一种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法
【专利摘要】本发明涉及建筑垃圾再利用【技术领域】，具体公开了一种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法。步骤一，确定路面结构的各结构层材料与厚度；步骤二，根据各结构层材料与厚度，建立计算模型，根据计算模型确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准；步骤三，进行基层或底基层的水泥稳定再生集料的级配组成设计，计算确定满足7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准的水泥稳定再生集料的设计水泥剂量Copt；如果Copt≤6％，则设计通过；如果Copt＞6％，则调整水泥稳定再生集料的级配组成设计，使得Copt≤6％。该方法针对建筑垃圾再生集料的技术性质展开合理设计，投入成本低且使用操作简便，使用效果好。
【专利说明】-种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及建筑垃圾再利用【技术领域】，具体公开了一种水泥稳定再生集料基层或 底基层的设计方法。 技术背景
[0002] 建筑垃圾是指建（构）筑物建设与拆除、路面建设与翻修、混凝±生产和工程施工 等状况下产生的固体废弃物。±木工程建设与拆除会产生大量建筑垃圾，我国正处于建设 高峰期，每年产生的建筑垃圾达6亿吨，其中废弃的水泥混凝±占60% W上。
[0003] 再生集料化ecycled Concrete Aggregate, RCA)是指建筑垃圾中的废弃水泥混凝 ±经分栋、剔筋、破碎、分级后形成的粒径小于40mm的集料，包括再生粗集料（4. 75mm《粒 径< 40mm)和再生细集料（粒径< 4.75mm)。自二次世界大战结束后，欧美等发达国家相 继开展了建筑垃圾路用的研究，主要用于路面基层、路肩和路基，在少数情况下用于面层， 美国有超过20个州在公路建设中采用再生骨料。中国各级政府部口鼓励建筑垃圾的资源 化利用，全国人大于1995年11月通过了《城市固体垃圾处理》，要求"产生的部口必须交纳 垃圾处理费"，但由于各种原因，我国目前仍有巨量的建筑垃圾被直接运往城市郊区露天堆 放或简单的填埋，不仅占用了大量的±地，而且会造成严重的环境污染。另一方面，我国大 规模的公路建设需要耗用大量石料，路面混合料中90% W上是集料，普遍选用玄武岩、花岗 岩、石灰岩等优质集料，随着修筑公路过程中大量使用，高质量集料已被消耗殆尽，使得路 面集料供需矛盾日益突出，价格越来越高。因此，利用再生集料替代天然集料进行路面建 设，不仅能缓解天然集料紧缺的情况，同时也有助于解决建筑垃圾的处理问题，可W起到 一箭双雕的作用，具有良好的经济效益与社会效益，是目前处理城市化过程中代谢大量建 筑垃圾最为有效的途径。
[0004] 水泥稳定类材料具有强度高、板体性好等优点，广泛应用于我国公路路面基层与 底基层的建设。传统水泥稳定类材料由水泥与天然集料（或细粒±)按比例混合而成。为 了再生利用建筑垃圾，近年来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 稳定再生集料，用于修筑路面基层或底基层。现阶段我国尚没有水泥稳定再生集料的设计 方法，在常规的使用方法中往往是按照现行《公路渐青路面设计规范》JTG D50-2006的设计 方法进行的，该方法的过程如下：首先选择水泥、碎石等材料并检验其技术性能，根据级配 要求确定矿料组成；然后选择4-5个水泥剂量，进行击实试验确定混合料的最大干密度和 最佳含水量；按照所确定的最大干密度和最佳含水量成型试件，标准养生，测试其7d无侧 限抗压强度，根据水泥剂量与7d无侧限抗压强度的关系曲线，确定水泥剂量，要求7d无侧 限抗压强度的代表值不小于《公路渐青路面设计规范》（JTG D50-2006)中表6. 1. 5的规定 值。
[0005] 相比天然集料，再生骨料表面存在微裂缝与空隙，具有更高的表面粗趟度，该就在 一定程度上提高了集料间的摩阻力；其次，再生骨料含有具备一定活性的娃酸盐，该些活性 物质与水泥水化产物中的化(0H)2发生火山灰反应，生成水硬性产物进而形成附加强度；最 后，再生骨料表面比天然碎石更粗趟、且有很多孔隙，混合料拌和过程中，水泥浆更易渗入 RCA表面及内部空隙，进而提高界面强度，W上因素导致水泥稳定再生集料与传统水泥稳定 类材料在力学特性、疲劳特性、刚度特性等方面存在较大差异，如果按照上述方法进行设 计，会存在W下问题；（1)强度设计标准不合适，表现为强度设计标准有时过高，有时过低。 设计强度过高，不仅会导致水泥剂量偏大，而且会影响混合料的抗裂性与经济性；设计强度 过低，则会直接影响水泥稳定碎石基层的承载力和耐久性。（2)在传统设计方法中，水泥稳 定碎石的劈裂强度、模量和抗拉强度结构系数是路面结构设计参数，而混合料设计的唯一 指标为7d无侧限抗压强度，因此混合料设计时无法考虑路面结构对材料性能的要求，结构 与材料设计相脱节，使得设计的混合料并不能有效控制路面结构开裂。
[0006] 套用现有《公路渐青路面设计规范》（JTG D50-2006)的设计方法会导致设计出的 水泥稳定再生集料基层或底基层具有较小的承载力、路面结构与水泥稳定再生集料的性质 相脱节，W致路面容易开裂且耐久性不足。因此针对建筑垃圾再生集料本身的技术性质探 索出合理的水泥稳定再生集料底基层或底基层的设计方法是正确使用建筑垃圾再生有效 途径，有利于建筑垃圾再生集料在公路建设中的推广使用，是消纳城市建筑垃圾的有效途 径。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种水泥稳定再生集料基层或 底基层的设计方法。该方法步骤简单，针对建筑垃圾再生集料的技术性质展开合理设计，投 入成本低且使用操作简便，使用效果好，能有效解决现有的水泥稳定再生集料基层或底基 层设计方法不能实现路面结构与材料一体化控制疲劳开裂的缺陷。
[0008] 为了达到上述目的，本发明采用W下技术方案予W实现。
[0009] -种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于，包括W下步骤：
[0010] 步骤一，按照《公路渐青路面设计规范》（JTG D50-2006)的设计方法，确定路面结 构的各结构层材料与厚度，所述路面结构的结构层中至少包含有基层或底基层，W基层或 底基层为设计层，所述基层或底基层的材料为水泥稳定再生集料。
[0011] 步骤二，根据各结构层材料与厚度，建立计算模型，根据计算模型确定水泥稳定再 生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准。
[0012] 具体包括W下子步骤。
[0013] 2a)逐次建立计算模型，其序号记为i，并设水泥稳定再生集料基层或底基层铺筑 且养生至规定龄期后的路面结构为第一次建立的计算模型1，即i = 1，此后每加铺一层且 养生至规定龄期后的路面结构重新建立计算模型i+1 ;根据路面结构和各结构层的厚度， 依次确定各计算模型的参数，参数包括各结构层对应的厚度、无侧限抗压回弹模量、泊松比 和龄期t。
[0014] 其中，无侧限抗压回弹模量的计算公式为：
[0015]
【权利要求】
1. 一种水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，确定路面结构的各结构层材料与厚度，所述路面结构的结构层中至少包含 有基层或底基层，以基层或底基层为设计层，所述基层或底基层的材料为水泥稳定再生集 料； 步骤二，根据各结构层材料与厚度，建立计算模型，根据计算模型确定水泥稳定再生集 料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准； 步骤三，进行基层或底基层的水泥稳定再生集料的级配组成设计，计算确定满足7d劈 裂强度设计标准和7d无侧限抗压强度设计标准的水泥稳定再生集料的设计水泥剂量C_ ; 如果Ctjpt彡6 %，则设计通过；如果Ctjpt > 6%，则调整水泥稳定再生集料的级配组成设计， 使得 CtjptS 6%。
2. 根据权利要求1所述的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于， 所述步骤二包括以下子步骤： 2a)逐次建立计算模型，其序号记为i，并设水泥稳定再生集料基层或底基层铺筑且养 生至规定龄期后的路面结构为第一次建立的计算模型1，即i = 1，此后每加铺一层且养生 至规定龄期后的路面结构重新建立计算模型i+Ι ;根据路面结构和各结构层的厚度，依次 确定各计算模型的参数，参数包括各结构层对应的厚度、无侧限抗压回弹模量、泊松比和龄 期t; 2b)根据各结构层厚度、施工期所用运料车载重量和运营期的路面轴载，计算确定各计 算模型中水泥稳定再生集料基层或底基层的荷载作用次数ni，i为计算模型的序号；采用路 面计算软件确定各计算模型中水泥稳定再生集料基层或底基层的层底拉应力〇 i，i为计算 模型的序号； 2c)确定计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rwl]; 2d)确定水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]和7d无侧限 抗压强度设计标准[Re7d]，其具体子步骤依次为： 根据计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准[Rwl]，计算水泥稳 定再生集料基层或底基层的7d弯拉强度标准[Rw7d]; 根据水泥稳定再生集料基层或底基层的7d弯拉强度标准[Rw7d]，计算确定水泥稳定再 生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]; 根据水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度设计标准[Rs7d]，计算确定水泥稳 定再生集料基层或底基层的7d无侧限抗压强度设计标准[Re7d]。
3. 根据权利要求2所述的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于， 所述子步骤2c)包括以下子步骤： 2c_l)设定计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度假定标准为 [Rwl0]； 2c-2)计算计算模型1以外其它计算模型中水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强 度标准[Rw，t], t为龄期； 2c_3)利用公式Si = 〇 i/TU，计算计算模型i中的水泥稳定再生集料基层或底基层 的应力水平Si ;其中，〇 i为计算模型i中水泥稳定再生集料基层或底基层的层底拉应力， 单位MPa ; 2c-4)通过应力水平Si计算计算模型i中的水泥稳定再生集料基层或底基层的疲劳寿 命Ni ;所述疲劳寿命Ni的计算公式为： IgNi = Hi-IiSi 式中，Ni为疲劳寿命为应力水平；m = 11. 644 ;n = 10. 206。 2c_5)利用公式Di = 1^/队，计算模型中i的水泥稳定再生集料基层或底基层的疲劳损 伤率Di，Ili为计算模型i中水泥稳定再生集料基层或底基层的的荷载作用次数； 2c_6)利用公式D= SDi,计算水泥稳定再生集料基层或底基层的累积损伤D ; 2c-7)判断累积损伤D是否介于0. 95-1. 0之间，如果介于0. 95-1. 0之间，则接受弯拉 强度假定标准[Rwl°]作为计算模型1的水泥稳定再生集料基层或底基层的弯拉强度标准 [Rwl]，否则，重新调整弯拉强度假定标准[R wl°]，使得累积损伤D介于0. 95-1. 0之间。
4. 根据权利要求3所述的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于， 子步骤2c-7)中所述调整弯拉强度假定标准[R wl°]，其具体子步骤为： 当累积损伤D<0.95时，采用公式[RwlJ = [Rwl°]-ARW调整[Rwl°]，并重新计算累积损 伤D，使得D介于0. 95-1. 0之间；Λ Rw为弯拉强度标准调整幅值，[RwlJ为弯拉强度标准的 调整值； 当累积损伤D>0.95时，采用公式[RwlJ = [Rwl°] + ARW调整[Rwl°]，并重新计算累积损 伤D，使得D介于0. 95-1. 0之间；Λ Rw为弯拉强度标准调整幅值，[RwlJ为弯拉强度标准的 调整值。
5. 根据权利要求1所述的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于， 步骤三中所述设计水泥剂量Ctjpt，采用以下子步骤确定： 3a)在水泥剂量2% -8 %范围内选择4-6个水泥剂量制备试验集料，进行重型击实试 验，再确定水泥稳定再生集料的最大干密度和最佳含水量； 3b)根据最大干密度、最佳含水量和压实度，成型不同水泥剂量的试件，标准养生后分 别测试水泥稳定再生集料基层或底基层的7d劈裂强度与7d无侧限抗压强度； 3c)绘制水泥剂量_7d劈裂强度代表值的关系曲线和水泥剂量-7d无侧限抗压强度代 表值的关系曲线，计算确定满足7d劈裂强度设计标准的最小水泥剂量Cs和满足7d无侧限 抗压强度设计标准的最小水泥剂量C。； 3d)取满足7d劈裂强度设计标准的最小水泥剂量Cs与满足7d无侧限抗压强度设计标 准的C。中数值大者作为水泥稳定再生集料基层或底基层的设计水泥剂量(；pt。
6. 根据权利要求2所述的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于， 子步骤2a)中所述无侧限抗压回弹模量的计算公式为 ：
式中，Ec^t为t龄期的无侧限抗压回弹模量，单位为MPa ;E。，~为c?龄期的抗压回弹模 量，单位为 MPa，取 HOOMPa ;ae = 0. 514 ;be = 0. 444 ;t 为龄期，单位为 d。
7. 根据权利要求2所述的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于， 子步骤2d)所述7d弯拉强度标准的计算公式为 ：
式中，Rw;t为t龄期的弯拉强度，单位为MPa ;RW，mSc?龄期的弯拉强度，单位为MPa，取 0· 895MPa ;aw = 0· 384 ;bw = 0· 633 ;t 为龄期，单位为 d。
8. 根据权利要求3所述的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于， 子步骤2c-2)中所述弯拉强度标准的计算公式为：
式中，为t龄期的弯拉强度，单位为MPa ;RW，mSc?龄期的弯拉强度，单位为MPa，取 0· 895MPa ;aw = 0· 384 ;bw = 0· 633 ;t 为龄期，单位为 d。
9. 根据权利要求2所述的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于， 子步骤2d)中所述劈裂强度设计标准的计算公式为： Rw，t = aA，t 式中，Rs>t为t龄期的劈裂强度，单位为MPa ;as = 1. 402 ;t为龄期,单位为d。
10. 根据权利要求2所述的水泥稳定再生集料基层或底基层的设计方法，其特征在于， 子步骤2d)中所述无侧限抗压强度设计标准的计算公式为： Rc，t = acRs，t 式中，Rc^t为t龄期的无侧限抗压强度，MPa ;a。= 9. 284 ;t为龄期，单位为d。
【文档编号】E01C3/04GK104389253SQ201410625633
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】纪小平, 刘永红, 侯月琴, 宿秀丽, 刘陵庆 申请人:长安大学