对再生建筑垃圾统料进行化学活化，使用的活化剂包括有机硅树脂溶液、硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。

本发明的一种实施方式中，水泥稳定碎石选用骨架密实结构，所述粒径大小包括0-5mm、5-10mm、10-20mm和20-40mm。

本发明的一种实施方式中，所述各集料包括水泥、再生建筑垃圾统料和天然集料。

本发明的一种实施方式中，所述水泥的质量占各集料之和的3％-6％。

本发明的一种实施方式中，所述建筑垃圾细集料粒径包括0-3mm、0-4.75mm或0-9.5mm。

本发明的一种实施方式中，所述建筑垃圾粗集料粒径包括4.75-9.5mm、9.5-19.5mm或4.75-19.5mm。

本发明的一种实施方式中，所述建筑垃圾统料为建筑垃圾生产厂家对未经精细化分拣的建筑垃圾直接破碎得到的建筑垃圾再生集料。

本发明第二方面，提供一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法设计得到的水泥稳定再生碎石。

本发明第三方面，提供一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法设计得到的水泥稳定再生碎石在建筑领域、再生领域中的应用。

有益效果

(1)基于现有建筑垃圾统料难以利用的前提下，本发明提出了掺建筑垃圾水泥稳定碎石设计方法。提出了掺建筑垃圾水泥稳定碎石的级配和掺量配比，保证路面基层工程质量前提下，提高水泥稳定基层中再生建筑垃圾掺量，同时规避了建筑垃圾精细化分拣的难题，实现建筑垃圾高效资源化利用。本发明的具体实施例试验的数据表明，建筑垃圾掺量为42％时强度最大，7d无侧限抗压强度为4.7MPa；建筑垃圾掺量为74％时掺量最高，7d无侧限抗压强度满足各等级道路底基层的规范强度要求。

(2)本发明指出了高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石在不同粗细集料掺量时力学性质的变化规律，提出了针对不同工况、不同建筑垃圾种类及施工条件下建筑垃圾的最优掺量，为实际工程应用提供多种选择参考。本发明的具体实施例试验的数据表明，配比为0-5mm建筑垃圾统料：5-10mm天然集料：10-20mm天然集料：20-40mm天然集料＝42：16：24：18时，掺建筑垃圾水泥稳定碎石强度最大；配比为0-5mm建筑垃圾统料：5-10mm建筑垃圾统料：10-20mm建筑垃圾统料：10-20mm天然集料：20-40mm天然集料＝42：15：17：10：16时，掺建筑垃圾水泥稳定碎石在满足规范要求前提下掺量最大。

(3)建筑垃圾统料的规模化利用，为公路工程建设过程中的砂石材料提供一种替代选择，缓解目前我国砂石匮乏的难题，具有良好的环境效益。

(4)本发明以较低的水泥剂量使得水泥稳定碎石基层满足强度、抗裂性能的要求，提升水泥稳定碎石基层性能的同时减少了水泥用量，节省造价，具有良好的工程经济效益。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为本发明0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料掺量-无侧限抗压强度关系图。

图2为本发明0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料掺量-劈裂强度关系图。

图3为本发明4.75-37.5mm粒径建筑垃圾粗集料掺量-无侧限抗压强度关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

为了解决现有建筑垃圾统料难以直接在道路基层中规模化利用的问题，本发明提出一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，首先对建筑垃圾统料基本性质进行测试，其次通过合理的级配调整及新旧集料的搭配，得到的水泥稳定碎石7d无侧限抗压强度最大为4.7MPa，建筑垃圾最大掺量为74％。

具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：

本发明第一方面，提供一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，包括：筛选再生建筑垃圾统料的粒径；测量再生建筑垃圾统料的表观相对密度、吸水率、针片状含量指标；通过调整再生粗、细集料掺量确定其对混合料力学特性的影响，总结出强度满足规范要求时建筑垃圾最优掺量，确定最终配合比。

首先，本发明选用建筑垃圾统料(未经分拣建筑垃圾破碎得到的建筑垃圾集料)的原因是：建筑垃圾再生集料的应用主要集中在精细化分拣后的再生建筑垃圾集料，目前的工艺工法不适用于未分拣的再生建筑垃圾统料，极大的阻碍了建筑垃圾大规模的在道路中的利用。本发明针对建筑垃圾统料进行研究，规避了建筑垃圾精细化分拣的难题，实现建筑垃圾高效资源化利用。

《掺建筑垃圾水泥稳定碎石路面基层的技术性能研究》中表明，建筑垃圾再生细集料在一定程度上对水稳碎石的力学强度有增强的效果，同时《基于振动法的级配碎石设计标准与设计方法研究》中表明，4.75mm粒径以下集料的占比与混合料的密度有直接的联系，而密度又会直接对强度产生影响。因此，本发明首先考虑0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料掺量对水泥稳定碎石力学性能的影响。经本设计方法配合得到的水泥稳定再生碎石中，随着0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料取代率的增加，混合料强度有较大的提升。7d抗压强度随0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料掺量的增大先增大后减小，掺量为42％时水泥稳定碎石强度最大，7d无侧限抗压强度为4.7MPa。

由于建筑垃圾生产线的产能以及不同厂家建筑垃圾破碎生产线筛孔配置，必然会有大量建筑垃圾粗集料产出，因此，在了解到0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料掺量对混合料性能影响规律的前提下，着手解决了建筑垃圾再生粗集料在道路基层中的应用。考虑到建筑垃圾粗集料的压碎值远大于天然集料，如果使用较多的再生粗集料代替天然集料会导致水泥稳定材料中骨架结构力学强度不足的问题，从而导致混合料力学强度快速下降。因此，本发明在0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料最优掺量42％前提下，确定了建筑垃圾粗集料对水泥稳定材料力学强度的影响。粗集料粒径范围取决于建筑垃圾生产线筛孔设定，在此不作限定。经本设计方法配合得到的水泥稳定再生碎石中，逐渐增加建筑垃圾粗集料的掺量，并且从较小粒径粗集料开始增加，混合料强度逐渐降低，当粗集料掺量为32％时，即建筑垃圾再生集料总掺量为74％时，7d无侧限抗压强度满足各等级道路底基层的规范最低强度要求。

再次，本发明提出的配合比设计方法确定最佳取代率和配合比时，不仅考虑了抗压强度，同时考虑了劈裂强度以及最大干密度和最佳含水量。当0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料掺量为42％时，混合料最大干密度为2.045g/cm3，最佳含水量为6.8％，7d无侧限抗压强度为4.7MPa，7d劈裂强度为0.39MPa。

在本发明一些实施例中，所述粒径大小分为0-5mm，5-10mm，10-20mm，20-40mm四种规格。

所述混合集料体系包括复合硅酸盐水泥、再生建筑垃圾集料和天然集料。

所述复合硅酸盐水泥质量占集料之和的4％。如果水泥含量过多，容易造成成本过高问题，同时导致水泥稳定碎石基层开裂问题增加，而水泥含量过少，则会致强度不够，不能符合规范要求。

所述高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石选择骨架密实结构，在这种结构下，通过本发明设计方法设计出的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石具有优异的力学性能。此时，各种粒径集料基础掺量为：0-5mm占35％，5-10mm占22％，10-20mm占27％，20-40mm占16％(质量比)。

本发明第二方面，提供一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法设计得到的水泥稳定再生碎石。

不同于其他方法设计的掺建筑垃圾水泥稳定碎石，由于本发明在设计时，选用未经分拣的建筑垃圾统料，通过大量调查和研究分析，确定了不同粒径建筑垃圾集料对水泥稳定碎石基层性能的影响。不仅可以使得建筑垃圾统料得到高效的利用，同时提出了一种新的设计理念。实施例中建筑垃圾掺量为42％时，混合料7d无侧限抗压强度为4.7MPa，7d劈裂强度为0.39MPa。建筑垃圾掺量为74％时，混合料7d无侧限抗压强度为3.0MPa。

本发明第三方面，提供一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法设计得到的水泥稳定再生碎石在建筑领域中的应用。

由于不同厂家建筑垃圾破碎生产线的产能以及筛孔配置不同，产出的建筑垃圾集料粒径分布及比例也有所不同；同时，建设单位对掺建筑垃圾水泥稳定碎石基层的强度要求和使用层位的需求也不同。本发明给出了建筑垃圾再生集料不同粒径不同掺量下混合料对应的强度、适用的交通等级以及道路层位。提供一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法设计得到的水泥稳定再生碎石的应用方案。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

提出一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法以解决城市建筑垃圾统料难以直接利用的难题，提出了高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的级配和掺量配比，并根据配合比进行混合料重型击实试验和7d龄期力学性质试验，验证了不同建筑垃圾掺量应用于水泥稳定基层领域，特别是高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的性能。并指出了高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石在不同粗细集料掺量时力学性质的变化规律，提出了针对不同工况、不同建筑垃圾种类及施工要求下建筑垃圾的最优掺量，为实际工程应用提供多种选择参考。

下述实施例中，根据合成级配进行混合料重型击实试验和7d龄期无侧限抗压强度实验，验证混合料性能。本次试验采用标号为42.5的复合硅酸盐水泥，水泥剂量取4％，试验选择骨架密实型的矿料结构，试验龄期为7天。

(1)试验所用建筑垃圾由西安某再生集料生产厂家提供。根据粒径大小分为0-5mm，5-10mm，10-20mm，20-40mm四种规格。

(2)再生集料基本技术指标试验及结果

再生建筑垃圾集料性能试验主要考虑表观相对密度、压碎值、吸水率等指标。再生集料基本技术指标要求参考《水泥稳定碎石基层施工技术规范》(DB37/T 3577-2019)、《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)、《混凝土再生骨料》(GB/T 25177-2010)。

由试验结果可知相对于天然集料，再生集料的压碎值大、吸水率高、密度小。

(3)水泥稳定碎石级配设计

根据矿料级配的不同将水泥稳定碎石混合料划分为悬浮密实、骨架密实和骨架空隙三种结构类型。在骨架密实结构中，既有粒径搭配合理的粗集料构成骨架结构提供摩阻力，又有大量的细集料分布在剩余的空隙之中，且不干涉粗集料骨架的形成，混合料整体内摩阻力和胶结力相比其他两种结构都有极大提升，是水泥稳定碎石最常见的结构类型。

因此，本次试验选择骨架密实结构(中级配)。根据《水泥稳定碎石基层施工技术规范》(DB37/T3577-2019)的级配要求确定每种集料的掺量。

各种粒径集料掺量为：0-5mm占35％，5-10mm占22％，10-20mm占27％，20-40mm占16％(质量比)。

(4)水泥稳定碎石配合比设计

将0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料以混合料0％、20％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％的占比掺入水泥稳定碎石，选取水泥剂量为4％，共计9种混合料，确定9种混合料的最佳掺配比例，粗、细集料及混合料级配见表1。在此基础上，测试各掺量下混合料的最大干密度和最佳含水率，然后成型φ×h＝150×150mm的标准试件测试其7d无侧限抗压强度和劈裂强度。试验结果如图1、图2所示。

表1 0-4.75mm粒径建筑垃圾各掺量下粗、细集料配比

如图1或2所示，随0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料掺量的增加，掺建筑垃圾水泥稳定碎石的无侧限抗压强度先增大后减小。随再0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料的增加，无侧限抗压强度逐渐增大，掺量为42％时，强度到达峰值，继续增加细集料掺量，强度逐渐降低。这是因为建筑垃圾含有具备一定活性的物质，且0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料比表面积较大，活性物质能与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生化学反应生成的其他水化产物具有一定粘结力，进而形成强度,对掺建筑垃圾水泥稳定碎石的无侧限抗压强度有改善作用。随再生建筑垃圾细集料掺量的增加，掺建筑垃圾水泥稳定碎石的劈裂强度线性增大，这是因为，建筑垃圾中的活性物质与水泥水化产物发生化学反应生成的水化产物具有一定粘结力，提高了界面粘聚力，因此劈裂强度随再生建筑垃圾细集料掺量的增加而逐渐增大。

此时配比为0-5mm建筑垃圾统料∶5-10mm天然集料∶10-20mm天然集料∶20-40mm天然集料＝42∶16∶24∶18，掺建筑垃圾水泥稳定碎石强度最大。

当0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料掺量为42％时，确定4.75～37.5mm再生粗集料对混合料性能的影响。将4.75～37.5mm再生粗集料以混合料5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％的比例掺入混合料中作为粗骨料，选取水泥剂量为4％，共计7种混合料。确定7种混合料的最佳掺配比例，粗、细集料及混合料级配见表2。在此基础上，测试各掺量下混合料的最大干密度和最佳含水率，然后成型φ×h＝150×150mm的标准试件测试其7d无侧限抗压强度。试验结果如图3所示。

表2 4.75-37.5mm粒径建筑垃圾各掺量下粗、细集料配比

如图3所示，当0-4.75mm粒径建筑垃圾细集料掺量为42％时，随4.75～37.5mm再生粗集料掺量的增加，掺建筑垃圾水泥稳定碎石的无侧限抗压强度逐渐减小。当4.75～37.5mm再生粗集料掺量约为32％时，此时建筑垃圾总掺量为74％，掺建筑垃圾水泥稳定碎石的强度为3.0MPa。这是因为随着建筑垃圾逐渐取代天然粗集料，即混合料骨架结构的天然集料转变部分再生建筑垃圾粗集料，而建筑垃圾粗集料密度较小，且内部存在空隙和裂缝，压碎值较高，导致混合料骨架强度降低，因此，整体无侧限抗压强度逐渐降低。

此时配比为0-5mm建筑垃圾统料∶5-10mm建筑垃圾统料∶10-20mm建筑垃圾统料∶10-20mm天然集料∶20-40mm天然集料＝42∶15∶17∶10∶16，掺建筑垃圾水泥稳定碎石在满足规范要求前提下掺量最大。

实施例所述建筑垃圾掺量为42％时强度最大，7d无侧限抗压强度为4.7MPa，混合料的基本技术指标满足各等级道路基层的规范强度要求。当道路等级较高或建设单位对基层强度要求较高时，可选用本方案进行施工，既满足强度要求，又可实现建筑垃圾大规模利用。

实施例所述建筑垃圾掺量为74％时建筑垃圾掺量最高，7d无侧限抗压强度为3.0MPa，满足各等级道路底基层的规范强度要求。当道路等级较低或者应用于底基层时，可选用本方案进行施工，实现建筑垃圾最大程度的资源化利用。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同更换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，其特征在于，包括：

筛选再生建筑垃圾统料的粒径，所述再生建筑垃圾统料包括建筑垃圾细集料和建筑垃圾粗集料；

测量再生建筑垃圾统料的表观相对密度、吸水率、针片状含量指标；

将不同建筑垃圾细集料掺量掺入水泥稳定碎石，以抗压强度最优原则确定建筑垃圾细集料最优掺量；

在建筑垃圾细集料最优掺量的前提下，将不同建筑垃圾粗集料掺量掺入水泥稳定碎石，以抗压强度最大原则得到不同粒径再生粗集料最优掺量；

在粗、细集料最优掺量前提下，根据天然粗集料粒径比例确定各集料的掺量，确定最终配合比。

2.根据权利要求1所述的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，其特征在于，在测量再生建筑垃圾统料的表观相对密度、吸水率、针片状含量指标后，对再生建筑垃圾统料进行化学活化，使用的活化剂包括有机硅树脂溶液、硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。

3.根据权利要求2所述的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，其特征在于，水泥稳定碎石选用骨架密实结构，所述粒径大小包括0-5mm、5-10mm、10-20mm和20-40mm。

4.根据权利要求3所述的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，其特征在于，所述各集料包括水泥、再生建筑垃圾统料和天然集料。

5.根据权利要求4所述的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，其特征在于，所述水泥的质量占各集料之和的3％-6％。

6.根据权利要求5所述的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，其特征在于，所述建筑垃圾细集料粒径包括0-3mm、0-4.75mm或0-9.5mm。

7.根据权利要求6所述的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，其特征在于，所述建筑垃圾粗集料粒径包括4.75-9.5mm、9.5-19.5mm或4.75-19.5mm。

8.根据权利要求7所述的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法，其特征在于，所述建筑垃圾统料为建筑垃圾生产厂家对未经精细化分拣的建筑垃圾直接破碎得到的建筑垃圾再生集料。

9.根据权利要求1-8任一所述的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法设计得到的水泥稳定再生碎石。

10.根据权利要求1-8任一所述的高掺量建筑垃圾水泥稳定碎石的配合比设计方法和/或权利要求9所述的水泥稳定再生碎石在建筑领域、再生领域中的应用。

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