再生粗集料微觀(guān)特征及性能研究

趙兵偉，李曉娟，李 淵

（1.中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安710016，2.西安公路研究院，陜西 西安710065）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大批舊建筑物被拆除，基礎(chǔ)設(shè)施改造過(guò)程中產(chǎn)生了大量建筑垃圾。相關(guān)資料顯示，目前我國(guó)年建筑垃圾產(chǎn)生量已達(dá)到了7 億t，占城市垃圾總量的30%～40%，而建筑垃圾中的廢棄混凝土比例高達(dá)50%～60%。目前建筑垃圾處理方式主要是集中堆放或者將其作為地基填料，對(duì)建筑垃圾進(jìn)行再生利用，一方面能夠節(jié)約處理費(fèi)用，減少土地資源的浪費(fèi)；另一方面，隨著道路交通行業(yè)的發(fā)展，天然集料資源越來(lái)越緊張，而對(duì)建筑垃圾中的廢棄混凝土可以采取一定的加工工藝制備成再生集料，可將其部分替代天然集料用于道路工程建設(shè)。日本在1977年就已經(jīng)出臺(tái)了建筑垃圾再生骨料的規(guī)范，目前，日本對(duì)建筑施工過(guò)程中產(chǎn)生的建筑垃圾已經(jīng)能夠做到就地重新利用、建筑垃圾不運(yùn)出施工場(chǎng)地，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)研究人員針對(duì)建筑垃圾再生集料在道路行業(yè)的利用雖然取得了了一定的研究成果，但是研究成果主要集中在水泥混凝土和水泥穩(wěn)定碎石中的應(yīng)用，其在瀝青混合料中的應(yīng)用研究較少，同時(shí)缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。本文首先對(duì)建筑垃圾再生集料進(jìn)行掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，觀(guān)察其表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征，然后按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)再生集料物理力學(xué)性能進(jìn)行全面試驗(yàn)研究。

1 原材料及試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)采用的建筑垃圾來(lái)源于城中村改造工程拆遷的舊建筑物，在建筑垃圾堆放場(chǎng)地人工分揀較大的廢舊混凝土塊；再生集料是由廢舊混凝土塊經(jīng)Pc400×300錘式破碎機(jī)破碎后得到的連續(xù)級(jí)配混合料，為便于其在瀝青穩(wěn)定碎石中應(yīng)用，對(duì)連續(xù)級(jí)配集料混合料分檔篩分，分為0～5mm、5～10mm、10～20mm、20～30mm 四檔；粗集料中的主要巖石是鵝卵石、花崗巖。

由于建筑垃圾再生集料來(lái)源比較特殊，借助掃描電子顯微鏡觀(guān)察破碎所得的再生集料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征。本文研究的建筑垃圾再生集料主要考慮用于瀝青穩(wěn)定碎石中，因此主要參考《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）進(jìn)行試驗(yàn)，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG E40—2004）的相關(guān)要求對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。為比較再生集料與天然集料的性能，對(duì)天然集料和再生集料進(jìn)行以下的項(xiàng)目試驗(yàn)：篩分試驗(yàn)、密度與吸水率試驗(yàn)、針片狀含量試驗(yàn)、壓碎值試驗(yàn)、磨耗值試驗(yàn)等。

2 微觀(guān)特征分析

圖1、圖2 是經(jīng)由掃描電子顯微鏡獲得的再生集料表面微觀(guān)特征圖。圖1放大倍數(shù)為200倍。圖2放大倍數(shù)為2 000倍。

圖1 再生集料微裂縫

圖2 再生集料表面空隙

由圖1 可以看到建筑垃圾再生集料表面的微裂縫分布，有些裂縫是原天然集料自身開(kāi)裂所致，另外一些裂縫是由于水泥砂漿與集料交界面分離所形成的，微裂縫之間往往相互貫通。造成微裂縫產(chǎn)生的主要原因有兩個(gè)：一是原廢棄混凝土結(jié)構(gòu)物在未被拆除前自身受壓破壞產(chǎn)生的微裂縫；二是廢棄混凝土塊經(jīng)錘式破碎機(jī)破碎獲得再生集料過(guò)程中自身受擠壓和碰撞造成的。

在圖2 中可以看到多處開(kāi)孔孔隙，有些是原天然集料自身孔隙，另外一些是水泥砂漿表面的孔隙，再生集料開(kāi)孔孔隙中絕大部分是砂漿表面孔隙，而砂漿表面孔隙主要是由廢棄混凝土在破碎過(guò)程中砂漿與砂漿分離、集料與砂漿脫離造成的。

微裂縫和砂漿表面開(kāi)口孔隙會(huì)對(duì)再生集料的基本性能造成一定的負(fù)面影響，主要表現(xiàn)在微裂縫和砂漿表面孔隙使得再生集料的比表面積增大，從而影響再生集料的表觀(guān)密度以及吸水率，再生集料出現(xiàn)微裂縫的局部在外力作用下會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這些薄弱部位受力更易發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致集料的強(qiáng)度降低。

3 再生集料性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1 篩分試驗(yàn)

對(duì)機(jī)械破碎所得的建筑垃圾連續(xù)級(jí)配集料混合料進(jìn)行篩分，級(jí)配情況見(jiàn)表1。

表1 再生集料連續(xù)級(jí)配混合料篩分結(jié)果

參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG E40—2004）對(duì)ATB—25 級(jí)配范圍的要求，可以看出，集料混合料的級(jí)配組成符合規(guī)范要求，說(shuō)明采用合理的破碎工藝，用廢棄混凝土塊可以生產(chǎn)出滿(mǎn)足規(guī)范要求級(jí)配范圍的集料。但是，再生集料的級(jí)配組成偏粗，靠近級(jí)配范圍下限，不適合直接進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)過(guò)程中可以添加振動(dòng)篩對(duì)再生集料進(jìn)行分檔，以便在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)化級(jí)配。

3.2 密度及吸水率試驗(yàn)

對(duì)再生粗集料及天然集料進(jìn)行表觀(guān)密度、毛體積密度、吸水率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 建筑垃圾再生粗集料密度及吸水率試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：

（1）建筑垃圾再生集料的表觀(guān)密度都符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中“不小于2.50g/cm3”這一要求，可以用于瀝青路面修筑；然而建筑垃圾再生集料的表觀(guān)密度和毛體積密度都明顯小于天然集料，主要原因是水泥砂漿與天然巖石相比更加疏松，密度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小；

（2）再生集料的吸水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然集料，且粒徑越小，差距越大，主要原因是硬化的水泥砂漿具有更高的孔隙率和吸水率，粒徑較大的粗集料含有更高比例的天然石料，粒徑越小則水泥砂漿含量越高，吸水率就越大，高吸水率和孔隙率的再生集料用于瀝青混凝土中，瀝青用量就會(huì)顯著變大，從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，必須對(duì)其做強(qiáng)化處理，降低其吸水率及孔隙率。

3.3 壓碎值

石料壓碎值是表征集料在混合料碾壓過(guò)程中以及開(kāi)放交通后抵抗壓碎的能力，是衡量石料力學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)，用于鑒定公路路面基層、底基層及混合料面層的粗集料品質(zhì)，以評(píng)定其在工程中適用性。一般認(rèn)為，壓碎值越大，說(shuō)明粗集料的抗壓碎能力越低，石料越易壓碎。通過(guò)篩分試驗(yàn)取9.5～13.2mm 的再生集料進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 建筑垃圾再生集料壓碎值

從表3可知，再生集料的壓碎值要遠(yuǎn)大于天然集料，主要原因是再生集料中水泥砂漿的存在，水泥砂漿強(qiáng)度與耐磨性要遠(yuǎn)低于天然集料，容易破碎，同時(shí)在在制作再生集料的過(guò)程中集料內(nèi)部產(chǎn)生了細(xì)微裂縫，在施加壓力過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致再生集料強(qiáng)度降低。

3.4 磨耗值

石料磨耗值是指石料在標(biāo)準(zhǔn)條件下抵抗摩擦、撞擊作用的能力，我國(guó)采用洛杉磯磨耗試驗(yàn)測(cè)試這一指標(biāo)。粗集料的洛杉磯磨耗損失是評(píng)價(jià)集料使用性能的重要指標(biāo)，尤其是瀝青混合料和基層材料，它與瀝青路面的抗車(chē)轍能力、耐磨性、耐久性密切相關(guān)，軟弱顆粒含量多、風(fēng)化嚴(yán)重的石料通過(guò)磨耗試驗(yàn)后粉碎嚴(yán)重，這一指標(biāo)很難達(dá)標(biāo)。按照規(guī)范要求準(zhǔn)備石料進(jìn)行洛杉磯磨耗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 建筑垃圾再生集料磨耗值

由表4 可知，再生集料的磨耗值大于天然集料，在磨耗試驗(yàn)中，鋼球的撞擊容易使水泥砂漿從巖石表面剝離下來(lái)，而建筑垃圾中的天然集料大多是花崗巖以及鵝卵石，硬度偏高，不易破碎，這也是二者磨耗值相差不大的原因。

3.5 針片狀顆粒含量

集料的形狀越接近立方體越好，細(xì)長(zhǎng)扁平狀的針片狀顆粒對(duì)瀝青混合料的性能會(huì)有非常不利的影響。因?yàn)獒樒瑺铑w粒很容易在施工過(guò)程中被剛性輪碾壓和振動(dòng)碾壓所粉碎、折斷，施工性能極差，而且在瀝青混合料內(nèi)部遺留下相當(dāng)數(shù)量沒(méi)有被瀝青膜裹覆的折斷面，成為混合料內(nèi)部的微裂縫。針片狀含量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 建筑垃圾再生集料針片狀含量

由表5可知，再生粗集料針片狀含量可以滿(mǎn)足規(guī)范要求，但是針片狀顆粒含量偏大，且隨著粒徑的增大，針片狀顆粒含量逐漸增大。針片狀顆粒的含量很大程度上取決于破碎機(jī)的類(lèi)型，建議在建筑垃圾再生集料制備過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)建筑垃圾原材料的特點(diǎn)，對(duì)建筑垃圾的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化、改良。

4 結(jié)論及建議

（1）建筑垃圾再生集料混合料的顆粒級(jí)配符合規(guī)范對(duì)于A(yíng)TB—25 的要求，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，建議在破碎機(jī)后添加振動(dòng)篩分檔，便于配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)化級(jí)配。

（2）建筑垃圾再生集料的表觀(guān)密度和毛體積密度都明顯小于天然集料，吸水率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然集料，且粒徑越小，差距越大；由于微裂縫及水泥浮漿的存在，導(dǎo)致再生集料的壓碎值及磨耗值大于天然集料；再生粗集料針片狀含量可以滿(mǎn)足規(guī)范要求，但是針片狀顆粒含量偏大，且隨著粒徑的增大，針片狀顆粒含量逐漸增大。

（3）針對(duì)建筑垃圾再生集料的上述弱點(diǎn)，建議在再生集料生產(chǎn)過(guò)程中，針對(duì)建筑垃圾的特點(diǎn)，采用合適的破碎機(jī)械及破碎工藝，在實(shí)際利用之前可以對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化處理，既可以嘗試采用研磨掉水泥浮漿等物理強(qiáng)化方式，也可以采用添加化學(xué)試劑（硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)硅樹(shù)脂等）的方式，從而改善再生集料的物理力學(xué)性能，提高其利用水平及利用率。

[1] JTG E42—2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2] JTG E40—2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

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