一種水泥穩定再生集料碎石配比設計方法與流程

本發明涉及一種水泥穩定碎石配比設計方法，尤其是一種水泥穩定再生集料碎石配比設計方法。
背景技術：
：隨著我國城鎮化建設的進一步發展，帶來了舊城改造工程中嘗試的大量建筑廢棄物，這些建筑廢棄物的處理已成為我國各大城市的難題。近年來我國逐步重視社會的綠色可持續發展，比如建筑材料的再生利用，這有助于節省國家資源。但是，我國在該領域起步較晚，雖然在建筑垃圾再生集料利用方面也出臺了諸多政策，編制了建筑領域的應用技術規程。但由于建筑再生混凝土往往涉及結構強度和安全，致使主管部門和技術人員顧慮重重，因此即使在建筑工程領域再生集料以及再生集料混凝土的實際應用仍然處于初級階段，成功應用案例仍然較少。而道路工程中一般對材料的強度要求不高，特別是路面基層和墊層等，強度要求只需幾個mpa，且涉及到安全問題。更重要的是道路工程中再生集料需求量巨大，因此廢棄物再生集料的應用潛力非常大。那么，將建筑廢棄物有效利用于道路工程可能是解決建筑垃圾圍城、資源再利用的最快速、最簡易和最有效的途徑之一。因此，開發一種將建筑廢棄物再生集料用于道路工程中的技術是有必要的。其次，水泥穩定碎石的配合比設計是基層施工過程中一項十分重要的環節，特別是在施工過程中級配碎石相對目標配合比的偏差是會造成混合料不均勻。因此，做好水泥穩定碎石配合比設計是保證路面長齡期、好質量的重要前提。目前水泥穩定碎石在設計和施工方面存在一些問題，例如室內成型方式與實際道路受力狀態存在一定差異；設計指標和施工檢測指標相關性不足；對礦質石料級配的要求沒有體現石料本身技術指標的差異性等。主要可以歸結為以下幾方面：第一、傳統的擊實設計方法依據道路等級以及所用層位的不同，規定以輕型擊實或重型擊實的方法測量最佳含水量與最大干密度。傳統的重型擊實法和振動擊實法都是通過對材料直接做功使其逐漸被壓實，因此做功的大小、速度快慢勢必也影響混合料的各項性能。隨著施工機械的更新換代與現場壓實工藝的進步，該試件成型方式已無法用于指導現代化的道路施工。重型擊實試驗法不能模擬現場壓實機理，該實驗是通過儀器施加沖擊荷載對被壓材料進行壓實，而現場壓實過程中，被壓材料除了受到壓路機的豎向重力外，還會受到壓路機的斜向剪切作用力以及振動等作用力。第二、傳統設計方法中的7d無側限抗壓試驗采用了靜壓法的方式成型試件，試件的體積特征與現場輪碾施工方法存在較大區別，其強度指標難以模擬現場最終壓實狀態。使用靜力壓實下試件基本上是呈現懸浮密實結構，集料壓碎情況較嚴重，這么多年的理論和實踐證明這兩種結構的各種性能相差很遠。盡然靜力壓實試件的試驗方法操作起來比較簡單且應用廣泛。第三、傳統的設計方法在開展擊實試驗和靜壓試驗時，誤差較大。在重型擊實試驗中分多層裝料、分層插搗和現場一層壓實的情況不符。,此外分層裝料質量多少等因素會因試驗人員的不同而不同，甚至同一試驗人員不同時間所做的試驗結果也會有較大差異，從而導致試驗重現性差，試驗結果較離散，存在不穩定性。同時，再生集料具有吸水率高、強度較低的特點，采用常規的擊實設計方法將導致半剛性材料過高的含水量，使半剛性材料更加容易發生干縮開裂，因此傳統的擊實成型和靜壓成型相結合的配合比設計方法已不適用于這類材料。隨著再生材料在道路工程中的進一步推廣應用，現時急需一種適用于高吸水率和良好體積穩定特性的水泥穩定再生集料碎石設計方法。技術實現要素：基于此，本發明的目的在于克服上述現有技術的不足之處而提供一種水泥穩定再生集料碎石配比設計方法。該方法能更好的設計水泥穩定再生集料碎石配合比，提高試驗數據的合理性、準確性，更好的發揮水泥穩定碎石的優越性能，與實際路面結構具有較高的吻合度。為實現上述目的，本發明所采取的技術方案為：一種水泥穩定再生集料碎石配比設計方法，包括如下步驟：(1)確定礦料級配范圍；(2)設置多個水泥和水的用量，分別制備水泥再生集料碎石混合料；(3)采用旋轉壓實方法對步驟(2)所得水泥再生集料碎石混合料進行成型，以連續10次壓實累計高度變化小于1mm為停止標準，得到混合料含水量與密度相關曲線，分析曲線得出混合料的最佳含水量和最大干密度；(4)在最佳含水量和最大干密度狀態下進行制樣，對試樣進行7天無側限抗壓強度試驗，確定水泥穩定再生集料碎石的配比。本發明以連續10次壓實累計高度變化小于1mm為旋轉壓實成型停止標準，確定混合料的最佳含水量和最大干密度，其主要思想是“在材料達到穩定狀態的前提下開展配合比設計”，因為不同集料、不同級配的水穩材料達到穩定狀態時所需的壓實功是不同的，所以本發明旋轉壓實設計方法和現有壓實方法本質及主要思想是不同的。從成型原理上看，旋轉壓實成型是通過模擬行車作用來成型試件，同時對試件施以垂直壓力和水平剪切力，從而使得試件的粗集料骨架達到穩定平衡狀態，即達到最終密度。采用旋轉壓實成型的方法設計水泥穩定再生集料碎石，可以模擬材料現場的碾壓成型過程，與實際狀態具有較高的吻合度，并能跟蹤混合料在整個壓實過程中的密度變化；同時，室內試驗結果能指導現場壓實施工工藝，提高生產質量。優選地，所述步驟(1)中，參照《公路路面基層施工技術細則》(jtg/tf20-2015)確定礦料級配，如下表所示：優選地，所述步驟(2)中，還對再生集料的基本性能進行測試。本申請發明人通過大量的室內試驗確定了不同等級道路對集料的基本性能要求，通過對再生集料的基本性能進行測試，是為了進一步確保再生集料符合道路對集料的基本性能要求。此外，再生集料包括再生粗集料和再生細集料，再生粗集料指粒徑大于4.75mm的粒料，再生細集料指粒徑小于4.75mm的粒料；發明人對水泥穩定再生集料(底)基層用再生粗集料技術要求進行了測試，如下表：對水泥穩定再生集料(底)基層用再生細集料技術要求進行了測試，如下表：優選地，所述步驟(2)中，所述水泥用量的設置過程包括：預估水泥的最佳重量，以最佳重量為中值，按照預定的間隔，最少取3個不同的水泥用量。更優選地，所述步驟(2)中，最少取5個不同的水泥用量。分別按設定的五個水泥用量配制同一種試樣、不同水泥用量的再生集料混合料。優選地，所述水泥的初凝時間不大于3h，所述水泥的終凝時間大于6h且小于10h。所用的水泥應符合規范《公路路面基層施工技術細則》(jtg/tf20-2015)的要求。優選地，所述步驟(2)中，所述水的用量的設置過程包括：預估水的最佳重量，將水的最佳重量的101～102％作為水的用量。所用的水應符合規范《混凝土拌合用水標準》。優選地，所述步驟(3)中，所述旋轉壓實成型的參數為：轉數為30rpm，旋轉壓實角為1.25°，壓強為0.7mpa，試件直徑為150mm，試件高度為198～202mm。成型過程中須觀測試件的高度變化，當連續10次壓實的高度變化小于1mm時停止壓實，脫模，在試件的上、中、下三個部位進行取樣，測定混合料的含水率，計算混合料的最佳含水量和最大干密度。優選地，本發明所述水泥穩定再生集料碎石配比設計方法還包括確定現場碾壓工藝的步驟，以控制含水量和密度的方式確定現場施工的壓實機械和壓實次數，使現場混合料材料能夠達到設計的密實程度。相對于現有技術，本發明的有益效果為：本發明所述水泥穩定再生集料碎石配比設計方法，試件達到靜壓法試件相同的抗壓強度時，材料含水率較擊實法低；本發明方法能夠真實模擬半剛性基層施工時材料的受力狀態，利用旋轉壓實過程中的剪切應力排除試件中多余的水分，使材料的均勻性與現場保持一致，使材料的粗集料骨架達到了設計壓實功下的最穩定狀態，降低了材料干縮開裂的可能性，有利于更好地指導現場施工。附圖說明圖1為本發明試樣最大干密度和含水量的關系曲線圖；圖2為不同水泥用量下試件高度變化趨勢圖；圖3為旋轉次數與試件含水量相關曲線圖；圖4為旋轉壓實法與擊實成型法試件含水量對比圖；圖5為旋轉次數與試件干密度相關曲線圖；圖6為旋轉壓實法與擊實成型法試件干密度對比圖；圖7為旋轉次數與試件無側限抗壓強度相關曲線圖；圖8為旋轉壓實法與擊實成型法試件抗壓強度對比圖；圖9為旋轉壓實法與擊實成型法試件干密度-抗壓強度關系圖。具體實施方式為更好的說明本發明的目的、技術方案和優點，下面將結合具體實施例對本發明作進一步說明。實施例1本發明所述水泥穩定再生集料碎石配比設計方法的一種實施例，本實施例所述方法包括如下步驟：1、級配設計：首先，按《公路路面基層施工技術細則》(jtg/tf20-2015)中的規定選定礦料合成級配，如表1所示：表1水泥穩定級配碎石或礫石的推薦級配范圍2、選定水泥和水的用量材料技術指標要求如下：(1)水、水泥所用的水應符合規范《混凝土拌合用水標準》，水泥也應符合規范《公路路面基層施工技術細則》(jtg/tf20-2015)的要求。所用水泥的初凝試件不應大于3h，終凝時間應大于6h且小于10h。(2)再生集料再生集料應滿足表2和表2的要求。其中，再生粗集料指粒徑大于4.75mm的粒料，再生細集料指粒徑小于4.75mm的粒料。本實施例所用的材料為柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴建工程廢舊水泥混凝土。我們按照《公路工程集料試驗規程》(jtge42-2005)做了高速公路水泥穩定再生集料基層用再生粗集料的相關指標如圖2所示：表2水泥穩定再生集料(底)基層用再生粗集料技術要求表3水泥穩定再生集料(底)基層用再生細集料技術要求(3)確定初始水泥劑量分別按下列五種水泥劑量配制同一種試樣、不同水泥劑量的再生集料混合料；a.做基層用：中粒式和粗粒式：3％，4％，5％，6％，7％塑性指數小于12的細粒式：5％，7％，8％，9％，11％其他細粒式：8％，10％，12％，14％，16％b.做底基層用：中粒式和粗粒式：3％，4％，5％，6％，7％塑性指數小于12的細粒式：4％，5％，6％，7％，9％其他細粒式：6％，8％，9％，10％，12％至少應做三個不同水泥劑量再生集料混合料的旋轉壓實試驗，即最小劑量、中間劑量和最大劑量，其他兩個劑量再生集料混合料的最佳含水量和最大干密度用內插法確定。依據集料的吸水率估計初始用水量，以吸水率(％)+水泥用量(％)作為參考依據，間隔2％擬定5個以上用水量，以此得到混合料的含水量-密度曲線。以密度峰值為混合料的最大干密度，對應用水量為最佳含水量。3、按規范規定的方法制備混合料；4、采用旋轉壓實的方法成型試件，轉數30rpm，旋轉壓實角1.25°，壓強控制0.7mpa，試件直徑150mm，試件高度控制198～202mm。成型過程中須觀測試件的高度變化，當連續10次壓實的高度變化小于1mm時停止壓實；脫模，在試件的上、中、下三個部位進行取樣，測定混合料的含水率，計算混合料的最佳含水量和最大干密度。其中，旋轉壓實實驗包括如下步驟：(1)材料的準備我們使用的是pine公司出產的afg1旋轉壓實儀。在試驗前應將試驗所需要的各種儀器設備準備齊全，調試旋轉壓實儀器，檢查其是否能正常運行。材料按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(jtge51-2009)進行準備。首先準備各種集料、水泥和水，我們把現場拉回來的集料進行清洗，洗去其含有的碎渣、塵土等雜質，把清洗好的集料放入烘箱內，按規范烘至溫度為105度左右，時間不小于6h；將烘干的集料放在室溫中，等到溫度下降。將準備好的各種粗、細集料按照預定的混合料級配配制5～6份，每份試料的干質量約為5～6kg。(2)按預定含水量制備試件。將1份試料平鋪于金屬盤內，將事先計算的該份試料中應加的水量均勻地噴灑在試料上，用小鏟將試料充分的拌合都均勻狀態，然后裝入密閉容器內浸潤備用，一般浸潤時間不超過24小時。將水泥加到浸潤后的材料中，用小鏟充分拌合混合料到均勻狀態。加有水泥的試料拌合后，應在1h內完成旋轉壓實試驗，拌合后不應超過1h在進行試驗。(3)試驗前應清潔模具、模具底座和頂蓋，清潔的模具組件對結果至關重要。將準備好的模具組件放在平整的、離儀器較近的地面上。在底座放一個薄紙片，且模具壁和底座涂少量的黃油，有利于脫模。將拌合好的混合料分成4份，按對角的順序分三次放入模具內，買房1/3用木棒插到。整平其表面并稍加壓緊，在頂部放上一張薄紙，蓋好頂蓋。(4)按說明打開旋轉壓實儀，將裝好混合料的模具放入儀器內，并固定好，開始試驗。在進行試驗時，每壓實5次記一次高度，同時關注連續10次試件的高度變化，若累積高度不超過1mm，就停止試驗，記錄試驗在整個壓實過程中高度的變化情況。(5)壓實結束后，松開模具頂蓋的夾緊把手，旋出并拿出模具頂蓋，將成型好的的試件，需進行脫模，完全脫出后，讓試件稍稍冷卻，拿走試件，揭去墊在試件底部和頂部的紙片。如試樣底面略有突出或者孔洞部分，則細心刮平或修補，稱其質量。(7)每組取出代表的試件，用錘頭打碎，在試件的上、中、下三個部位進行取樣，稱取烘前質量，裝入金屬盆內，將金屬盤連同混合料一起放入110℃的烘箱中烘干12h，在稱取烘后質量，測定混合料的含水率，計算混合料的最佳含水量和最大干密度。均按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(jtge51-2009)的測定和計算方法進行操作。5、在最佳含水量和最大干密度狀態下進行制樣，對試樣進行7天無側限抗壓強度試驗，確定水泥穩定再生集料碎石的配比：按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(jtge51-2009)中“t0845-2009無機結合料穩定材料養生試驗方法”進行養生。將試件放入塑料袋內，排除袋內空氣，扎緊袋口，將包裝好的試件放入養護室。標準養生溫度為20℃±2℃，標準養生的濕度為≥95％。試件表面應保持一層水膜，并且避免用水直接沖淋。無側限抗壓強度試驗，標準養生齡期為7d，最后一天浸水。在養生最后一天，將試件取出，然后將試件浸泡于20℃±2℃水中，應使水面在試件頂上約2.5cm。我們根據實驗材料類型和一般的工程試驗，選擇合適的壓力機。將已浸水一晝夜的試件從水中取出，用干凈抹布洗去試件表面的水分。同樣采用旋轉壓實儀成型試件，轉數30rpm，旋轉壓實角1.25°，壓強控制0.7mpa，試件直徑150mm，試件高度控制198～202mm。進行強度試驗時，作為平行試驗的最少試件數量應不小于表4的規定。如試驗結果的偏差系數大于表中規定的值，則應重做試驗，并找出原因，加以解決。如不能降低偏差系數，則應增加試件數量。表4最少試件數量按規范規定的方法養生無側限試驗試件，進行7d無側限抗壓強度試驗，確定配合比及用水量。6、確定現場碾壓工藝以控制含水量和密度的方式確定現場施工的壓實機械和壓實次數，使現場混合料材料能夠達到設計的密實程度。實施例2本發明所述水泥穩定再生集料碎石配比設計方法的一種實施例，本實施例所述方法除了水泥用量的設置個數和實施例1不同外，其他均相同，包括如下步驟：1、礦物級配確定：總結出最佳的水泥含量及各集料的配比。加水量適當加大1～2％；我們做了多組水泥用量的試件，現取3個水泥用量為代表；分別為3％、5％、7％。首先確定每種水泥的礦料級配如表5至7所示：表53％水泥用量通過篩孔的質量百分率粒徑31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075規范上線10092.483.675.268.161.544.531.025.318.114.910.06.6規范中線100.090.581.073.766.359.042.030.524.017.513.79.86.0規范下線100.088.678.472.264.556.539.530.022.716.912.59.65.4表65％水泥用量通過篩孔的質量百分率粒徑31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075規范上線100.091.383.874.269.061.343.631.225.619.214.410.26.8規范中線100.090.581.073.766.359.042.030.524.017.513.79.86.0規范下線100.089.778.273.263.656.740.429.822.415.813.09.45.2表77％水泥用量通過篩孔的質量百分率粒徑31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075規范上線100.090.884.674.970.062.442.630.926.419.114.811.36.9規范中線100.088.678.472.264.556.539.530.022.716.912.59.65.4規范下線100.090.277.472.562.655.641.430.121.615.912.68.35.12、水泥和水用量的確定水和水泥用量均是根據規范和以往經驗取值，我們做了多組試驗，取三組水泥和水用量為代表，如表8所示：表8水和水泥的含量步驟3～6中的具體步驟同實施例1。實施例3本實施例對本發明方法中試件的最大干密度-含水量曲線進行了研究分析。如圖1所示，圖1中共三條曲線，分別代表3％、5％、7％的水泥用量，每條曲線共有5個點，縱坐標為密度，橫坐標為對應密度下的含水量，以連續10次壓實下試件的高度變化累積不超過1mm為停止壓實標準。由圖1可知，3種水泥用量下的再生集料水泥穩定碎石的密度隨著用水量的增加首先增大爾后下降，其中3％水泥用量下材料的最大干密度為2.084g/cm3，對應最佳含水量為8.29％；5％水泥用量時材料最大干密度為2.097g/cm3，對應最佳含水量為9.08％；7％水泥用量時材料最大干密度為2.116g/cm3，對應最佳含水量為9.43％。實施例4本實施例對本發明試件的旋轉壓實次數與體積參數相關性進行了研究分析。(1)試件高度采用agfc1旋轉壓實儀旋轉壓實成型試件(0.7mpa壓力下旋轉壓實120次),并記錄不同旋轉壓實次數下試件高度數據。將試件高度—旋轉次數數據制作如圖2的曲線。從圖2可看出，隨著旋轉次數的增加試件高度均減小的趨勢。旋轉壓實儀旋轉壓實80次之后，試件的高度變化較緩，超過100次后，高度基本穩定，表明采用該級配以及再生集料時，混合料在這種壓力(0.7mpa)下旋轉壓實100次之后試件已基本達到穩定狀態，100次之后每增加10次的壓實材料的高度變化小于1mm，因此對于這種材料可選擇旋轉壓實次數為100次進行設計。(2)含水量變化旋轉次數與試件含水量相關曲線如圖3所示；從圖3可以看出：壓實次數的增加，試件含水率逐漸降低；超過100次后，含水率降低速率趨于緩慢。旋轉壓實法與擊實成型法試件含水量對比圖如圖4所示；從圖4可以看出：擊實法得出的最佳含水量，大于旋轉壓實試驗結果。且相同的水泥含量，隨著壓實次數的增加，試件的含水率下降。(3)干密度指標圖5為在3％、5％、7％水泥用量情況下做旋轉壓實試驗；該3條曲線表示旋轉壓實次數與其相應的水泥用量試件的干密度之間關系，它反映水泥穩定碎石混合料在開始壓實階段從初始狀態混合料干密度穩定狀態的過程，也就是反映了混合料在施工期間的壓實特性和在交通荷載作用下的干密度變化特性。從圖5可以看出：三種水泥含量的試件隨著壓實次數的增加，試件干密度逐漸增加；超過100次后，干密度基本不變。水泥用量越高，干密度越大。旋轉壓實法與擊實成型法試件干密度對比圖如圖6所示；從圖6可以看出：擊實法(靜壓法)得出的干密度，對應60～80次旋轉壓實試驗結果，特別是7％的水泥含量更明顯。實施例5本實施例對本發明試件的旋轉壓實次數與力學參數相關性進行了研究分析。從圖7可以看出：隨著壓實次數的增加，試件抗壓強度逐漸增加；超過100次后，抗壓強度基本不變。水泥用量越高，抗壓強度越大。從圖8可以看出：靜壓法得出的抗壓強度，對應60次旋轉壓實試驗結果。隨著水泥用量的增加，試件的抗壓強大也增大。從圖9可以看出：若施工以強度控制，過多的用水量將降低材料強度，傳統設計方法無法充分發揮再生材料的性能；以強度控制，傳統設計方法用水量較高，更加容易加劇干縮。綜上，從以上旋轉次數與試樣性能的分析可以進一步得出：旋轉壓實成型的試件達到靜壓法試件相同的抗壓強度時，材料含水率較擊實法小。表明旋轉壓實通過剪切作用，排除了材料內部水不需要的水分，其使材料的均勻性與現場保持一致。同時其顆粒骨架達到了一定壓實功下的最穩定狀態，該成型方法更加適用于設計吸水率高的材料(尤其是再生集料)，同時易于指導現場施工(確定壓實工藝)。最后所應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發明作了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和范圍。當前第1頁12