一种确定掺固体废物道路基层材料合理含水率的方法

摘要

本发明公开了一种确定掺固体废物道路基层材料合理含水率的方法，本发明针对固体废物用于无机结合料稳定类基层，可依据固体废物特性及混合料压实过程特征确定合理的室内压实成型方法，保证固体废物压实中破碎少、混合料级配与设计级配接近，从而使混合料的压实含水率更加合理且满足实际压实需要，减少掺固体废物道路基层养生期失水收缩开裂，为固体废物用于道路基层的设计和施工提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种确定掺固体废物道路基层材料合理含水率的方法。

背景技术

建筑垃圾(含道路回收材料)、工业固废(如钢渣、尾矿)等大宗固体废物面临资源化利用的困境，可将其部分或全部代替碎石用作道路基层材料，从而实现固体废物的资源化利用。此类固体废物普遍具有吸水性强、棱角突出、抗压碎强度低等物理力学性质，固体废物代替碎石进行配合比设计与常规无机结合料稳定基层混合料相比，存在两方面主要关键技术问题：(1)压实成型中固体废物颗粒重新排列过程中发生破碎的情况严重，导致实际矿料级配与设计矿料级配发生较大偏差，而实际现场振动压实过程中颗粒破碎少，这造成混合料室内设计结果与实际出现偏差，往往低估了实际道路基层强度；(2)固体废物颗粒孔隙多、吸水强，混合料的含水率包括压实中颗粒移动所需润滑水以及固体废物的吸附水，室内常规击实试验确定的压实含水率增大，如以此含水率作为施工含水率将导致混合料基层失水量和干燥收缩变形的增加，基层早期开裂将加剧。

道路基层混合料室内确定合理含水率的压实方法需与实际压路机的压实作用和压实功相近，目前主要有击实和振动压实两种方法。不同压实方法提供的外力和压实功不同，混合料内部集料颗粒在压实过程中的运动规律不同，从而导致压实后集料颗粒的嵌挤状态及混合料力学强度出现差异。击实成型采用竖向锤击力使集料颗粒主要发生向下的运动，达到密实状态，相当于12～15吨静力压力机，这一压实功为固定值，且不能很好地反映目前现场真实压实设备的压实功。振动压实通过在混合料试件表面施加一定频率和振幅的振动使颗粒产生“液化”达到密实状态。击实和振动成型过程中均不能记录试件中集料状态的变化过程，只能通过结束后混合料的整体物理力学指标评断压实过程或结果。旋转压实是另一种路面材料常用的压实方法，借助旋转压实仪在竖向力和剪切力的综合作用下集料定向排列、混合料压密，常用于沥青混合料的压实和性能评价，也可见在水泥混凝土及粗粒土等道路工程材料室内成型中的应用。旋转压实可在一定程度上较好地反映材料真实的压实状态，并可借助旋转压实仪记录压实过程中的压实信息，以用来分析压实过程特征。但旋转压实成型仪的参数较多，不同压实材料最为合理的试验参数也存在差异。

综上所述，掺固体废物的道路基层材料的室内压实一方面要保证矿料级配、集料颗粒嵌挤状态和混合料力学强度与现场压实结果一致，另一方面也要考虑到固体废物特有的物理力学特性，并且也需针对不同类型固体废物明确其形态、物理力学特征对压实过程的影响，这是目前击实试验和振动成型因设备、试验参数等方面的原因而未能充分做到的。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种确定掺固体废物道路基层材料合理含水率的方法，针对不同固体废物采用不同室内压实试验参数来模拟实际压实功，保证固体废物颗粒排列及混合料强度与基层实际压实相近，提高室内设计掺固体废物道路基层材料的准确性。

本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种确定掺固体废物道路基层材料合理含水率的方法，所述方法包括以下步骤，

步骤一：按照设计配合比，将固体废物与集料、预估含水率的水混合闷料后掺加无机结合料进行拌合得到混合料；

步骤二：旋转压实仪试模中放入薄膜塑料袋，贴合试模内壁，将通过步骤一得到的混合料分三层装入试模；

步骤三：采用旋转压实仪进行混合料的旋转压实成型；

步骤四：根据旋转压实仪记录的数据得到混合料压实次数—剪切应力关系曲线和垂直压力—矿料破碎率关系曲线；

步骤五：根据压实次数—剪切应力关系曲线和垂直压力—矿料破碎率关系曲线的特征确定混合料的合理垂直压力和合理压实次数；

步骤六：按照合理压实次数和合理垂直压力，变化五个含水率进行混合料的旋转压实成型，得到含水率—干密度关系曲线；

步骤七：采用二次函数拟合含水率与干密度的凸形趋势，拟合曲线的峰值对应的含水率及干密度分别为最佳含水率和最大干密度，混合料的合理含水率为最佳含水率+0.3％～0.5％。

优选的，所述固体废物是指具有集料特征的工业固体废物或建筑垃圾，所述集料是指满足道路工程技术规范的天然碎石，所述无机结合料是指水泥、石灰或粉煤灰，所述混合料为无机结合料稳定固体废物和碎石的混合物。

优选的，所述步骤一中含水率为水与固体废物和碎石的混合物质量的百分比。

优选的，所述旋转压实仪配置剪切应力测试系统，所述试模为旋转压实仪的附件，内径为149.9～150毫米、高度为250±1毫米，所述薄膜塑料袋尺寸大于30厘米×20厘米、不透水。

优选的，所述步骤三中旋转压实成型的垂直压力为400～700kPa、压实次数为150～300次；其中，垂直压力为旋转压实仪施加给混合料的竖向压力，压实次数为旋转压实仪底座旋转的次数。

优选的，所述步骤三中旋转压实速度为30r/min±0.5r/min，旋转压实内旋转角度为1.16°±0.02°。

优选的，所述破碎率为旋转压实试验后混合料中2.36、4.75、9.5、13.2、16、19、26.5和31.5毫米筛孔上矿料的通过质量百分率与设计级配差值的绝对值总和。

优选的，所述步骤四中压实次数—剪切应力关系曲线和垂直压力—矿料破碎率关系曲线的特征以复压阶段结束时的压实次数作为合理压实次数，以垂直压力—破碎率关系曲线上破碎率稳定时的垂直压力作为合理垂直压力。

优选的，所述步骤六中五个含水率分别为预估含水率、预估含水率±0.5％、预估含水率±1.0％。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)采用旋转压实仪得到道路基层材料压实过程中剪切应力和密度的变化，实时精准了解混合料压实过程及压实机理，为掺固体废物道路基层材料室内设计提供了参考；

(2)掺不同固体废物道路基层材料的抗压碎能力及压实特性不同，通过获得旋转压实过程中压实次数和垂直压力对混合料压实特性的影响，可针对现场实际压路机的压实功水平确定旋转压实仪的试验参数；

(3)减少固体废物颗粒在压实过程中的破碎，保证混合料设计级配、嵌挤状态与基层现场压实后的实际级配、集料分布及混合料强度一致；

(4)通过旋转压实仪模拟现场压路机的揉搓作用，使掺固体废物的道路基层材料中的颗粒运动更符合现场压实规律，相对于重型击实试验减少了对水润滑作用地需要，从而保证混合料在较低的含水率下被压实，为降低掺固体废物道路基层材料的合理含水率提供了科学依据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明不同垂直压力下压实次数—剪切应力关系曲线示意图。

图2为本发明压实次数—破碎率关系曲线示意图。

图3为本发明含水率—干密度关系曲线示意图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1

本实施例采用一种工业固体废物替代碎石制备道路基层材料，参照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中的方法测定工业固体废物的吸水率为8.5％、压碎值为7.3％，碎石的吸水率则为1.7％、压碎值为10.2％。可见，这种工业固体废物的吸水性、抗压碎能力均大于碎石。掺固体废物混合料的重量组成比例为碎石：固体废物：水泥＝70％：30％：4.5％，混合料的设计级配见表1。采用旋转压实仪确定混合料的合理含水率，具体包括以下步骤：

步骤S1：按照设计配合比，将固体废物与集料、预估含水率8％的水混合闷料后掺加PC325水泥进行拌合得到混合料。

步骤S2：旋转压实仪试模中放入薄膜塑料袋，贴合试模内壁，将混合料分三层装入试模。

步骤S3：采用旋转压实仪进行混合料的旋转压实成型试验，垂直压力分别为400、500、600和700kPa，最大旋转压实次数为300次。

步骤S4：根据旋转压实仪记录的数据得到混合料压实次数—剪切应力关系曲线，见图1。图1中根据剪切应力随压实次数的变化可将压实过程分为初压、复压及终压三个阶段，分别在图中表示为1、2和3阶段。旋转压实后立即参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)进行混合料的筛分试验，得到2.36、4.75、9.5、13.2、16、19、26.5和31.5毫米筛孔上矿料的通过质量百分率，并计算各筛孔与设计级配的差值以及矿料破碎率，结果见表1。由此获得垂直压力—矿料破碎率关系曲线，见图2。

步骤S5：分析压实次数—剪切应力关系曲线和矿料破碎率—垂直压力关系曲线的特征。图1中旋转压实200次时复压阶段结束，剪切应力随压实次数的变化趋于平缓，表明旋转压实200次混合料已达到较好的嵌挤状态。图2表明，旋转压实次数为200次时，随着垂直压力增大，破碎率呈增大趋势，垂直压力超过500kPa后矿料破碎率增长明显，垂直压力600kPa、700kPa时的破碎率相近，表明垂直压力600kPa后破碎率不再明显变化、混合料已达到较好的嵌挤状态。据此，根据两个关系曲线的特征确定混合料的合理垂直压力和合理压实次数分别为600kPa、200次。

步骤S6：按照合理垂直压力和合理压实次数，即600kPa、200次，采用7.5％、8.0％、8.5％、9％和9.5％五个含水率进行混合料的旋转压实成型试验，得到含水率—干密度关系曲线，见图3，图中含水率为混合料的实测含水率。

步骤S7：如图3所示，含水率与干密度呈凸形变化趋势，采用二次函数拟合图3中含水率与干密度的凸形趋势。图3中实线1为含水率—干密度关系曲线，虚线2为二次函数拟合曲线，虚线3对应的横坐标为最佳含水率8.5％，虚线4对应的纵坐标为最大干密度2.138g·cm

表1混合料设计级配及不同垂直压力旋转压实后级配(旋转压实次数200次)

实施例2

采用实施例1中的掺工业固废道路基层材料，本实施例对薄膜塑料袋的作用进行验证。旋转压实试验采用的试验参数为600kPa、旋转压实次数为200次，混合料的设计含水率及实测含水率结果见表2。表2中数据表明，相比无薄膜塑料袋条件，有薄膜塑料袋条件下混合料的实测含水率与设计含水率差值的绝对值要小；无薄膜塑料袋的条件下，设计含水率越高，实测含水率与设计含水率差值的绝对值越大。可见，使用薄膜塑料袋可避免旋转压实过程中水分的过多损失，从而使目标含水率与实际含水率接近，更能模拟实际基层碾压情况，混合料的设计含水率越高时薄膜塑料袋的保水作用越明显。

表2有无塑料袋情况下混合料的含水率结果

实施例3

本实施例采用不同于实施例1、2中的固体废物，验证本发明方法适用于不同特性固体废物。本实施例采用一种建筑垃圾替代碎石制备道路基层材料，参照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中的方法测定建筑垃圾的吸水率为9.5％、压碎值为29.4％，碎石的吸水率则为1.7％、压碎值为10.2％。可见，建筑垃圾的吸水性远大于碎石，抗压碎能力则低于碎石。与实施例1、2中工业固体废物相比，本实施例中建筑垃圾的吸水性略高、抗压碎能力低。掺固体废物混合料的重量组成比例为碎石：固体废物：水泥＝70％：30％：4.5％。采用旋转压实仪确定混合料的合理含水率，具体包括以下步骤：

步骤S1：按照设计配合比，将固体废物与集料、预估含水率8％的水混合闷料后掺加PC325水泥进行拌合得到混合料。

步骤S2：旋转压实仪试模中放入薄膜塑料袋，贴合试模内壁，将混合料分三层装入试模。

步骤S3：采用旋转压实仪进行混合料的旋转压实成型试验，垂直压力分别为400、500、600和700kPa，最大旋转压实次数为300次。

步骤S4：根据旋转压实仪记录的数据得到混合料压实次数—剪切应力关系曲线。旋转压实后立即进行混合料的筛分试验，得到2.36、4.75、9.5、13.2、16、19、26.5和31.5毫米筛孔上矿料的通过质量百分率，并计算矿料破碎率，获得垂直压力—矿料破碎率关系曲线。

步骤S5：分析压实次数—剪切应力关系曲线和矿料破碎率—垂直压力关系曲线的特征。对于压实次数—剪切应力关系曲线，复压结束时的旋转压实次数为180次，表明旋转压实180次混合料已达到较好的嵌挤状态。对于垂直压力—矿料破碎率关系曲线，旋转压实次数为180次时，垂直压力500kPa后破碎率不再明显变化、混合料已达到较好的嵌挤状态。据此，根据两个关系曲线的特征确定混合料的合理垂直压力和合理压实次数分别为500kPa、180次。

步骤S6：按照合理垂直压力和合理压实次数，即500kPa、180次，采用7.5％、8.0％、8.5％、9％和9.5％五个含水率进行混合料的旋转压实成型试验，得到含水率—干密度关系曲线。

步骤S7：采用二次函数拟合含水率与干密度的凸形趋势，得到最佳含水率为8.8％，最大干密度为2.122g·cm

与实施例1相比，本实施例采用吸水性更高、抗压碎能力更小的固体废物设计道路基层材料，采用本发明方法确定的垂直压力更小、压实次数更少，合理含水率则略高。可见，本发明方法可针对不同固体废物采用不同试验参数，确定的掺固体废物基层材料的合理含水率更为科学。

实施例4

本实施采用实施例1和实施例3中的混合料，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)分别采用重型击实方法确定合理含水率，以此说明本发明相比于常规方法的优势，结果见表3。另外，采用本发明的方法用于指导实际掺固体废物基层的施工，利用本发明方法及重型击实方法确定的一种掺固体废物基层材料的合理含水率结果见表3。

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中的方法测定实际掺固体废物基层的无侧限抗压强度，结果见表3。

表3中结果表明，重型击实试验确定的合理含水率比本发明方法确定的合理含水率高，平均高于0.2％～0.3％；重型击实试验中破碎率高于本发明方法，表明常规方法造成的固体废物破碎严重；实际掺固体废物基层钻芯取样试件的无侧限抗压强度为4.7MPa，这与本发明方法确定的无侧限抗压强度更为接近，且均高于静压方法试件的无侧限抗压强度。本实施例验证了本发明方法指导实际掺固体废物基层与室内压实效果非常接近，对于掺固体废物基层材料，本发明方法较常规方法具有优势。

表3本发明方法与击实(静压)试验确定结果的比较

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。