一種水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及建筑垃圾再利用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體公開了一種水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法。步驟一，確定路面結(jié)構(gòu)的各結(jié)構(gòu)層材料與厚度；步驟二，根據(jù)各結(jié)構(gòu)層材料與厚度，建立計算模型，根據(jù)計算模型確定水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的7d劈裂強度設(shè)計標準和7d無側(cè)限抗壓強度設(shè)計標準；步驟三，進行基層或底基層的水泥穩(wěn)定再生集料的級配組成設(shè)計，計算確定滿足7d劈裂強度設(shè)計標準和7d無側(cè)限抗壓強度設(shè)計標準的水泥穩(wěn)定再生集料的設(shè)計水泥劑量Copt；如果Copt≤6％，則設(shè)計通過；如果Copt＞6％，則調(diào)整水泥穩(wěn)定再生集料的級配組成設(shè)計，使得Copt≤6％。該方法針對建筑垃圾再生集料的技術(shù)性質(zhì)展開合理設(shè)計，投入成本低且使用操作簡便，使用效果好。
【專利說明】-種水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及建筑垃圾再利用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體公開了一種水泥穩(wěn)定再生集料基層或 底基層的設(shè)計方法。 技術(shù)背景
[0002] 建筑垃圾是指建（構(gòu)）筑物建設(shè)與拆除、路面建設(shè)與翻修、混凝±生產(chǎn)和工程施工 等狀況下產(chǎn)生的固體廢棄物?！滥竟こ探ㄔO(shè)與拆除會產(chǎn)生大量建筑垃圾，我國正處于建設(shè) 高峰期，每年產(chǎn)生的建筑垃圾達6億噸，其中廢棄的水泥混凝±占60% W上。
[0003] 再生集料化ecycled Concrete Aggregate, RCA)是指建筑垃圾中的廢棄水泥混凝 ±經(jīng)分棟、剔筋、破碎、分級后形成的粒徑小于40mm的集料，包括再生粗集料（4. 75mm《粒 徑< 40mm)和再生細集料（粒徑< 4.75mm)。自二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，歐美等發(fā)達國家相 繼開展了建筑垃圾路用的研究，主要用于路面基層、路肩和路基，在少數(shù)情況下用于面層， 美國有超過20個州在公路建設(shè)中采用再生骨料。中國各級政府部口鼓勵建筑垃圾的資源 化利用，全國人大于1995年11月通過了《城市固體垃圾處理》，要求"產(chǎn)生的部口必須交納 垃圾處理費"，但由于各種原因，我國目前仍有巨量的建筑垃圾被直接運往城市郊區(qū)露天堆 放或簡單的填埋，不僅占用了大量的±地，而且會造成嚴重的環(huán)境污染。另一方面，我國大 規(guī)模的公路建設(shè)需要耗用大量石料，路面混合料中90% W上是集料，普遍選用玄武巖、花崗 巖、石灰?guī)r等優(yōu)質(zhì)集料，隨著修筑公路過程中大量使用，高質(zhì)量集料已被消耗殆盡，使得路 面集料供需矛盾日益突出，價格越來越高。因此，利用再生集料替代天然集料進行路面建 設(shè)，不僅能緩解天然集料緊缺的情況，同時也有助于解決建筑垃圾的處理問題，可W起到 一箭雙雕的作用，具有良好的經(jīng)濟效益與社會效益，是目前處理城市化過程中代謝大量建 筑垃圾最為有效的途徑。
[0004] 水泥穩(wěn)定類材料具有強度高、板體性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于我國公路路面基層與 底基層的建設(shè)。傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定類材料由水泥與天然集料（或細?！?按比例混合而成。為 了再生利用建筑垃圾，近年來有研究者采用再生集料部分或全部替代天然集料W配制水泥 穩(wěn)定再生集料，用于修筑路面基層或底基層?，F(xiàn)階段我國尚沒有水泥穩(wěn)定再生集料的設(shè)計 方法，在常規(guī)的使用方法中往往是按照現(xiàn)行《公路漸青路面設(shè)計規(guī)范》JTG D50-2006的設(shè)計 方法進行的，該方法的過程如下：首先選擇水泥、碎石等材料并檢驗其技術(shù)性能，根據(jù)級配 要求確定礦料組成；然后選擇4-5個水泥劑量，進行擊實試驗確定混合料的最大干密度和 最佳含水量；按照所確定的最大干密度和最佳含水量成型試件，標準養(yǎng)生，測試其7d無側(cè) 限抗壓強度，根據(jù)水泥劑量與7d無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線，確定水泥劑量，要求7d無側(cè) 限抗壓強度的代表值不小于《公路漸青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2006)中表6. 1. 5的規(guī)定 值。
[0005] 相比天然集料，再生骨料表面存在微裂縫與空隙，具有更高的表面粗趟度，該就在 一定程度上提高了集料間的摩阻力；其次，再生骨料含有具備一定活性的娃酸鹽，該些活性 物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物中的化(0H)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水硬性產(chǎn)物進而形成附加強度；最 后，再生骨料表面比天然碎石更粗趟、且有很多孔隙，混合料拌和過程中，水泥漿更易滲入 RCA表面及內(nèi)部空隙，進而提高界面強度，W上因素導(dǎo)致水泥穩(wěn)定再生集料與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定 類材料在力學(xué)特性、疲勞特性、剛度特性等方面存在較大差異，如果按照上述方法進行設(shè) 計，會存在W下問題；（1)強度設(shè)計標準不合適，表現(xiàn)為強度設(shè)計標準有時過高，有時過低。 設(shè)計強度過高，不僅會導(dǎo)致水泥劑量偏大，而且會影響混合料的抗裂性與經(jīng)濟性；設(shè)計強度 過低，則會直接影響水泥穩(wěn)定碎石基層的承載力和耐久性。（2)在傳統(tǒng)設(shè)計方法中，水泥穩(wěn) 定碎石的劈裂強度、模量和抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，而混合料設(shè)計的唯一 指標為7d無側(cè)限抗壓強度，因此混合料設(shè)計時無法考慮路面結(jié)構(gòu)對材料性能的要求，結(jié)構(gòu) 與材料設(shè)計相脫節(jié)，使得設(shè)計的混合料并不能有效控制路面結(jié)構(gòu)開裂。
[0006] 套用現(xiàn)有《公路漸青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2006)的設(shè)計方法會導(dǎo)致設(shè)計出的 水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層具有較小的承載力、路面結(jié)構(gòu)與水泥穩(wěn)定再生集料的性質(zhì) 相脫節(jié)，W致路面容易開裂且耐久性不足。因此針對建筑垃圾再生集料本身的技術(shù)性質(zhì)探 索出合理的水泥穩(wěn)定再生集料底基層或底基層的設(shè)計方法是正確使用建筑垃圾再生有效 途徑，有利于建筑垃圾再生集料在公路建設(shè)中的推廣使用，是消納城市建筑垃圾的有效途 徑。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種水泥穩(wěn)定再生集料基層或 底基層的設(shè)計方法。該方法步驟簡單，針對建筑垃圾再生集料的技術(shù)性質(zhì)展開合理設(shè)計，投 入成本低且使用操作簡便，使用效果好，能有效解決現(xiàn)有的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基 層設(shè)計方法不能實現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)與材料一體化控制疲勞開裂的缺陷。
[0008] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案予W實現(xiàn)。
[0009] -種水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0010] 步驟一，按照《公路漸青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2006)的設(shè)計方法，確定路面結(jié) 構(gòu)的各結(jié)構(gòu)層材料與厚度，所述路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層中至少包含有基層或底基層，W基層或 底基層為設(shè)計層，所述基層或底基層的材料為水泥穩(wěn)定再生集料。
[0011] 步驟二，根據(jù)各結(jié)構(gòu)層材料與厚度，建立計算模型，根據(jù)計算模型確定水泥穩(wěn)定再 生集料基層或底基層的7d劈裂強度設(shè)計標準和7d無側(cè)限抗壓強度設(shè)計標準。
[0012] 具體包括W下子步驟。
[0013] 2a)逐次建立計算模型，其序號記為i，并設(shè)水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層鋪筑 且養(yǎng)生至規(guī)定齡期后的路面結(jié)構(gòu)為第一次建立的計算模型1，即i = 1，此后每加鋪一層且 養(yǎng)生至規(guī)定齡期后的路面結(jié)構(gòu)重新建立計算模型i+1 ;根據(jù)路面結(jié)構(gòu)和各結(jié)構(gòu)層的厚度， 依次確定各計算模型的參數(shù)，參數(shù)包括各結(jié)構(gòu)層對應(yīng)的厚度、無側(cè)限抗壓回彈模量、泊松比 和齡期t。
[0014] 其中，無側(cè)限抗壓回彈模量的計算公式為：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，確定路面結(jié)構(gòu)的各結(jié)構(gòu)層材料與厚度，所述路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層中至少包含 有基層或底基層，以基層或底基層為設(shè)計層，所述基層或底基層的材料為水泥穩(wěn)定再生集 料； 步驟二，根據(jù)各結(jié)構(gòu)層材料與厚度，建立計算模型，根據(jù)計算模型確定水泥穩(wěn)定再生集 料基層或底基層的7d劈裂強度設(shè)計標準和7d無側(cè)限抗壓強度設(shè)計標準； 步驟三，進行基層或底基層的水泥穩(wěn)定再生集料的級配組成設(shè)計，計算確定滿足7d劈 裂強度設(shè)計標準和7d無側(cè)限抗壓強度設(shè)計標準的水泥穩(wěn)定再生集料的設(shè)計水泥劑量C_ ; 如果Ctjpt彡6 %，則設(shè)計通過；如果Ctjpt > 6%，則調(diào)整水泥穩(wěn)定再生集料的級配組成設(shè)計， 使得 CtjptS 6%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于， 所述步驟二包括以下子步驟： 2a)逐次建立計算模型，其序號記為i，并設(shè)水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層鋪筑且養(yǎng) 生至規(guī)定齡期后的路面結(jié)構(gòu)為第一次建立的計算模型1，即i = 1，此后每加鋪一層且養(yǎng)生 至規(guī)定齡期后的路面結(jié)構(gòu)重新建立計算模型i+Ι ;根據(jù)路面結(jié)構(gòu)和各結(jié)構(gòu)層的厚度，依次 確定各計算模型的參數(shù)，參數(shù)包括各結(jié)構(gòu)層對應(yīng)的厚度、無側(cè)限抗壓回彈模量、泊松比和齡 期t; 2b)根據(jù)各結(jié)構(gòu)層厚度、施工期所用運料車載重量和運營期的路面軸載，計算確定各計 算模型中水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的荷載作用次數(shù)ni，i為計算模型的序號；采用路 面計算軟件確定各計算模型中水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的層底拉應(yīng)力〇 i，i為計算 模型的序號； 2c)確定計算模型1的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的彎拉強度標準[Rwl]; 2d)確定水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的7d劈裂強度設(shè)計標準[Rs7d]和7d無側(cè)限 抗壓強度設(shè)計標準[Re7d]，其具體子步驟依次為： 根據(jù)計算模型1的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的彎拉強度標準[Rwl]，計算水泥穩(wěn) 定再生集料基層或底基層的7d彎拉強度標準[Rw7d]; 根據(jù)水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的7d彎拉強度標準[Rw7d]，計算確定水泥穩(wěn)定再 生集料基層或底基層的7d劈裂強度設(shè)計標準[Rs7d]; 根據(jù)水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的7d劈裂強度設(shè)計標準[Rs7d]，計算確定水泥穩(wěn) 定再生集料基層或底基層的7d無側(cè)限抗壓強度設(shè)計標準[Re7d]。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于， 所述子步驟2c)包括以下子步驟： 2c_l)設(shè)定計算模型1的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的彎拉強度假定標準為 [Rwl0]； 2c-2)計算計算模型1以外其它計算模型中水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的彎拉強 度標準[Rw，t], t為齡期； 2c_3)利用公式Si = 〇 i/TU，計算計算模型i中的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層 的應(yīng)力水平Si ;其中，〇 i為計算模型i中水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的層底拉應(yīng)力， 單位MPa ; 2c-4)通過應(yīng)力水平Si計算計算模型i中的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的疲勞壽 命Ni ;所述疲勞壽命Ni的計算公式為： IgNi = Hi-IiSi 式中，Ni為疲勞壽命為應(yīng)力水平；m = 11. 644 ;n = 10. 206。 2c_5)利用公式Di = 1^/隊，計算模型中i的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的疲勞損 傷率Di，Ili為計算模型i中水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的的荷載作用次數(shù)； 2c_6)利用公式D= SDi,計算水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的累積損傷D ; 2c-7)判斷累積損傷D是否介于0. 95-1. 0之間，如果介于0. 95-1. 0之間，則接受彎拉 強度假定標準[Rwl°]作為計算模型1的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的彎拉強度標準 [Rwl]，否則，重新調(diào)整彎拉強度假定標準[R wl°]，使得累積損傷D介于0. 95-1. 0之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于， 子步驟2c-7)中所述調(diào)整彎拉強度假定標準[R wl°]，其具體子步驟為： 當累積損傷D<0.95時，采用公式[RwlJ = [Rwl°]-ARW調(diào)整[Rwl°]，并重新計算累積損 傷D，使得D介于0. 95-1. 0之間；Λ Rw為彎拉強度標準調(diào)整幅值，[RwlJ為彎拉強度標準的 調(diào)整值； 當累積損傷D>0.95時，采用公式[RwlJ = [Rwl°] + ARW調(diào)整[Rwl°]，并重新計算累積損 傷D，使得D介于0. 95-1. 0之間；Λ Rw為彎拉強度標準調(diào)整幅值，[RwlJ為彎拉強度標準的 調(diào)整值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于， 步驟三中所述設(shè)計水泥劑量Ctjpt，采用以下子步驟確定： 3a)在水泥劑量2% -8 %范圍內(nèi)選擇4-6個水泥劑量制備試驗集料，進行重型擊實試 驗，再確定水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度和最佳含水量； 3b)根據(jù)最大干密度、最佳含水量和壓實度，成型不同水泥劑量的試件，標準養(yǎng)生后分 別測試水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的7d劈裂強度與7d無側(cè)限抗壓強度； 3c)繪制水泥劑量_7d劈裂強度代表值的關(guān)系曲線和水泥劑量-7d無側(cè)限抗壓強度代 表值的關(guān)系曲線，計算確定滿足7d劈裂強度設(shè)計標準的最小水泥劑量Cs和滿足7d無側(cè)限 抗壓強度設(shè)計標準的最小水泥劑量C。； 3d)取滿足7d劈裂強度設(shè)計標準的最小水泥劑量Cs與滿足7d無側(cè)限抗壓強度設(shè)計標 準的C。中數(shù)值大者作為水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計水泥劑量(；pt。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于， 子步驟2a)中所述無側(cè)限抗壓回彈模量的計算公式為 ：
式中，Ec^t為t齡期的無側(cè)限抗壓回彈模量，單位為MPa ;E。，~為c?齡期的抗壓回彈模 量，單位為 MPa，取 HOOMPa ;ae = 0. 514 ;be = 0. 444 ;t 為齡期，單位為 d。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于， 子步驟2d)所述7d彎拉強度標準的計算公式為 ：
式中，Rw;t為t齡期的彎拉強度，單位為MPa ;RW，mSc?齡期的彎拉強度，單位為MPa，取 0· 895MPa ;aw = 0· 384 ;bw = 0· 633 ;t 為齡期，單位為 d。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于， 子步驟2c-2)中所述彎拉強度標準的計算公式為：
式中，為t齡期的彎拉強度，單位為MPa ;RW，mSc?齡期的彎拉強度，單位為MPa，取 0· 895MPa ;aw = 0· 384 ;bw = 0· 633 ;t 為齡期，單位為 d。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于， 子步驟2d)中所述劈裂強度設(shè)計標準的計算公式為： Rw，t = aA，t 式中，Rs>t為t齡期的劈裂強度，單位為MPa ;as = 1. 402 ;t為齡期,單位為d。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水泥穩(wěn)定再生集料基層或底基層的設(shè)計方法，其特征在于， 子步驟2d)中所述無側(cè)限抗壓強度設(shè)計標準的計算公式為： Rc，t = acRs，t 式中，Rc^t為t齡期的無側(cè)限抗壓強度，MPa ;a。= 9. 284 ;t為齡期，單位為d。
【文檔編號】E01C3/04GK104389253SQ201410625633
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】紀小平, 劉永紅, 侯月琴, 宿秀麗, 劉陵慶 申請人:長安大學(xué)