孟凡威, 楊 濤, 郅 曉, 張 迅, 鄧 嬪, 陳宇亮, 周 震, 肖源杰,5

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 長沙 410015; 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 長沙 410075;3.中國建材集團有限公司, 北京 100036; 4.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司, 廣州 510507;5.重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室(中南大學(xué)), 長沙 410075;6.長沙理工大學(xué)極端環(huán)境綠色長壽道路工程全國重點實驗室(長沙), 長沙 410114)

截至目前,我國建筑固體廢棄物存量已達200余億t,每年還新增約20億t,且逐年遞增[1]。然而我國目前對于建筑固體廢棄物的處理方式仍以填埋為主,資源化再生利用率不足5%,遠低于歐美等發(fā)達國家(已達90%左右)。隨著生態(tài)環(huán)境保護和資源循環(huán)利用等問題日益受到重視,提升我國建筑固體廢棄物資源化再生利用率勢在必行[2]。

近年來,建筑固體廢棄物的生態(tài)化、高值化再生利用主要有兩大途徑:一是破碎成再生骨料,替代天然碎石骨料用于各類實體工程[3-6];二是研磨成細粉,替代膠凝材料用于制備混凝土[7-8]。Zhang等[9]將建筑固體廢棄物再生骨料作為公路路基填料用于實體工程,發(fā)現(xiàn)當建筑固廢再生骨料級配良好且施工質(zhì)量把控嚴格時,固廢路基的變形要小于天然填料路基。Deb等[10]使用建筑固廢再生骨料替代天然碎石骨料制作透水混凝土,研究發(fā)現(xiàn)當再生骨料的質(zhì)量替代率在40%～60%時,混凝土的力學(xué)性能和孔隙特征不受影響。楊利香等[11]研究了膠凝材料凈漿流動度對建筑固廢再生粗骨料裹漿厚度的影響,發(fā)現(xiàn)再生粗骨料裹漿厚度不僅隨膠凝材料流動度的降低而增加,還隨再生粗骨料粒徑的增大而增加。關(guān)博文等[12]基于圖像識別技術(shù)獲取了再生骨料表面殘余砂漿的真實覆蓋率,進而研究了再生骨料表面殘余砂漿覆蓋率對再生混凝土抗?jié)B性能的影響,發(fā)現(xiàn)當殘余砂漿覆蓋率更高時,氯離子更易傳輸?shù)皆偕炷羶?nèi)部。

目前建筑固廢再生骨料的處置主要面向路基填料和再生混凝土等工程應(yīng)用場景,將其用于“海綿城市”建設(shè)所需的透水型水泥穩(wěn)定再生骨料基層仍不多見,相關(guān)的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用研究亟待加強。本文旨在研究建筑拆除固廢再生骨料替代天然碎石用于透水型水泥穩(wěn)定碎石基層材料的可行性,通過室內(nèi)試驗研究再生骨料對再生水穩(wěn)材料抗壓和疲勞性能的影響規(guī)律,可為其工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

本文室內(nèi)試驗采用了南方牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,以及粉煤灰、高爐礦渣和硅灰等3種輔助膠凝材料,其基本的物理化學(xué)指標見表1。因建筑固廢來源較廣,各粒徑范圍內(nèi)的再生骨料還包含多種雜質(zhì)(見圖1),如表2所示。試驗所用的集料包括建筑固廢再生骨料與天然碎石骨料2種,所用細集料主要為天然碎石集料,其基本物理指標見表3。

圖1 不同類型的再生骨料組分

表1 本文試驗所用4種膠凝材料的物理及化學(xué)指標

表2 本文試驗所用建筑拆除固廢再生骨料物質(zhì)成分

表3 本文試驗所用骨料的基本物理指標

此次研究中各工況再生水穩(wěn)材料中的骨料級配均為同一類型,級配曲線如圖2所示。本研究使用的集料級配通過逐級填充法設(shè)計,參考借鑒了其他透水材料級配設(shè)計范圍[13-15],并根據(jù)集料密度、膠凝材料密度和設(shè)計孔隙率確定了試樣制作時的裝料質(zhì)量。

圖2 骨料的級配曲線

1.2 透水再生水穩(wěn)材料配合比

此次研究一共設(shè)計0、30%和60%共3種建筑固廢再生骨料占比的試驗工況,并通過正交設(shè)計方法[16]設(shè)計了9種膠凝材料配比方案,詳細配比如 表4所示。9種配比設(shè)計的透水型建筑固廢再生水穩(wěn)材料均采用同一集料級配,骨料級配曲線如圖2所示。

表4 透水型再生水穩(wěn)材料配合比設(shè)計方案

為確保透水型再生水穩(wěn)材料具有良好的透水性,將其目標孔隙率設(shè)定為22%,水灰比為4.1%,壓實度為98%;膠凝材料的總用量為集料總質(zhì)量的10%,即室內(nèi)圓柱體試樣的膠凝材料總使用量為500 g,室內(nèi)中梁試樣的膠凝材料總使用量為800 g。室內(nèi)圓柱體試樣尺寸為直徑150 mm、高度 150 mm,中梁試樣尺寸為長度400 mm、寬度100 mm、高度100 mm,皆采用靜壓法成型,成型后的試樣如圖3所示。試樣制作完成后放置于恒溫20 ℃和相對濕度98%的標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。

圖3 室內(nèi)試驗成型后的試樣

1.3 室內(nèi)試驗方法

1.3.1 無側(cè)限單軸壓縮試驗

本文分別對養(yǎng)護7 d、28 d和90 d的透水型再生水穩(wěn)材料試樣開展無側(cè)限單軸壓縮試驗,加載速率為1 mm/min,無側(cè)限抗壓強度值為

(1)

式中:Rc為試樣的無側(cè)限抗壓強度,MPa;P為試樣破壞時的最大豎向力,N;A1為試樣的橫截面積,mm2。

1.3.2 滲透試驗

采用自制的常水頭滲透儀(見圖4)并參照文獻[17]中的測試方法,對透水型再生水穩(wěn)材料試樣(養(yǎng)護齡期為28 d)開展?jié)B透試驗。為控制水流只從試樣上下表面滲透,使用發(fā)泡膠填充試樣與模具之間的間隙,使用密封膠泥填充上下模具之間的縫隙,并控制水流速度使排水和溢流水均保持穩(wěn)定,確保在相同時間內(nèi)通過試樣的水流是穩(wěn)定的。其飽和滲透系數(shù)計算式為

圖4 透水系數(shù)測試裝置

(2)

式中:kT為水溫T時試樣的飽和透水系數(shù),mm/s;L為試樣的高度,mm;Q為時間t內(nèi)溢流出的水量,mL;A2為試樣上表面的表面積,mm2;h為上部排水口與下部溢流水口之間的高差,mm;t為水溢流出歷時,s。

1.3.3 四點彎曲試驗

采用MTS-Landmark試驗儀對養(yǎng)護90 d的透水型再生水穩(wěn)材料試樣開展四點彎曲試驗(包括彎拉強度測試和疲勞性能測試),加載速率為1 mm/min,測試其極限彎曲應(yīng)力。每個工況設(shè)置3個平行試樣,試驗前一天預(yù)先對試樣飽水24 h。試驗測試如圖5所示。

圖5 四點彎曲試驗加載裝置

循環(huán)加載下的四點彎曲試驗還可測試透水型再生水穩(wěn)材料試樣的疲勞壽命,加載波形為連續(xù)的Havesine波,加載頻率為10 Hz。循環(huán)加載前需預(yù)壓2 min,預(yù)壓荷載為循環(huán)加載峰值應(yīng)力的0.2。循環(huán)加載峰值應(yīng)力S可根據(jù)四點彎曲極限應(yīng)力計算:

(3)

式中:S為應(yīng)力比;σ為四點彎曲極限應(yīng)力測試值;Smax為循環(huán)加載應(yīng)力峰值。

本文測試了3個應(yīng)力比(S=0.55、0.75和0.85)下透水型再生水穩(wěn)材料試樣的疲勞壽命。

2 室內(nèi)試驗結(jié)果及分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度

上述9種不同的透水型再生水穩(wěn)材料設(shè)計方案下試樣的無側(cè)限抗壓強度結(jié)果如圖6所示。由圖可見,除編號為60%-1和60%-3的2種配合比設(shè)計之外,其余配合比設(shè)計的透水型再生水穩(wěn)試樣的7 d無側(cè)限抗壓強度均大于3.0 MPa,對照相關(guān)規(guī)范[18]中的無側(cè)限抗壓強度限值要求,不難看出本文所設(shè)計的透水型再生水穩(wěn)材料大部分可應(yīng)用于重交通高速公路或一級公路基層。這也說明采用高摻量(例如本文試驗的60%)的建筑固廢再生骨料替代天然碎石集料時,可通過改變膠凝材料配比使得透水型再生水穩(wěn)材料滿足重交通高速公路和一級公路基層的力學(xué)性能使用要求。

圖6 不同配比設(shè)計的透水型再生水穩(wěn)材料無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

圖6數(shù)據(jù)表明透水型再生水穩(wěn)材料28 d無側(cè)限抗壓強度相較于7 d無側(cè)限抗壓強度平均提升15%,90 d側(cè)限抗壓強度相較于28 d無側(cè)限抗壓強度平均提升20%,說明本文采用的多種膠凝材料混合設(shè)計有效提高了透水型再生水穩(wěn)材料后期抗壓性能。

為進一步分析膠凝材料配比與透水型再生水穩(wěn)材料無側(cè)限抗壓強度之間的相關(guān)性,計算了建筑固廢再生骨料摻量、礦渣占比、粉煤灰占比和硅灰占比等4個因素的極差值,據(jù)此評價其影響[19],結(jié)果列于表5。表5中因子1～4代表透水型再生水穩(wěn)材料的4個材料參數(shù),分別為建筑固廢再生骨料、高爐礦渣、粉煤灰和硅灰。表5中K值為一因素同一水平下抗壓強度測試值的和;k值代表在該因素一水平下試樣抗壓強度的特征值,k值等于K值除以3;極差等于3個k值中的最大值減去最小值。極差值越大則表明該因素對測試結(jié)果的影響越大,反之則越小。

表5 無側(cè)限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)的極差分析結(jié)果

可見上述4個因素對7 d無側(cè)限抗壓強度的影響由大到小依次為建筑固廢再生骨料摻量、高爐礦渣、粉煤灰、硅灰,對28 d無側(cè)限抗壓強度影響由大到小依次為建筑固廢再生骨料摻量、硅灰、高爐礦渣、粉煤灰,對90 d無側(cè)限抗壓強度影響由大到小依次為建筑固廢再生骨料摻量、硅灰、高爐礦渣、粉煤灰。不難發(fā)現(xiàn),對透水型再生水穩(wěn)材料前期抗壓強度影響最大的因素是建筑固廢再生骨料,而其后期抗壓強度主要受膠凝材料類型等因素的影響。

隨著養(yǎng)護齡期的增加,上述各因素對透水型再生水穩(wěn)材料無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律不盡相同,且硅灰的影響愈發(fā)重要,這主要是因為硅灰屬納米材料,填充骨料與膠凝材料界面過渡區(qū)的孔隙,可提升透水型再生水穩(wěn)材料的力學(xué)性能[19]。高爐礦渣對透水型再生水穩(wěn)材料前期力學(xué)性能影響很大,但對后期力學(xué)性能的影響則不如硅灰。值得注意的是,k值變化規(guī)律表明粉煤灰對抗壓強度并沒有較好的提升,3個齡期下的抗壓強度最高值均是在粉煤灰0%水平時取得,由此說明粉煤灰的水化活性較差,不適宜添加于透水型再生水穩(wěn)材料中。

上述正交試驗結(jié)果還表明,由7 d和29 d無側(cè)限抗壓強度指標得出的最佳膠凝材料配比為m(水泥)∶m(高爐礦渣)∶m(硅灰)=9.1∶0.5∶0.4,而由90 d無側(cè)限抗壓強度指標得出的最佳膠凝材料配比為m(水泥)∶m(高爐礦渣)∶m(硅灰)=8.6∶1.0∶0.4。

2.2 滲透系數(shù)

上述9種不同配比的透水型再生水穩(wěn)材料試樣的滲透系數(shù)測試結(jié)果見表6,可見其有效孔隙率和滲透系數(shù)分別介于20%～25%和3.5～5.5 mm/s,即滲透性均滿足相關(guān)規(guī)范[20]所要求的0.5 mm/s,表明本文所設(shè)計的透水型再生水穩(wěn)碎石材料配比具有良好的透水性能。

表6 不同配合比的透水型再生水穩(wěn)材料有效孔隙率和滲透系數(shù)實測值

2.3 四點彎曲加載極限應(yīng)力

表7為上述9種不同配比的透水型再生水穩(wěn)材料試樣的四點彎曲極限應(yīng)力實測結(jié)果,通過計算極限應(yīng)力均值并乘以疲勞應(yīng)力比(S=0.55、0.75或0.85),可得到四點彎曲疲勞壽命試驗的加載應(yīng)力峰值,結(jié)果見表7。

表7 不同配比的透水型再生水穩(wěn)材料試樣彎拉強度和疲勞應(yīng)力計算值

2.4 四點彎曲循環(huán)加載疲勞壽命

表8為上述9種不同配合比的透水型再生水穩(wěn)材料疲勞壽命實測值,可見試樣在四點彎曲應(yīng)力循環(huán)加載作用下的疲勞壽命差異較大。此外,因其組分復(fù)雜多樣及不均勻性和變異性大,同一配合比設(shè)計下的平行試樣在相同應(yīng)力水平下的疲勞壽命離散性也較大。因此,對透水型再生水穩(wěn)試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)作對數(shù)化處理后再加以分析。鑒于透水型再生水穩(wěn)試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)離散性較大,故分別采用正態(tài)分布模型和威布爾分布模型描述疲勞壽命分布,且雙參數(shù)威布爾分布適合描述水泥類材料的疲勞壽命區(qū)間[21]:

ln[ln(1/P)]=blnN-blnNa

(4)

式中:N為試樣疲勞壽命實測值;Na為特征疲勞壽命參數(shù)值;P為計算獲得的試樣存活概率;b為方程的斜率。

令y=ln[ln(1/P)],x=lnN,a=blnNa,則式(4)可簡化為

y=bx-a

(5)

對相同配合比的透水型再生水穩(wěn)試樣在相同應(yīng)力水平下測得的疲勞壽命數(shù)據(jù)按升序排列,每組疲勞壽命數(shù)據(jù)的樣本數(shù)用m表示,順序用i表示(i=1,2, 3,…,m),則存活率P計算式為

(6)

各組透水型再生水穩(wěn)試樣在不同疲勞應(yīng)力水平下的ln[ln(1/P)]-lnN的擬合曲線見圖7。由圖可見,透水型再生水穩(wěn)材料的疲勞壽命實測值具有較強的離散性,主要是因為其內(nèi)部組分和孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,試樣在循環(huán)荷載作用下易產(chǎn)生疲勞破壞。根據(jù)應(yīng)力比S和疲勞壽命N計算相應(yīng)的lnN、存活率P以及l(fā)n[ln(1/P)]等相應(yīng)參數(shù)值,結(jié)果匯總于表8。

圖7 不同配比的透水型再生水穩(wěn)試樣ln[ln(1/P)]-ln N擬合曲線

為將上述透水型再生水穩(wěn)材料的疲勞壽命試驗結(jié)果更好地推廣應(yīng)用于工程實踐,本文還相應(yīng)地構(gòu)建了不同失效概率下的失效概率-應(yīng)力比-疲勞壽命(P-S-N)方程,其中基于威布爾分布的失效概率方程為

(7)

(8)

根據(jù)式(7)(8),可計算不同失效概率下透水型再生水穩(wěn)材料在不同存活概率下的等效疲勞壽命,如圖8所示。然后,采用對數(shù)疲勞方程對不同應(yīng)力比下的等效疲勞壽命進行線性回歸,可得到相應(yīng)含失效概率下的P-S-N方程,結(jié)果見圖8。由圖8可見,計算所得疲勞壽命預(yù)估方程的擬合優(yōu)度指標R2大多都大于0.9,說明本文得到的透水型再生水穩(wěn)材料疲勞壽命預(yù)估方程擬合效果較好。

圖8 不同配比的透水再生水穩(wěn)試樣在不同失效概率下的S-N擬合曲線及疲勞壽命預(yù)估方程

為驗證所提預(yù)估方程的準確性,本文將預(yù)估方程與不同配比的透水再生水穩(wěn)試樣疲勞壽命數(shù)據(jù)進行比較,結(jié)果見圖9。圖9中上下邊界由圖8中預(yù)估方程擬合曲線選出,其中下邊界為30%-3工況失效概率0.1條件下的預(yù)估方程,上邊界為60%-2工況失效概率0.9條件下的預(yù)估方程。由圖9可見,大多疲勞壽命數(shù)據(jù)位于上下邊界的填充區(qū)域,由此證明基于威布爾雙參數(shù)分布理論和P-S-N方程推導(dǎo)出的預(yù)估方程可較好地預(yù)測透水再生水穩(wěn)試樣在四點彎曲應(yīng)力循環(huán)加載作用下的疲勞壽命。

圖9 所提預(yù)估方程與疲勞壽命數(shù)據(jù)的比較

值得注意的是,不在填充區(qū)域里的疲勞壽命數(shù)據(jù)點主要是超出了上邊界預(yù)估方程。因此,本文提出的預(yù)估方程對疲勞壽命的預(yù)測結(jié)果偏向于保守,對疲勞性能較好的透水型再生水穩(wěn)材料疲勞壽命則預(yù)測不夠精確。造成該結(jié)果的原因是在推導(dǎo)預(yù)估方程的時候沒有考慮透水型再生水穩(wěn)材料中各工況骨料類型的差別,后續(xù)研究需要將骨料類型進行定量分析,并將該參數(shù)引入預(yù)估方程從而提高其預(yù)測精度。

3 討論

由本文室內(nèi)試驗得到的無側(cè)限抗壓強度和滲透系數(shù)測試結(jié)果可知,所設(shè)計的9種不同配合比的透水型再生水穩(wěn)材料可滿足大部分高等級公路基層使用要求。因采用建筑拆除固廢再生骨料替代天然碎石,透水型再生水穩(wěn)材料具有顯著的生態(tài)環(huán)保優(yōu)勢,可作為道路透水基層在“海綿城市”建設(shè)中大力推廣應(yīng)用。值得注意的是,因透水型再生水穩(wěn)材料具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和多樣化的再生骨料組分,導(dǎo)致其強度、滲透性和疲勞壽命等均具有很大的離散性,后續(xù)還需開展更多的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試深入量化研究其水-力性能的時變特征。本文僅從宏觀層面初步研究了不同配合比設(shè)計對透水型再生水穩(wěn)材料強度、滲透性和疲勞壽命等力學(xué)性能指標的影響,后續(xù)還急需從三維孔隙結(jié)構(gòu)和骨料空間分布等細觀層面進一步研究其水-力性能的影響因素和內(nèi)在機制。

本文提出的疲勞壽命預(yù)估方程對透水型再生水穩(wěn)材料在低失效概率下的預(yù)測效果較優(yōu),對于高失效概率下的疲勞壽命的預(yù)測效果則偏于保守。因此,后續(xù)研究應(yīng)針對透水型再生水穩(wěn)材料在高失效概率下的疲勞壽命進行深入分析,并重點探究造成透水型再生水穩(wěn)材料在疲勞應(yīng)力作用下產(chǎn)生突發(fā)性脆斷的原因以及影響因素。

4 結(jié)論

1) 本文所設(shè)計的9種不同配合比下的透水型再生水穩(wěn)材料7 d無側(cè)限抗壓強度大于3 MPa,滲透系數(shù)大于3.0 mm/s,可以很好地滿足我國高等級公路及透水型公路基層的使用要求。

2) 根據(jù)膠凝材料配合比正交設(shè)計試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)對透水型再生水穩(wěn)材料前期抗壓強度影響最大的因素是建筑固廢再生骨料,而其后期抗壓強度主要受膠凝材料配比等因素的影響,綜合分析得到較優(yōu)的配比方案為m(高爐礦渣)∶m(粉煤灰)∶m(硅灰)=0.5∶0∶0.4/1∶0∶0.4。

3) 雙參數(shù)威布爾分布可較好地表征透水型再生水穩(wěn)材料在四點彎曲疲勞應(yīng)力作用下的疲勞壽命特征,以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的疲勞壽命預(yù)估方程也可較好地預(yù)測透水型再生水穩(wěn)材料在不同失效概率下的疲勞壽命。

4)基于雙參數(shù)威布爾分布理論和P-S-N方程推導(dǎo)的疲勞壽命預(yù)估方程對透水型再生水穩(wěn)材料在四點彎曲應(yīng)力循環(huán)加載下的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果偏保守,主要原因是材料骨料類型差異導(dǎo)致試樣疲勞壽命測試值較離散,造成基于該數(shù)據(jù)推導(dǎo)的疲勞壽命預(yù)估方程預(yù)測精度降低。