CN105421182B - 一种建筑垃圾用于沥青混合料配比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种建筑垃圾用于沥青混合料配比设计方法。运用该方法设计的建筑垃圾沥青混合料适用于公路以及城市道路沥青面层。实现对建筑垃圾的再生利用，减少城市、乡村固体废弃物的污染。采用，三阶段设计方法进行建筑垃圾沥青混合料配合比设计。首先采用替代法进行混合料级配设计。然后，采用新的设计方法用于沥青混合料最佳沥青用量的确定。细分为三步，(1)采用谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验确定不同级配方案最佳沥青用量可行域；(2)按照沥青用量可行域两端界限值和中间值三种沥青用量成型沥青混合料；(3)判断沥青混合料是否满足基本性能要求。最后，在最佳沥青用量的条件下成型沥青混合料，并进行路用性能检验。

Description

一种建筑垃圾用于沥青混合料配比设计方法

技术领域

本发明为一种将建筑垃圾应用于沥青混合料的配合比设计方法，运用该方法可以确定建筑垃圾细集料在沥青混合料中的掺配比例，运用新的方法确定最佳沥青用量，并使沥青混合料的综合路用性能不低于天然石料的沥青混合料，并使得通过该方法设计的建筑垃圾沥青混合料满足公路和城市道路沥青路面的技术要求，能够应用于沥青路面结构中。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，资源保护意识不断增强，国家、各省市对资源节约和环境保护越来越重视，各地相继出台了对矿山的限采和保护举措。

我国的城镇化建设正在稳步推进，土木工程建设与拆除会产生大量建筑垃圾。如能将其资源化，合理、有效地利用，将是巨大的资源。为此，建筑垃圾的再生利用具有积极环保意义和社会价值。

公路和城市道路建设需要耗用大量天然石料。用建筑垃圾替代部分天然石料是解决资源危机的一种选择。

过去的专利技术，研究资料多将建筑垃圾材料用于路基材料和路面结构的基层材料。将建筑垃圾用于沥青路面材料，其难度要大于用于填筑路基和基层材料。原因在于沥青混合料对集料的要求更高、更严。

建筑垃圾材料的物理力学性质一般劣于天然石料。建筑垃圾集料表面更加粗糙、比表面积大、吸水率大、密度小，建筑垃圾石料抗压碎性差。沥青混合料的沥青用量大，高温抗车辙性能显著降低。国内外文献研究建筑垃圾沥青混合料主要集中于建筑垃圾粗集料的使用。即，将建筑垃圾碎石用于沥青混合料的骨料。认为建筑垃圾细集料是建筑垃圾资源化过程中产生的边角料，几乎没有用于沥青混合料的情况。研究认为，将建筑垃圾细集料用于沥青混合料的使用效果较建筑垃圾粗集料更差，因此不主张将建筑垃圾细集料用于沥青混合料中。没有检索到国内外建筑垃圾细集料用于沥青混合料的专利、文献和使用实例。

专利申请公布号：CN 104358201 A，申请公开日为2015年2月18日，“一种沥青稳定再生集料层的设计方法”，未能给出专门的设计方法。并且该发明讨论的对象主要是沥青稳定碎石，不具代表性。

建筑垃圾沥青混合料的性能较采用天然石料的沥青混合料差。主要是因为采用传统马歇尔设计方法进行建筑垃圾沥青混合料设计时，没有对建筑垃圾特性给予充分的考虑。并且建筑垃圾是非标准化商品，每一批次的建筑垃圾的性质都有差别。这就需要在设计方法中针对建筑垃圾集料的掺配比例进行专门考虑；

此外，建筑垃圾沥青混合料的路用性能受沥青用量的影响，较普通沥青混合料更为敏感，并且其最佳沥青用量范围也超越了规范建议值，以及人们的经验。为此，最佳沥青用量的确定方法应进行调整。

为此，本发明提供一种建筑垃圾细集料用于沥青混合料的设计方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种设计方法，将建筑垃圾细集料用于沥青混合料中。使得通过该方法设计的建筑垃圾沥青混合料不仅满足设计要求和规范标准要求，而且在综合路用性能上不低于采用全天然石料的沥青混合料。

为此，本发明给出的具体方案为：

一种建筑垃圾用于沥青混合料配比设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1、建筑垃圾料源的限制

建筑垃圾原材料涉及范围较广，主要有水泥混凝土块，砖块，此外还包括陶瓷、玻璃等无机材料。用于沥青混合料的建筑垃圾材料应为水泥混凝土块。水泥混凝土破碎而产生的细集料，粒径0-3mm混凝土，即水泥砂浆。

2、沥青混合料级配设计

沥青混合料细集料全部使用建筑垃圾细集料，可能会对沥青混合料性能产生较大不利影响，并且其经济性也较差。但是使用一定比例的建筑垃圾材料，一些性能可能会得到提高。这里存在一个最优掺配比率。建筑垃圾材料的变异性较大，对于每一批次的建筑垃圾材料，对于每一种沥青混合料，其掺配比都有可能不同。为此，需要将建筑垃圾的掺配比例作为一个设计变量专门考虑。

建筑垃圾细集料的掺配采用替代天然石料的思想进行设计。

(1)首先根据设计文件或工程要求确定沥青混合料配合比设计的目标级配。以所定级配中值为级配设计目标值；

(2)确定3种建筑垃圾细集料掺配比例方案。一般选取高比例、中比例、

低比例的掺配方案。其中高比例掺配方案，即为建筑垃圾全部替代天然细集料的方案；低比例的掺配方案可以采用全天然石料的级配方案，即建筑垃圾细集料掺配比例为0。

5、改进的马歇尔方法确定最佳沥青用量

(1)根据设计要求或规范要求选择沥青混合料采用的沥青，比如基质沥青、改性沥青等；

(2)提出两阶段确定最佳沥青用量的方法

由于建筑垃圾细集料吸水率大、比表面积大，吸附沥青多。沥青混合料的性能对沥青用量的多少较为敏感。当沥青用量较多时，高温环境条件下沥青路面可能产生泛油、车辙等病害，在沥青用量不足时，沥青路面易产生水损坏和松散剥落等病害。为此，需要改进传统马歇尔方法的设计方法。

第一阶段：确定沥青用量可行域

一般沥青混合料最佳沥青用量，规范会给出推荐沥青用量范围。建筑垃圾集料吸附的沥青多，沥青用量范围多数情况超过规范给定的用量范围，以及人们的经验范围。为此，首先应当确定建筑垃圾沥青混合料的可能的沥青用量范围，称作沥青用量可行域。

通过谢伦堡析漏试验确定沥青用量的上限，OCA_max；通过肯塔堡飞散试验确定沥青混合料的沥青用量下限，OCA_min。根据大量试验研究，这样确定的上下限范围较窄，极差为1％。确定标准要求如下：

第二阶段：确定最佳沥青用量

(1)成型试件

传统的马歇尔方法确定最佳沥青用量。一般在规范推荐的沥青用量范围内确定3个等分点，成型5种沥青用量的马歇尔试件。建筑垃圾沥青混合料最佳沥青用量确定采用3种沥青用量成型马歇尔试件。即，OCA_max、OCA_min和OCA_mid。

其中，OCA_mid＝(OCA_max+OCA_min)/2。

测试成型试件的密度、空隙率、沥青饱和度，以及马歇尔稳定度和流值。

(2)确定最佳沥青用量

如果上述验证符合规范或设计要求，则：

最佳沥青用量OCA＝OCA_mid；

(3)调整最佳沥青用量

如果OCA_mid条件下的沥青混合料有指标不满足要求，需要对比OCA_max、OCA_min条件下的沥青混合料试件的上述参数，如某一端点的满足要求，那么：

最佳沥青用量OCA＝(OCA_max/min+OCA_mid)/2

并对OCA条件下成型的沥青混合料进行验证，直至满足要求。

4、沥青混合料性能检验

在最优沥青含量条件下，进行建筑垃圾沥青混合料性能的检验，评价建筑垃圾沥青混合料的路用性能，并选择建筑垃圾细集料最优掺配比例。

(1)水稳定性：通过浸水马歇尔、冻融劈裂试验验证；

(2)高温稳定性：通过车辙试验进行验证；

(3)低温开裂性能：通过低温小梁弯曲试验验证；

(6)选择比较三种替代级配方案，选择性能最优的方案为最终的配比；

(8)完成以上步骤的配合比设计，即确定了建筑垃圾沥青混合料的级配和建筑垃圾掺配率、确定了建筑垃圾沥青混合料的最佳沥青用量，明确了建筑垃圾沥青混合料达到的性能。

有益效果：本发明扩大了建筑垃圾在路面结构中的应用，明确了一系列方法和标准，确保了建筑垃圾用于沥青混合料设计的可能性和可行性。也使得优质的建筑垃圾能够被发掘出来，并物尽其用，具有显著的环保意义、经济意义和社会效益。

具体实施方式

综述

本发明提出了将建筑垃圾细集料用于沥青混合料的一种设计方法。运用该方法设计的建筑垃圾沥青混合料适用于公路以及城市道路沥青面层。实现对建筑垃圾的再生利用，减少城市、乡村固体废弃物的污染。

建筑垃圾用于沥青混合料一般多指建筑垃圾粗集料用于沥青混合料的情况。一般认为建筑垃圾细集料不能用于沥青混合料配合比。

采用，三阶段设计方法进行建筑垃圾沥青混合料配合比设计。

首先，采用替代法进行混合料级配设计，即用建筑垃圾细集料替代天然细集料进行级配设计，分别确定高、中、低三种建筑垃圾细集料替代方案。

然后，采用新的设计方法用于沥青混合料最佳沥青用量的确定。该方法细分为三步，(1)采用谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验确定不同级配方案最佳沥青用量可行域；(2)按照沥青用量可行域两端界限值和中间值三种沥青用量成型沥青混合料；(3)判断沥青混合料是否满足基本性能要求，如中间值对应的沥青混合料满足基本性能要求，则采用中间值为最佳沥青用量。如中间值对应的沥青混合料不满足要求，则根据两个端点的数据情况，以中间值为基础进行调整。

最后，在最佳沥青用量的条件下成型沥青混合料，并进行路用性能检验。包括沥青混合料高温稳定性、水稳定性和低温等性能。并根据三种级配方案的性能比较筛选出可行的级配方案。

实施例

以下通过一个配合比设计实施实例，进一步参数本发明。

以AC-20为目标设计级配，进行建筑垃圾沥青混合料配合比设计。该沥青混合料的配合比设计用于二级公路的下面层。

沥青混合料原材料的选择

(1)矿料规格的选择

根据沥青混合料配合比设计目标——AC-20沥青混合料；

集料的规格：0-3mm建筑垃圾细集料，0-3mm石屑，3-5mm碎石，5-15mm碎石，10-20mm碎石，石灰岩矿粉。

(2)沥青为70#A级石油沥青。

沥青混合料级配设计。以AC-20级配曲线中值为级配设计的目标值进行级配设计；由全新集料配制级配曲线，然后采用建筑垃圾细集料替代级配中的天然石料。全新集料配制比例如下：

新集料规格/mm	矿粉	0-3	0-5	5-15	10-20
						级配比例/％	2	40	6	39	23

采用建筑垃圾替代方案如下：

建筑垃圾细集料用量方案	方案I	方案II	方案III
				建筑垃圾细集料用量/％	0	20	40

说明：方案I即是全新集料配制。

(4)确定各方案沥青用量可行域

混合料设计要求值

建筑垃圾细集料用量方案I

OCA_mid对应的沥青混合料均满足设计要求，最佳沥青用量OCA＝OCA_mid。

建筑垃圾细集料用量方案I最佳沥青用量为4.0％(油石比)。

建筑垃圾细集料用量方案II

OCA_mid对应的沥青混合料除了沥青饱和度不满足要求外，超出了设计要求的上限，其余指标均满足设计要求。对比分析OCA_min较OCA_max各指标，最佳沥青用量应在OCA_min和OCA_mid之间。

为此，取OCA＝(OCA_min+OCA_mid)/2＝5.5％。

按照5.5％沥青用量成型试件，再次检测验证，试验数据如下：

5.5％沥青用量对应的沥青混合料满足设计要求。建筑垃圾细集料用量方案II最佳沥青用量为5.5％(油石比)。

建筑垃圾细集料用量方案III

OCA_mid对应的沥青混合料均满足设计要求，最佳沥青用量OCA＝OCA_mid。

建筑垃圾细集料用量方案III最佳沥青用量为6.4％(油石比)。

4、沥青混合料性能验证

(1)水稳定性、高温稳定性、低温开裂性能验证如下：

(5)比较以上级配方案，认为两种建筑垃圾替代方案(20％建筑垃圾细集料方案和40％建筑垃圾细集料方案)均满足要求。除了动稳定度较全天然石料沥青混合料低外，其余性能指标均具有明显优势。方案III动稳定度次数只有946.0，较其他两种方案差别较大，为此在配合比设计中舍弃该方案。

(6)完成以上步骤的配合比设计，确定了建筑垃圾沥青混合料的级配方案、确定了最佳沥青用量，并验证了最佳沥青用量条件下的各项路用性能。证明采用建筑垃圾细集料配制的沥青混合料不仅满足一般设计要求，而且性能可以达到较为优异的水准。

Claims (2)

1.一种建筑垃圾用于沥青混合料配比设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、建筑垃圾料源的限定

建筑垃圾料源分为破碎的水泥混凝土块、砖块、陶瓷片、瓦砾、装饰材料5种，用作沥青混合料原材料的建筑垃圾只能是水泥混凝土块破碎后的建筑垃圾；

步骤2、用替代法进行沥青混合料级配设计

(1)以级配曲线中值为级配设计的目标值；

(2)采用替代法进行建筑垃圾沥青混合料的级配设计，即用建筑垃圾细集料替代天然细集料进行级配设计，分别确定高、中、低3种建筑垃圾替代方案；

步骤3、用改进的马歇尔方法确定最佳沥青用量

本方法不同于传统的马歇尔方法确定最佳沥青用量，传统的马歇尔方法是在规范推荐的沥青用量范围内，选取3个沥青用量等分点，按照5组沥青用量成型沥青混合料，该沥青用量包括2个端点，在一系列物理力学参数的条件下确定最佳沥青用量；在最佳沥青用量条件下检验沥青混合料的性能；

用改进的马歇尔方法分为2个步骤，确定沥青用量可行域、确定最佳沥青用量；

(1)确定沥青用量可行域

通过谢伦堡析漏试验确定沥青用量的上限OCA_max；通过肯塔堡飞散试验确定沥青混合料的沥青用量下限OCA_min；根据大量试验验证，采用该方法确定的最佳沥青用量范围较窄，上下界限插值在1％左右，判断标准要求如下：

指标 谢伦堡析漏损失/％ 肯塔堡飞散损失/％ 要求值 不大于0.10 不大于10

(2)确定最佳沥青用量

根据确定的沥青用量可行域，确定3组沥青用量成型马歇尔试件，分别是：OCA_max、OCA_min和OCA_mid，其中，OCA_mid＝(OCA_max+OCA_min)/2；

测试成型试件的密度、空隙率、沥青饱和度，以及马歇尔稳定度和流值；如果上述验证符合规范或设计要求，则OCA_mid即为最佳沥青用量；如果OCA_mid有指标不满足要求，需要参考两端点的情况，选取满足要求的端点值，取该端点值与OCA_mid的平均值为最佳沥青用量，并再次成型试件进行验证，直至满足要求即为最佳沥青用量。

2.如权利要求1所述的一种建筑垃圾用于沥青混合料配比设计方法，其特征在于，还包括步骤4、性能检验和级配方案确定

在沥青含量条件下，进行建筑垃圾沥青混合料性能的检验，确定建筑垃圾沥青混合料是否满足路面使用要求，包括沥青混合料水稳定性、高温稳定性和低温性能；

通过性能比较，从3种级配方案中选择最优的方案为最终配比；

完成以上步骤的配合比设计，确定了建筑垃圾掺配率、确定了建筑垃圾沥青混合料的最佳沥青用量，明确了建筑垃圾沥青混合料达到的性能。