高速公路二灰碎石废料的再利用研究secretWord格式文档下载.docx
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采用某高速公路路面基层废料即无机结合料。
某高速公路于1998年建成通车,原路面基层为二灰碎石结构层。
2005年全线大修,。
②碎石:
多种规格石灰岩碎石,产地:
济南。
③石屑:
规格:
0-5mm产地:
④水泥:
P.032.5东岳牌产地:
1.3设计目的
通过此设计检验研究高速公路翻修时产生的二灰无机废料是否可在利用,如果再利用能否满足公路工程的技术规范。
如可以再利用与公路工程建设,适用于那一级的公路建设,并设计出施工方案,制定施工质量评定标准。
1.4设计思路
(1)检验两种废料的基本性质,看其是否满足规范的要求,如压碎值,颗粒级配组成等。
因为二灰废料的颗粒级配原本是满足规范要求的,看是否可以直接再利用于公路建设。
(2)如果二灰废料的级配不能满足规范要求,进行必要的级配调整,确定掺加何种集料来得到合理的颗粒级配。
(3)通过击实试验来确定各种废料级配在不同水泥用量的情况下的最佳含水量和最大干密度,以便为下一步的力学指标研究作基础。
(4)进行各种废料的力学指标研究,确定最佳的水泥用量。
比对试验结果,以确定那种废料的工作性能更优越,以便确定合理的废料回收方案。
(5)制定合理的施工工艺和确定部分工艺参数,工程应用和环境评估。
1.5设计的创新点
该项目的创新点是经济、合理解决高速公路无机结合料废料再利用,节省公路建设投资,减少废料造成的环境污染。
1.6预期效益分析及前景
高速公路基层无机结合料废料再利用技术,对现有已损坏的路面进行加强,并达到节约资源和保护生态环境的目的。
高速公路大修,大量路面废料的堆放将使资源的有效利用、废料存放的场地及环保问题越来越突出,路面废料的再生利用将不单单是技术问题,而是社会问题。
2二灰碎石废料的生产
2.1二灰废料掺加外加剂水泥后强度形成的原理
二灰碎石强度形成原理主要是在一定的温度与湿度环境下,石灰、粉煤灰、水泥、碎石等骨料间的相互作用,发生离子交换、团粒化作用、硬凝反应及碳酸化作用,经过一系列复杂的物理与化学反应后生成新的高强硬度的化合物(主要是碳酸类与硅酸类盐)。
二灰废料经破碎后的主要成份也是碳酸类和硅酸类盐,加入水泥后,水泥与水分发生强烈的水解和水化反应,同时分解出Ca(OH)2并形成其它水化物。
水泥的各种水化物生成后,有的则与废料中少量游离分解出来的Ca2+、CO32-、SiO32-、(OH)-等离子发生,形成“晶边—晶边面结合”的蜂窝状结构,把矿物颗粒包络于蜂窝状结构里;
大部分自行继续硬化形成水泥石骨架,水泥石进而把骨料包裹和连接成坚强的整体。
二灰废料掺加外加剂水泥后强度会达到一定的强度。
所以此次二灰碎石废料采用水泥进行稳定。
2.2二灰碎石废料的挖除、运输、加工
2.2.1二灰废料的挖除、运输
在高速公路改建过程中结合实际情况,先用机械将高速公路的沥青砼面层破碎掉。
对基层二灰碎石有两种破碎方式:
一种是用油锤破碎机按照间距1m采用梅花布点嵌挤方式打眼,如图2-1和图2-2示。
另一种是用铣刨机直接铣刨得到,如图2-3示。
图2-1油锤破碎机图2-2旧结构层破碎示意图
图2-3铣刨
为防止在堆放和生产过程中二灰废料发生结块,采取了以下措施:
a.在立冲击过程中适当加水;
b.铣刨料堆高控制在2m以内。
2.2.2二灰废料的加工
经破碎挖除的二灰废料是块状结构,每块大约有0.1m3-0.2m3。
由于块较大,不符合路用条件,因此必须对这些废料进行再加工。
为了达到要求,施工单位专门购置了颚式破碎机,如图2-4
图2-4颚式破碎机
将废料破碎加工成10mm-31.5mm粒径大小的混合料,为了进一步利用老路废料,对31.5mm以上大颗粒部分进行再次破碎。
而铣刨得到的废料就不存在此问题。
3二灰碎石废料的性质及水泥的检测
3.1二灰废料压碎值
3.1.1试验目的
用于测定粗集料抵抗压碎的能力,以衡量粗集料的力学性质,评定在工程中的应性。
3.1.2试验步骤
用13.2mm和9.5mm标准筛过筛,取9.5mm~13.2mm的试样三组各3kg,供试验用。
试样宜采用风干石料。
将试筒安放在底板上,将上面所得试样分三次(每次数量相同)倒入试筒中,每次均将试样表面整平,并用金属棒夯击25次,最上层表面应仔细整平。
压柱放人试筒内石料面上,注意使压柱摆平,勿楔挤筒壁。
将装有试样的试筒连同压柱放到压力机上,均匀地施加荷载,在10min时达到总荷载400kN。
稳压五秒,然后卸荷。
将试筒从压力机上取下。
取出试样。
用2.36mm筛过筛。
称取通过2.36mm筛孔的全部细料质量(m1),准确至1g。
3.1.3数据处理
石料压碎值按下公式计算,准确至0.1%。
式中:
——石料压碎值,%;
——试验前试样质量,g;
——试验后通过2.36mm筛孔的细料质量,g。
以两次平行试验结果的算术平均值作为压碎值的测定值。
试验结果见表3-1:
试验结果表明,破碎废料与铣刨得到的废料的压碎值相差不多,但破碎废料9.5~13.2mm的压碎值要高一些。
一般石灰岩碎石的压碎值为24%左右,说明废料的坚固性和碎石的坚固性差别不大。
不论是破碎还是铣刨得到的二灰碎石废料的压碎值均满足《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中水泥稳定类所有等级公路压碎值的技术指标要求。
表3-1压碎值试验结果
集料类别
粒径
范围
(mm)
试验条件
压碎值(%)
平均值
规范要求的压碎值(%)[
高速公路和一级公路
二级和二级以下公路
基层
底基层
破碎
9.5~13.2
加荷时为
10min,
加荷荷为
400KN
26.6
28.0
≤30
≤35
≤40
28.7
4.75~37.5
25.4
26.2
27.1
26.1
铣刨
9.5~13.2
27.2
27.5
备注:
规范要求的压碎值采用《公路路面基层施工技术规范》中水泥稳定类碎石的技术要求
3.2二灰废料的颗粒级配
水泥稳定集料颗粒的最大粒径必须有限制。
粒径愈大,施工难度越大,拌和机、平地机和摊铺机等施工机械愈容易损坏,混合料愈容易产生粗细集料离析现象,铺筑层的平整度也愈难达到高的要求。
因此,不少国家常采用集料的最大粒径为19~20mm。
但是,最大粒径愈小,石料的加工量愈大,根据我国目前的机械水平,对一般公路路面所用集料的最大粒径规定得较宽。
实际工作中,应创造条件采用最大粒径较小的集料。
粗集料应符合规范要求,当大石料较多时,在拌和、运输、摊铺过程中易产生大小料分离现象,碾压成型后易形成“粗集料窝”,对品质不利。
因此,在施工过程中,粗集料的最大粒径应控制在31.5mm之内。
故此次所采用废料进行试验时,均过31.5的集料筛,避免大颗粒的出现。
3.2.1筛分试验步骤
用水筛法测定粗集料各个粒级质量百分率
称取质量为m0的试样烘干,用搪瓷盘做筛分,直至确定1min内通过筛孔的质量确实小于筛上残余量的1%。
称取每个筛上的筛余量,准确至总质量的0.1%。
各筛分计筛余量及筛底存量的总和与筛分前试样的中质量m0相比,其相差不超过0.5%。
3.2.2破碎得废料结果处理
表3-2破碎集料筛分试验结果
筛孔尺寸
分计筛余质量
(g)
分计筛余百分率(%)
累计筛余百分率(%)
通过百分率
(%)
31.5
522
7.5
92.5
26.5
668
9.5
17
83
19.0
840
12
29
71
16.0
658
9.4
39.4
61.6
13.2
696
9.9
48.3
51.7
1166
16.6
64.9
35.1
4.75
1440
20.6
85.5
14.5
2.36
480
6.9
92.4
7.6
1.18
154
2.2
94.6
5.4
0.6
100
1.4
96
4
0.3
62
0.9
96.9
3.1
0.15
54
0.8
97.7
2.3
0.075
98.6
筛底
80
根据无机结合料废料筛分试验结果,结合公路路面基层施工技术规范规定的水泥稳定类(高速公路和一级公路、二级及二级以下公路的基层和底基层)级配范围,绘制无
机结合料废料颗粒级配和规定级配范围关系图,见图3-1、图3-2、图2-3、图2-4
表3-3二级及二级以下公路基层级配范围和无机结合料废料颗粒级配关系
筛孔尺(mm)
通过率(%)
19
37.5
上限
30
47
57
70
84
下限
8
14
20
28
39
66
90
废料
由图可以得出,9.5mm筛孔以下的通过百分率超出下限范围,即筛上部分过多,集料偏粗,不适宜直接用于二级及以下公路的基层。
图3-1二级及二级以下公路基层级配范围和无机结合料废料颗粒级配图
表3-4二级及二级以下公路底基层级配范围和无机结合料废料颗粒级配关系
筛孔尺寸(mm)
53
50
图3-2二级及二级以下公路底基层级配范围和无机结合料废料颗粒级配图
由上图可以得出,所有筛孔的通过百分率均超出下限范围,即筛上部分过多,集料偏粗,不适宜直接用于二级及以下公路的底基层。
表3-5高速及一级公路基层级配范围和无机结合料废料颗粒级配关系
7
22
35
49
67
89
72
图3-3高速及一级公路基层级配范围和无机结合料废料颗粒级配图
由上图可以得出,所有筛孔的通过百分率均超出下限范围,即筛上部分过多,集料偏粗,也不适宜直接用于高速及一级公路的基层。
表3-6高速及一级公路底基层级配范围和无机结合料废料颗粒级配关系
筛孔尺寸mm
通过率%
38
68
18
45
图3-4高速及一级公路底基层级配范围和无机结合料废料颗粒级配图
由上图可以得出,19mm筛孔以下的通过百分率均超出下限范围,即筛上部分过多,集料偏粗,不适宜直接用于高速及一级公路的基层。
通过验证,破碎得二灰碎石废料因加工工艺等原因,集料偏粗,无法直接用于各等级路面的各层。
我们通过添加细集料(石屑)的方法来合成满足基层所需的级配范围。
3.2.3铣刨得集料结果处理
表3-7铣刨得集料筛分试验结果
筛孔尺寸(mm)
40
0.7
0.67
99.3
64
1.1
1.74
98.2
418
7.0
8.76
91.2
284
4.8
13.53
86.4
504
8.5
21.99
77.9
906
15.2
37.2
62.7
1706
28.6
65.83
34.1
996
16.7
82.55
17.4
424
7.1
89.67
10.3
270
4.5
94.2
5.8
168
2.8
97.02
3.0
97.93
2.1
46
98.7
1.3
78
根据二灰碎石废料筛分试验结果和公路路面基层施工技术规范规定的水泥稳定类(高速公路和一级公路、二级及二级以下公路的基层和底基层)级配范围,绘制铣刨二灰碎石废料颗粒级配和规定级配范围关系图,见图3-5、图3-6、图3-7、图3-8,
表3-8二级及二级以下公路基层级配范围和铣刨料废料颗粒级配关系表
图3-5二级及二级以下公路基层级配范围和铣刨料废料颗粒级配图
从图中可知,铣刨二灰碎石废料的颗粒级配符合水泥稳定类二级及二级以下公路基层规定级配要求。
表3-9二级及二级以下公路底基层级配范围和铣刨料废料颗粒级配关系
图3-6二级及二级以下公路底基层级配范围和铣刨料废料颗粒级配图
从图3-6中可知,铣刨二灰碎石废料的颗粒级配不符合水泥稳定类二级及二级以下公路底基层规定级配要求。
表3-10高速及一级公路基层级配范围和铣刨料废料颗粒级配关系
表3-7高速及一级公路基层级配范围和铣刨料废料颗粒级配图
从图中可知,铣刨二灰碎石废料的颗粒级配基本符合水泥稳定类高速及一级公路基层规定级配要求。
但应做相应的调整。
表3-11高速及一级公路底基层级配范围和铣刨料废料颗粒级配关系
图3-8高速及一级公路底基层级配范围和铣刨料废料颗粒级配图
从图3-8中可知,铣刨二灰碎石废料的颗粒级配基本符合水泥稳定类高速及一级公路底基层规定级配要求。
但也应做相应的调整
有以上图表可以看出,铣刨得到的无机结合废料级配要比破碎得到的无机结合废料的级配好一些。
铣刨得到的废料不再添加其它集料直接用水泥进行稳定的情况下,比较适合用于二级及二级以下基层级配范围,适当添加粗集料和细集料改善其级配范围满足规范要求。
3.3密度及吸水率
3.3.1密度
根据二灰碎石废料的颗粒级配的实际情况,对其过4.75mm的方孔筛,4.75mm筛上部分占77%,采用吊篮法测定密度。
4.75mm筛下部分占23%,采用容量瓶法测定密度。
(1)试验目的:
测定粗集料的密度及吸水率用以评定集料的工程性质,粗集料的密度亦为水泥混凝土及沥青混合料的组成设计提供必要的技术数据,同时也是计算粗集料空隙率的重要依据。
(2)试验仪器:
浸水天平、吊篮、标准筛、天平、容量瓶、烧杯
(3)试验方法:
①网篮法测密度:
取一份集料试样,洗去表面的尘土和石粉。
注入水浸泡24h。
天平调零,将试样移入吊篮,称取集料的水中质量(mw)。
提起吊篮,用湿毛巾擦干集料表面的自由水,称取集料的表干密度(mf)。
将集料烘干,称取集料的烘干质量(ma)。
②容量瓶法测密度:
适用于测定细集料(天然砂、人工砂、石屑等)的表观密度。
称取烘干的试样约300g(m0),装入盛有半瓶蒸馏水的容量瓶中。
充分搅动以排除气泡,静置24h左右,用滴管添水至瓶颈刻度线,擦干瓶外水分,称其总质量(m1)。
倒出瓶中的水和试样,向瓶内注入与上水温相差不超过2℃的蒸馏水至瓶颈刻度线,擦干瓶外水分,称其总质量(m2)。
(4)结果处理:
粗集料的表观密度、表干密度、毛体积密度
粗集料的表观密度、表干密度、毛体积密度分别按下式计算,准确至小数点后3位,单位:
g/cm3。
表观密度:
表干密度:
毛体积密度:
--粗集料试样的烘干质量,g;
--粗集料试样的水中质量,g;
--粗集料试样的表干质量,g;
--试验温度T时水的密度(不同温度水的密度及修正系数表)
试验结果见表3-12
表3-12密度试验结果
集料种类
试验方法
4.75mm筛上部分表观密度(g/cm3)
4.75mm筛下部分表观密度(g/cm3)
试验结果
(g/cm3)
网篮法
2.663
2.632
容量瓶法
2.530
2.455
2.404
2.325
3.3.2粗集料的吸水率
粗集料的吸水率(wx)以烘干试样为基准,按下式计算,精确至0.01%。
铣刨:
wx=(2071.3-2000.4)×
100/2000.4=3.54%
破碎:
wx=(2201.7-2121.0)×
100/2121.0=0.038%
3.4水泥的检测
普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥都可用于稳定土,但应选用初凝时间3h以上和终凝时间较长(宜在6h以上)的水泥。
不应使用快硬水泥、早强水泥以及已受潮变质的水泥。
宜采用标号32.5或42.5的水泥。
3.4.1水泥细度
(1)试验目的
本方法规定采用80μm筛检验水泥细度,以评价水泥的物理性能。
负压筛析仪、天平
按取样要求进行样品处理,筛析试验前,调节负压至4000~
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