碱激发废旧混凝土道路基层材料在马桥河路改建工程中的应用

郭一枝，万暑，吴超凡

(1.湖南省高速公路集团有限公司，湖南 长沙 410003；2.湖南省建筑固废资源化利用工程技术研究中心)

1 前言

建筑业作为中国国民经济的支柱产业之一，在中国现代化建设的过程中扮演了重要的角色，但建筑业的繁荣发展也产生了大量的建筑垃圾。据统计,中国所产生的建筑固体废弃物占全世界的30%，而在这些建筑固体废弃物中有40%是城市建筑垃圾。2017年中国产生的建筑垃圾超过了29亿t，其再生利用率仅10%左右，2020年时建筑垃圾的产量可能达到峰值。目前，中国政府已十分重视建筑垃圾危害问题，通过出台相关政策，极力号召社会各界力量寻找一条建筑垃圾资源化利用的可持续发展道路。另外，截止到2016年年底，中国高速公路建成通车总里程突破13万km，为世界第一位，并且2017年预计新增高速公路5 000 km，增速也位居全球第一。就湖南而言，2016年底，湖南省公路通车总路程238 273 km，其中高速公路通车里程达6 080 km，排名中国第六，预计到2020年达到7 000 km以上。中国公路建设的快速发展消耗了大量天然集料。近些年，由于矿石过渡开采造成一系列的环境问题，并且许多大城市周围矿石资源枯竭，用于道路建设的集料往往来源于数百公里以外的矿区，上述现象给中国环境和经济建设造成巨大困难。合理地把建筑固废物替代天然集料用于道路工程建设中是解决上述问题的最佳途径。

由建筑固废物破碎而成的再生集料具有吸水率大、强度低等特点，如将再生集料直接制备基层混合料，混合料工作性、路用性能波动较大，质量较难控制。近年来，碱激发胶凝材料被看作是一种能替代传统水泥的环保型建筑材料，具有强度高、抗酸碱腐蚀能力强等优点。碱激发胶凝材料主要由具有一定急冷热历史的含铝硅酸盐煅烧天然矿物或工业废渣(矿渣、粉煤灰等)和碱激发剂(氢氧化钠、水玻璃、硫酸钠等)组成。将碱激发胶凝材料用于再生集料作基层材料有较多优点：① 碱激发胶凝材料能替代大部分水泥，减少水泥的用量；② 矿渣、粉煤灰等掺入能填充再生集料的孔隙，并且矿渣和粉煤灰具有火山灰活性，能与再生集料表面老的浆体发生二次水化作用，使集料强度增大；③ 再生集料中具有一定量的火山灰活性物质，在碱激发剂的作用下能发生水化反应，生成更多的凝胶使混合料的整体强度变大。

基于上述问题，围绕碱激发废旧混凝土道路基层材料的研究进行了多项室内试验。试验表明：碱激发废旧混凝土道路基层材料具有强度高、路用性能优异等特点，且各项性能指标都能达到高等级公路路面基层材料要求，该文依托湖南长(沙)益(阳)(扩容)高速公路马桥河道路路面改建工程进行工程应用。

2 工程概况

马桥河路是湖南望城经开区规划“六纵四横”的主次干道路网框架中的一纵，路线走向为南北向，等级为城市次干路，设计速度50 km/h。由于马桥河路原路面一段与长益(扩容)高速交叉，所以将此段路面降低标高，新路面从长益(扩容)高速下面穿过。破除原路面所产生的道路固废全部进行再生资源化利用。新路面结构层包括：4 cmSMA-13上面层、6 cmAC-20中面层、8 cmAC-25下面层、1 cmSBS改性沥青同步碎石封层+透层、18 cm5%水泥稳定碎石上基层、18 cm5%水泥稳定碎石下基层和20 cm4%水泥稳定碎石底基层。其中，上、下基层水泥稳定碎石重型压实度不应小于98%，7 d无侧限抗压强度为5 MPa；底基层水泥稳定碎石重型压实度不应小于96%，7 d无侧限抗压强度为3 MPa。

3 原材料试验

胶凝材料：水泥采用湖南南方P.C.32.5级水泥，密度为3 150 kg/m3，水泥性能指标如表1所示，各项性能指标满足规范要求；矿渣来自湖南娄底涟钢，为白色粉状，比表面积为455 m2/g，密度为2 950 kg/m3。水泥与矿渣化学组分如表2所示。

碱活性激发剂Z-1：该研究中采用的碱活性激发剂Z-1为氢氧化钠、硅酸钠与碳酸钠按一定比例配置而成，碳酸钠和氢氧化钠都为工业级，纯度99%±1%，硅酸钠的化学成分见表3，3种化学产品都由长沙某公司提供。

表1 水泥技术指标

表2 水泥与矿渣化学成分

表3 硅酸钠化学成分

集料：再生集料主要为马桥河路原路面混凝土板和民用建筑拆除后的混凝土经加工处理后所得。天然集料由江西某厂提供。两种集料都包括0～4.75、4.75～9.5、9.5～19和19～31.5 mm共4档。按照JTG E42-2 005《公路工程集料试验规程》相关试验方法，测得集料性能指标如表4所示。从表4可知：再生集料压碎值大于天然集料，即强度低于天然集料，另外除细集料外，再生集料吸水率大于天然集料，但再生集料针片状含量低于天然集料，表明再生集料之间的镶嵌作用要优于天然集料。表5为不同再生集料掺量压碎值。由表5可见，随再生集料掺量增加压碎值逐渐变大。

4 混合料配合比设计

4.1 集料级配合成

该研究将碱激发废旧混凝土应用于路面底基层及基层中，马桥河路为城市主干道，中轻交通流量。因此集料级配主要参考DBCJ 008-2017《建筑固体废弃物在城镇道路中应用技术指南》中表8.3.3.1推荐级配A-1、A-3，如表6所示。另外，根据上述指南，对于城市主干道底基层，再生集料掺量为100%，而对于基层，再生集料掺量为80%。通过对两类集料进行筛分试验，得出各档集料粒径分布情况，进而按照各结构层再生集料掺量情况进行级配合成，级配合成情况如表7、8所示。

表4 再生集料技术指标

表5 不同再生集料掺配比例压碎值

4.2 混合料击实试验

将满足相应再生集料掺量的混合料进行重型击实试验，得出不同掺量再生料条件下混合料最大干密度和最佳含水率。底基层混合料胶凝材料掺量为3%、4%及5%，基层混合料胶凝材料掺量为4%、5%及6%。具体试验方法参照JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》。另外，碱活性激发剂添入方式为按比例掺入水中，但相对于水的掺量，碱活性激发剂掺量较少，因此碱活性激发剂掺入不会影响混合料最大干密度和最佳含水量数值。表9、10为击实试验结果。

4.3 无侧限抗压强度试验

将上述不同组分混合料在最大干密度和最佳含水率条件下进行7 d无侧限抗压强度试验，试验具体方法参照JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》。表11、12为抗压强度结果。

表6 级配粒径范围

表7 底基层、基层各档集料使用比例

表8 底基层、基层各档集料合成级配

表9 底基层混合料击实试验结果

表10 基层混合料击实试验结果

表11 底基层混合料7 d无侧限抗压强度试验结果

表12 基层混合料7 d无侧限抗压强度试验结果

4.4 胶凝材料用量及相关参数的确定

马桥河路路面底基层设计要求为4%水泥掺量，7 d无侧限抗压强度为3 MPa；基层设计要求为5%水泥掺量，7 d无侧限抗压强度为5 MPa。因此，对于底基层混合料，根据试验结果，胶凝材料掺量选取试件强度代表值大于强度标准3.0 MPa，且同时考虑工程经济性与现场施工条件综合确定，胶凝材料最小用量不低于4%。对于基层混合料，根据试验结果，选取胶凝材料掺量试件强度代表值大于强度标准5.0 MPa，且同时考虑工程经济性与现场施工条件综合确定，最小用量不低于5%。

具体目标配合比为：底基层胶凝材料掺量为4%，再生集料掺量100%，Z-1碱活性激发剂为水掺量的1.5%；基层胶凝材料掺量为5%，再生集料掺量80%，Z-1碱活性激发剂为水掺量的1.5%。对于各方案生产配合比确定，根据JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》的要求，视施工现场情况，对试验室确定的配合比进行调整，胶凝材料剂量可增加0.5%，含水量要较最佳含水量增大0.5%～1.0%。

5 混合料路用性能试验

为了验证上述配比条件下混合料的路用性能，下面将进行混合料路用性能指标试验。验证的混合料共4种，即底基层4%碱激发废旧混凝土(Z4)以及对照组4%水泥稳定再生集料(P4)、基层5%碱激发废旧混凝土(Z5)以及对照组5%水泥稳定再生集料(P5)。底基层混合料再生集料掺量为100%，基层为80%。混合料性能测试项目有延时性能试验、7 d劈裂抗拉强度、90 d抗压回弹模量、90 d干缩应变、28 d冲刷质量损失率，其中干缩试验既测量试件收缩变形，同时测量试件失水率，干缩性能试验开始的一周内，每天记录收缩组的千分表读数和失水率组的标准试件质量，在一周后每两天进行一次试验记录，1个月后每隔30 d进行一次试验记录，直至第90 d；冲刷试验采用全自动冲刷仪，冲刷频率为10 Hz，冲刷时间为30 min，取出冲刷后的试件，把筒中浑浊的水与冲刷物小心地倒入金属盆中沉淀，冲刷物沉淀12 h后，将上部清水倒掉，把金属盆放入烘箱中烘干，烘干后称量冲刷物质量。具体试验步骤参照JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的相关规定。

表13为混合料试件延时成型后7 d无侧限抗压强度，表13中试验与表12试验为不同批次试验，由于试验存在波动，部分数据不一致，但不影响同批试件性能对比结果。从表13可得：碱激发废旧混凝土试件在延时成型2 h时强度最大，主要原因是混凝土再生集料孔隙较多，前期会吸入部分碱溶液，在碱的作用下，混凝土再生集料内部活性物质发生水化反应使基体强度增加。成型过早时，试件静压成型过程中，再生集料吸入孔隙的碱有限，上述效果不明显。成型过晚时，胶凝材料已发生部分凝胶反应，降低混合料整体强度。另外还可得出碱激发废旧混凝土强度高于水泥稳定再生集料强度。在延时成型6 h内，水泥稳定再生集料试件7 d无侧限抗压强度随延时时间增加而大幅下降，碱激发废旧混凝土在6 h内延时成型强度下降较小。上述可以说明，碱激发废旧混凝土要比水泥稳定再生集料强度高，且混合料的施工工作性能更好。

表13 延时性能测试结果

表14为混合料综合性能测试结果，应用碱激发技术相较于掺纯水泥的混合料试件劈裂抗拉强度和抗压回弹模量都有明显的提高。从干缩试验测试结果可知，掺加纯水泥混合料试件干缩应变值较大，并且随胶凝材料掺量增加，混合料试件干缩应变值变大。从冲刷试验结果可得，碱激发废旧混凝土试件被水冲刷后质量损失相对较少，这说明使用碱激发胶凝材料对再生集料的黏结作用要大于水泥对再生集料的黏结作用。

表14 综合性能测试结果

6 施工质量控制与效益分析

6.1 施工质量控制

由于水泥稳定碎石是碾压成型，其强度主要来源于集料之间的镶嵌力和混合料化学胶结力，而压实度是混合料强度关键参数。因此在施工过程中主要对混合料的含水率和压实度进行控制。表15为路面压实度检测数据，底基层压实度设计要求为不小于96%，基层为98%。从表15可得：混合料压实度控制较好，全部满足设计要求。从芯样图可知，芯样完整密实，且外表较光滑，说明混合料碾压成型后强度发展较好。

表15 路面底基层与基层压实度检测

6.2 效益分析

该项目在马桥河道路改建工程中开展试验研究与应用，其效益主要包括直接经济效益和间接社会效益。

(1)经济效益。马桥河试验路段长817 m，主线与辅道宽共36 m，底基层与基层设计厚度共0.5 m，共用混合料约3.5万t。原材料成本价格为：废弃混凝土板从工地运输到工厂，然后破碎加工成再生集料，所生产的再生集料成本为50元/t；碎石到场平均最低价格为100元/t；P.C.32.5级水泥的到场价格为500元/t；矿渣到厂价格为380元/t；活性碱激发剂3 000元/t。该项目采用碱激发建筑固废物原材料总成本约为250万元，而如果采用水泥稳定碎石，原材料成本为420万元。因此采用碱激发技术，原材料成本节约40%，具有可观的经济效益。

(2)社会效益。该项目的研究为丰富中国高速公路建设用大宗材料提供了理论支持与借鉴意义，充分实现就地取材、降低工程造价的原则，同时为沥青路面设计与施工提供基础数据与技术基础。利用工程建设过程中产生的固体废物物代替优质的碎石修建高速公路路面结构层，可以大量减少碎石的开采量，从而减少矿山开采过程中带来的山体破坏、森林与植被毁坏、水土流失。大量固体废物的堆放与储存，不仅占据大量的土地，而且产生的环境污染十分严重，这些固废物是城市近郊大宗固体环境污染源之一，其对社会构成的危害主要表现为固废物内的有害物质在雨水作用下对江河地表水系与地下水系的污染。把固废物用于高速公路路面结构层，可最大限度地消耗与掩埋这种大宗固体废弃物，一方面节约土地资源；另一方面保护环境，改善人类赖以生存的自然环境，完全符合中国实现可持续发展、清洁发展的重大战略。

7 结语

该文主要对碱激发废旧混凝土道路基层材料的应用进行了研究，根据碱激发胶凝材料强度、耐久性好等特点，成功地将其与再生集料结合应用于道路基层材料中。试验首先对比了天然集料与再生集料性能，再生集料强度弱于天然集料，吸水率大于天然集料。其次根据相应的规范和设计要求对混合料相应指标进行试验和控制。混合料测试指标有延时成型强度、劈裂强度、抗压回弹模量、干缩性、抗冲刷性能，从混合料路用性能测试结果得出，同等材料掺量条件下，碱激发废旧混凝土道路基层材料各项性能指标优于水泥稳定再生集料。将碱激发废旧混凝土道路基层材料应用于马桥河路改建工程中，实现原材料成本节约40%，并且相关性能指标都达到设计要求，为日后该技术进一步应用于长益(扩容)高速公路打下坚实基础。同时，该项目对推进建筑固废物资源化利用具有深远意义。