建筑廢棄物再生水泥穩(wěn)定基層的配合比設(shè)計與力學(xué)性能

李玉梅，栗威，王自浩

（1．河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450000；2．河南省道路材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000；3．河南交院工程技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來，中國城市化進程加快，大規(guī)模舊城改造積極推進，大量廢舊建筑物被拆除。據(jù)統(tǒng)計，由于每年工程建設(shè)、拆除舊建筑物所形成的建筑垃圾有1．6億～2．4億t，且隨著社會進一步發(fā)展，形勢將更加嚴(yán)峻，如何處置建筑廢棄物已成為中國各大城市面臨的難題之一。

國內(nèi)外對建筑廢棄物的再生利用均開展了一定的研究，如在建筑工程領(lǐng)域中應(yīng)用的再生骨料混凝土、再生砂漿等，而在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用也是主要的研究方向之一。武漢理工大學(xué)針對內(nèi)遂高速公路建設(shè)開展了水泥穩(wěn)定基層相關(guān)研究，鋪筑了試驗段。譚洪河等研究分析了重型擊實試驗與旋轉(zhuǎn)壓實成型方法的相關(guān)試驗參數(shù)，提出采用旋轉(zhuǎn)壓實成型方法能夠降低再生混合料的干縮變形，并提出了相應(yīng)的級配設(shè)計參數(shù)［1］。胡力群等開展了廢棄黏土磚再生集料基層性能研究，分析了廢棄再生材料對混合料各項性能的影響，提出了廢棄物再生材料的摻加控制比例［2］。高啟聚、楊俊及肖杰等人均開展了廢棄磚塊、混凝土等材料在道路基層中的應(yīng)用研究，分析了再生材料在道路基層中應(yīng)用的可行性［3－5］。

綜上可知，在道路工程領(lǐng)域，采用建筑廢棄物代替適量的天然砂石材料能夠有效改善“垃圾圍城”現(xiàn)象，節(jié)約土地資源，保護環(huán)境。但目前針對這方面的研究處于初級階段，研究成果較為單一，缺乏對建筑廢棄物原材料性能與道路基層路用性能方面的系統(tǒng)研究。本文在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上開展室內(nèi)試驗，分析建筑廢棄物再生骨料的基本性能，研究再生骨料粒徑、摻量等因素對混合料力學(xué)強度的影響，為建筑廢棄物再生骨料在道路基層中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料與試驗方案

1．1 原材料選擇

水泥采用衛(wèi)輝市春江水泥公司生產(chǎn)的P·O42．5水泥，主要性能指標(biāo)見表1，新料采用偃師府店鎮(zhèn)大錘石料廠生產(chǎn)的石灰?guī)r，集料粒徑范圍包括20～30mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm，基本性能指標(biāo)見表2、3；建筑廢棄物再生骨料由河南盛天環(huán)保再生資源利用有限公司生產(chǎn)提供，通過采用反擊式破碎工藝對建筑廢棄物進行加工，采用10～20mm、5～10mm集料進行相關(guān)試驗，主要物理性能指標(biāo)見表4、5。

表1 水泥性能指標(biāo)試驗結(jié)果

表2 粗集料基本性能指標(biāo)試驗結(jié)果

表3 細(xì)集料基本性能指標(biāo)試驗結(jié)果

表4 再生骨料的基本性能指標(biāo)試驗結(jié)果

表5 新料與再生料混合后壓碎值試驗結(jié)果

根據(jù)表1～5可知：再生骨料的吸水率遠(yuǎn)高于天然骨料，這是由于再生骨料主要包含磚塊、砂漿顆粒及混凝土顆粒等，其中磚塊和砂漿顆粒的內(nèi)部空隙較大，具有較高的吸水性能，且材料的強度稍低；新料與再生骨料混合后的壓碎值、粗／細(xì)集料的基本性能指標(biāo)均滿足水泥穩(wěn)定級配碎石（底）基層的技術(shù)指標(biāo)要求（高速公路和一級公路底基層壓碎值的上限30%）［6－8］。

1．2 試驗方案

為研究建筑廢棄物再生骨料用量、水泥用量等參數(shù)對水泥穩(wěn)定級配碎石混合料性能的影響，結(jié)合相關(guān)文獻研究成果提出了以下試驗方案（為更精準(zhǔn)地評價影響因素變化對混合料性能的影響，降低混合料級配在試驗過程中的變異性，本研究采用單一粒徑進行配合比設(shè)計）。

（1）建筑廢棄物再生集料摻量分析。通過改變再生骨料摻量分析其對混合料力學(xué)強度的影響，提出合適的用量范圍。研究采用10～20mm集料，摻量分別為28%、35%和46%。

（2）建筑廢棄物再生集料類型優(yōu)化選擇。分析5～10mm、10～20mm兩檔集料摻量相同（28%）、養(yǎng)護條件相同時混合料的力學(xué)強度。

（3）為降低水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮裂縫，目前基層、底基層的水泥用量一般控制在3%～4%范圍。本文設(shè)計水泥用量分別為3%、3．5%和4．0%，采用傳統(tǒng)成型方法（重型擊實試驗）確定材料的最佳含水量與最大干密度指標(biāo)，并進行7d無側(cè)限抗壓強度試驗。

2 水泥穩(wěn)定級配碎石的配合比設(shè)計

建筑廢棄物再生水泥穩(wěn)定碎石材料級配采用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG／T F20—2015）中水泥穩(wěn)定材料的推薦級配范圍（C－A－1），經(jīng)過篩分和配比，確定5種不同類型水泥穩(wěn)定碎石材料的合成級配，見表6。

表6 5種不同類型水穩(wěn)碎石合成級配結(jié)果

依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG／T F20—2015）中重型擊實法成型試件確定不同級配類型、不同水泥含量水泥穩(wěn)定碎石材料的最佳含水量及最大干密度，試驗結(jié)果見表7、圖1～5（文中僅給出水泥用量為4%時的最佳含水量、最大干密度的試驗結(jié)果）。

由圖1～5可知以下幾點。

表7 最大干密度與最佳含水量結(jié)果

圖1 級配1＃擊實試驗結(jié)果

圖2 級配2＃擊實試驗結(jié)果

圖3 級配3＃擊實試驗結(jié)果

（1）再生水泥穩(wěn)定混合料的最大干密度低于天然骨料水穩(wěn)混合料的密度，最佳含水量遠(yuǎn)高于天然骨料混合料含水量，這與原材料的密度、吸水率有關(guān)，再生骨料的密度低于天然骨料，而吸水率較高。以5～10mm再生骨料為例，與天然骨料相比，再生水泥穩(wěn)定混合料的最大干密度降低了8．7%，最佳含水量提高了30．3%。

圖4 級配4＃擊實試驗結(jié)果

圖5 級配5＃擊實試驗結(jié)果

（2）再生骨料類型、摻量對水泥穩(wěn)定混合料的密度、含水量均有一定的影響，隨著再生骨料摻量的增加，混合料最大干密度降低，最佳含水量增加。以10～20mm再生骨料為例，摻量為46%時，混合料最大干密度降低了13．4%，最佳含水量提高了119．9%（摻量28%），說明再生磚塊、砂漿及混凝土材料的摻入對混合料的最大干密度和最佳含水量影響較大，實體工程中應(yīng)嚴(yán)格控制各項技術(shù)參數(shù)，降低因混合料含水量增加而產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險。

3 水泥穩(wěn)定基層的力學(xué)強度

3．1 水泥用量的影響

表8描述了95%保證率下不同水泥用量（3．0%、3．5%、4．0%）再生水泥穩(wěn)定混合料的7d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。由表8可知以下幾點。

（1）水泥用量變化對7d無側(cè)限抗壓強度產(chǎn)生顯著影響，隨水泥摻量的增加，無側(cè)限抗壓強度值顯著提高，且其變異性呈下降趨勢。這說明水泥膠漿的增加提高了集料間的黏結(jié)作用，進而使強度值增大。以3＃級配為例，水泥用量在3．5%和4．0%時，無側(cè)限抗壓強度代表值分別提高了66．7%和85．7%，變異系數(shù)降低了42．1%和39．9%。

表8 不同水泥用量下無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

（2）水泥用量對混合料無側(cè)限抗壓強度的改善程度與再生骨料摻量存在一定關(guān)聯(lián)，摻加再生骨料的試件強度有所減小，且隨摻量的增加而加劇劣化。再生骨料用量超過一定值時，只單獨提高水泥用量并不能改善混合料的力學(xué)強度。對于4＃級配，水泥用量為4．0%時，強度代表值僅為2．7MPa，滿足二級及二級以下公路的重交通（2．0～4．0MPa）和中、輕交通（1．0～3．0MPa）底基層要求，而在高速公路和一級公路中不能采用。因此，對于再生骨料水泥穩(wěn)定基層，可通過稍微增加水泥用量彌補再生骨料原材料強度低的缺陷，但并不能單獨依靠增加水泥用量解決上述問題，需要結(jié)合再生骨料摻量、成型方法及碾壓施工工藝等技術(shù)參數(shù)綜合改善其力學(xué)性能［9－12］。

3．2 再生骨料摻量的影響

圖6、7顯示了再生骨料摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響。分析圖6、7可知以下幾點。

（1）再生骨料用量顯著影響混合料的力學(xué)強度，隨再生骨料摻量的增加，混合料強度值下降。再生骨料用量在28%、35%和46%時的無側(cè)限抗壓強度代表值分別為2．4、2．1、1．6MPa（水泥用量為3%）和3．8、3．9、2．7MPa（水泥用量為4%）。與天然骨料混合料強度相比，其強度代表值分別降低了40．0%、47．5%、60．0%（水泥用量為3%）和40．6%、39．1%、57．8%（水泥用量為4%）。這說明水泥用量的增加能夠改善再生骨料摻入對力學(xué)強度的劣化，這與上述分析結(jié)果一致。

圖6 水泥摻量變化對強度代表值的影響

（2）再生水泥穩(wěn)定混合料的強度弱化，主要與再生骨料的強度、紋理結(jié)構(gòu)等相關(guān)；同時，試件成型過程中再生骨料的破碎率及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷也高于天然骨料，從而對力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響［13］。因此，導(dǎo)致混合料無側(cè)限抗壓強度代表值顯著下降的根本原因在于廢棄磚塊、砂漿及混凝土塊的強度低于天然骨料。

（3）再生骨料替換天然骨料增加了混合料試驗結(jié)果的離散性，且隨摻量的增加，其變異系數(shù)也顯著提高，而水泥用量的增加能夠改善試驗結(jié)果的離散性。再生骨料摻量為46%時，變異系數(shù)提高了102．4%（與天然骨料相比）。這主要是因為：再生骨料含有磚塊、砂漿及混凝土等材料，且各自的強度并不一致，在混合料成型、拌合過程中提高了試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度的不均勻性，導(dǎo)致力學(xué)性能不穩(wěn)定；隨再生骨料摻量的增加，其材料組成的“團聚”現(xiàn)象更加明顯，水泥用量提高，增加了水泥漿漿體與骨料間的黏結(jié)力，而再生骨料對黏結(jié)力的貢獻處于次要地位［14］。

圖7 水泥摻量變化對變異系數(shù)的影響

3．3 再生骨料類型的影響

表9描述了摻加5～10mm再生骨料和10～20 mm再生骨料時7d無側(cè)限抗壓強度值分布情況。

表9 摻加不同再生集料的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

分析表9可知：采用5～10mm再生骨料（替代5～10mm天然骨料）的混合料無側(cè)限抗壓強度代表值優(yōu)于采用10～20mm再生骨料，其變異系數(shù)亦有所降低。這說明再生骨料的粒徑變化對混合料強度也存在一定的影響，替代較細(xì)的骨料能夠稍微減弱再生骨料對力學(xué)性能的影響。以5～10mm再生骨料為例，水泥用量在3．0%、3．5%和4．0%時，無側(cè)限抗壓強度代表值分別提高了29．2%、25．8%和23．7%，變異系數(shù)降低了－4．8%、9．4%和32．8%。

《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG／T F20—2015）提出水泥穩(wěn)定集料在極重或特重交通、重交通、中輕交通底基層的7d無側(cè)限抗壓強度代表值分別為3．0～5．0MPa、2．5～4．5MPa和2．0～4．0 MPa（高速公路和一級公路）。水泥用量在3．0%～4．0%范圍內(nèi)時，采用摻入5～10mm再生骨料的混合料7d無側(cè)限抗壓強度代表值均能滿足對底基層強度的最小要求。

4 結(jié) 語

（1）再生骨料的毛體積密度低于天然骨料，吸水率遠(yuǎn)高于天然骨料，再生骨料與天然骨料按一定比例混合后，其壓碎值得以合理控制，滿足規(guī)范要求；隨再生骨料用量的增加，混合料最大干密度呈下降趨勢，最佳含水量呈線性增加趨勢。

（2）隨水泥用量的增加，再生水泥穩(wěn)定基層混合料的7d無側(cè)限抗壓強度呈增加趨勢，水泥能夠改善再生骨料摻入對混合料性能劣化的影響；隨再生骨料摻量的增加，混合料強度值呈衰減趨勢，結(jié)果離散性增加。

（3）再生骨料粒徑變化對混合料的力學(xué)性能也存在顯著影響，采用5～10mm再生骨料的混合料7d無側(cè)限抗壓強度值遠(yuǎn)高于采用10～20mm再生骨料，其變異系數(shù)也顯著下降。水泥用量在3．0%～4．0%范圍內(nèi)時，采用5～10mm再生骨料的混合料7d無側(cè)限抗壓強度代表值均能滿足對底基層強度的最小要求。

（4）本文根據(jù)再生骨料原材料性能對再生水泥穩(wěn)定基層進行配合比設(shè)計，對再生骨料用量及類型變化的影響進行了常規(guī)性質(zhì)的試驗，對7d無側(cè)限抗壓強度結(jié)果進行了分析，從而完成了對建筑廢棄物再生骨料在基層應(yīng)用的前期摸索，但對再生骨料的強度形成機理、混合料綜合路用性能及耐久性能仍在進一步深入研究中。