含磚粉碎料水泥穩(wěn)定再生集料的力學性能

周芬，張力，杜運興

（湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

城市改造的過程中會產生大量的建筑垃圾，這些建筑垃圾隨意堆放不僅會占用大量的土地，還會對環(huán)境造成污染[1].解決建筑垃圾危害的根本途徑是對建筑垃圾進行處理使其資源化.由于建筑垃圾成分復雜，各類成分資源化的用途也不相同，實現建筑垃圾資源化的前提是對各成分進行分離.建筑垃圾中的金屬、木材、管線較容易實現分離，而建筑垃圾中含量最多的混凝土和砌體較難分離.目前雖有技術可實現砌體和混凝土的分離[2]，但效率低、成本高，這樣的技術難以推廣.因此，高效利用混凝土和砌體混合料對于實現建筑垃圾資源化有重要的意義.目前，許多學者對于這種材料粉碎料的應用進行了卓有成效的研究.其中，將混凝土、砌體混合粉碎料用于道路中的水泥穩(wěn)定碎石是一種可行、合理資源化的途徑.

水泥穩(wěn)定碎石是一種半剛性基層，它可以有效地承擔和傳遞上部路面荷載，該基層在道路結構中被廣泛應用[3].Xuan等[4]將建筑垃圾作為集料應用于水泥穩(wěn)定碎石，并研究了各混合變量對水泥穩(wěn)定碎石的影響，認為建筑垃圾作為水泥穩(wěn)定碎石基層可以獲得良好的力學性能.Hou等[5]將磚粉碎料與天然集料混合用于水泥穩(wěn)定碎石并進行了研究，結果表明磚粉碎料可以用于水泥穩(wěn)定碎石中.Bassani等[6]比較了水泥窯灰穩(wěn)定再生集料和普通水泥穩(wěn)定再生集料的性能，結果表明，水泥窯灰穩(wěn)定再生集料的強度和剛度得到了提高，可完全用于水泥穩(wěn)定基層.孫家瑛等[7]將再生混凝土集料應用于水泥穩(wěn)定基層，試驗結果表明水泥穩(wěn)定再生混凝土集料的各項性能均可達到規(guī)范要求.曾夢瀾[8]和肖杰等[9]用磚混混合再生集料代替天然集料，胡立群等[10]用廢棄磚塊分別代替天然的粗、細集料，測試了再生集料用作水泥穩(wěn)定基層的路用性能，研究結果表明再生集料用于道路基層是可行的.由于再生集料中含有磚粉碎料，磚粉碎料的強度一般低于混凝土粉碎料，這樣的再生集料應用于水泥穩(wěn)定碎石基層無疑影響其力學性能，而目前國內外也缺乏磚粉碎料的摻量對水泥穩(wěn)定再生集料性能影響的研究.

本文通過試驗研究磚粉碎料摻量、水泥含量和養(yǎng)護齡期對水泥穩(wěn)定再生集料力學性能的影響，為含磚粉碎料的再生集料應用于道路基層提供數據支撐.

表1 再生集料物理性能Tab.1 Physical properties of recycled aggregates

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗采用的再生集料分別是磚粉碎料和混凝土粉碎料.水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥.采用《公路工程集料試驗規(guī)程》[11]（JTG E42—2005）所示方法測試了兩種再生集料的物理性能，如表1所示.兩種再生集料均滿足《道路用建筑垃圾再生骨料無機混合料》[12]（JC/T 2281—2014）中Ⅱ類集料性能指標要求.從表1可以看出，磚粉碎料粗集料（4.75 mm～31.5 mm）和細集料（0～4.75 mm）的表觀密度均小于混凝土粉碎料，磚粉碎料的吸水率是混凝土粉碎料的2.17倍，主要是由于磚粉碎料的表面具有比混凝土粉碎料更多的孔隙.磚粉碎料的壓碎值和磨耗值均大于混凝土粉碎料表明磚粉碎料的強度低于混凝土粉碎料，但是兩種集料的物理性能均符合規(guī)范要求.因此，兩種再生集料可以作為水泥穩(wěn)定碎石的材料.

1.2 混合料設計

本次試驗研究了3個變量對含磚粉碎料水泥穩(wěn)定再生集料力學性能的影響規(guī)律，3個變量分別為：水泥含量、磚粉碎料摻量和養(yǎng)護齡期.磚粉碎料摻量是指磚粉碎料質量占再生集料總質量的百分比，試驗工況中磚粉碎料摻量分別為0%、25%、50%、75%和100%.水泥含量是指水泥質量占再生集料總質量的百分比.水泥穩(wěn)定碎石基層中，水泥含量一般不超過6%.試驗工況中水泥含量分別為4%、5%和6%.在標準養(yǎng)護條件下，試件分別養(yǎng)護7 d、28 d和90 d.

1.3 試件制備

按照《道路用建筑垃圾再生骨料無機混合料》（JC/T 2281—2014）推薦的級配中值配制再生集料的級配，見表2所示.采用《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）[13]的 T 0843-2009方法制作試件，根據試件的最大干密度和最佳含水量計算各工況的集料質量.根據計算結果將兩種再生集料按照預定比例配制成混合集料，加入預定水量燜料4 h，使混合集料充分吸收水分.燜料完成后加入預定水泥，拌和至均勻狀態(tài)，分三層放入直徑為150 mm的試筒中，每層均勻插搗，采用靜壓成型方法將試件制作成直徑為150 mm，高為150 mm的圓柱形試件，試件成型后養(yǎng)護6 h脫模，放入標準養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護至指定齡期后測試其力學性能.

表2 再生集料對應篩孔尺寸通過率Tab.2 Passing rate of recycled aggregates corresponding to different sieve sizes %

2 試驗結果與討論

2.1 擊實特性

圖1為水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度和最佳含水量與磚粉碎料摻量的關系，每組擊實試驗的試件數量為2個.由圖1（a）可知，水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度隨著磚粉碎料摻量的增加而減小，隨著水泥含量的增加而增大.對于各水泥含量工況，100%磚粉碎料摻量的水泥穩(wěn)定再生集料對應的最大干密度比0%磚粉碎料摻量對應的最大干密度下降了9.6%～10.7%.磚粉碎料的孔隙較多，其表觀密度比混凝土粉碎料小是導致水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度隨著磚粉碎料摻量的增加而減小的主要原因.水泥含量的增加產生了更多的水化產物，增強了集料界面之間的黏結，減小了集料之間的孔隙，從而增大了其最大干密度.

由圖1（b）可知，對于各水泥含量工況，100%磚粉碎料摻量的水泥穩(wěn)定再生集料對應的最佳含水量是0%磚粉碎料摻量對應的1.35～1.39倍，主要原因是磚粉碎料的吸水率大于混凝土粉碎料.隨著水泥含量的增加，水泥穩(wěn)定再生集料的最佳含水量基本不變.主要是由于在擊實過程中，由于再生集料強度低而發(fā)生了破碎，再生集料孔隙中的自由水會參與水泥水化作用.

2.2 無側限抗壓強度

圖 2（a）為水泥穩(wěn)定再生集料 7 d、28 d、90 d 的無側限抗壓強度試驗結果，每組無側限抗壓強度試驗的試件數量為13個.水泥穩(wěn)定再生集料的無側限抗壓強度隨著磚粉碎料摻量的增加而減小，隨著水泥含量的增加而增大.從兩種再生集料的壓碎值和磨耗值可以看出，磚粉碎料的強度低于混凝土粉碎料，在水泥穩(wěn)定再生集料受壓時，磚粉碎料比混凝土粉碎料更容易發(fā)生破壞，因此隨著磚粉碎料摻量的增加，水泥穩(wěn)定再生集料的無側限抗壓強度會隨之降低.水泥含量的增加增強了水泥水化物的強度，在受壓時能夠更好地承擔和分散集料之間的作用力，因此隨著水泥含量的增加，無側限抗壓強度隨之增加.

在不同齡期下考慮水泥含量和磚粉碎料摻量對水泥穩(wěn)定再生集料無側限抗壓強度的影響，對其進行回歸擬合，得出如下計算公式：

式中：Rc7、Rc28、Rc90表示 7 d、28 d、90 d 無側限抗壓強度，MPa；C表示水泥含量；B表示磚粉碎料摻量.圖2（b）為無側限抗壓強度試驗值與理論值之間的比較圖.

圖2 無側限抗壓強度試驗結果Fig.2 Result of unconfined compressive strength

對比7 d、28 d強度計算公式中水泥含量和磚粉碎料摻量對應的系數可知，水泥含量的系數變化大于磚粉碎料摻量系數變化，表明此時水泥水化所產生的強度是水泥穩(wěn)定再生集料前期強度增加的主要因素；對比28 d和90 d強度計算公式中水泥含量和磚粉碎料摻量對應的系數可知，磚粉碎料摻量的系數變化大于水泥含量系數變化，表明養(yǎng)護后期水泥穩(wěn)定再生集料抗壓強度主要受磚粉碎料摻量的影響.

根據《公路瀝青路面設計規(guī)范》[14]（JTG D50—2017）規(guī)定，水泥穩(wěn)定再生集料的最低強度滿足二級公路中等、輕交通基層對應的7 d無側限抗壓強度要求.

2.3 劈裂強度

劈裂強度方法采用《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）的 T 0806—1994方法，劈裂試件為直徑150 mm、高150 mm的圓柱形試件，每組劈裂強度試驗的試件數量為13個.圖3（a）為水泥穩(wěn)定再生集料7 d、28 d、90 d的劈裂強度試驗結果.結果表明，100%磚粉碎料摻量對應的水泥穩(wěn)定再生集料90 d劈裂強度比0%磚粉碎料摻量對應的水泥穩(wěn)定再生集料90 d劈裂強度減小了15.2%～17.5%；水泥含量為6%時的水泥穩(wěn)定再生集料90 d劈裂強度比水泥含量為4%時增加了21.3%～28.3%.

對于不同齡期，分析水泥含量和磚粉碎料摻量對水泥穩(wěn)定再生集料劈裂強度的影響，針對這些因素進行回歸擬合，得出如下計算公式：

式中：Ri7、Ri28、Ri90分別表示 7 d、28 d、90 d 劈裂強度，MPa.圖3（b）為劈裂強度試驗值與理論值之間的比較圖.

對比7 d和28 d劈裂強度計算公式中水泥含量和磚粉碎料摻量對應的系數，可以得到：養(yǎng)護前期，水泥穩(wěn)定再生集料的劈裂強度主要受水泥水化后產生的強度和集料強度兩者共同影響；對比28 d和90 d劈裂強度可以得到：在養(yǎng)護后期，水泥含量和磚粉碎料摻量對水泥穩(wěn)定再生集料的劈裂影響都會減弱.劈裂破壞反映的是拉伸破壞，在劈裂試驗期間，裂縫發(fā)展于集料界面之間，由于再生細集料具有一定活性，在一定程度上提升了界面之間的黏結能力.而且，再生粗集料含有的孔隙率多，在拌和過程中，水泥漿能夠更容易進入到再生粗集料的孔隙中.因此，此時除了集料自身強度性能外，集料與集料之間的強度也是影響其劈裂強度的主要因素.

圖3劈裂強度試驗結果Fig.3 Result of splitting strength tests

圖4 為不同磚粉碎料摻量對應的劈裂試驗破壞模式.當磚粉碎料摻量為0%時，裂縫發(fā)展大部分發(fā)生在集料界面與界面之間，而隨著磚粉碎料摻量的增加，由于磚粉碎料強度較低，磚粉碎料為水泥穩(wěn)定再生集料的薄弱環(huán)節(jié)，裂縫發(fā)展于磚粉碎料內部.可以看出，隨著磚粉碎料摻量的增加，水泥穩(wěn)定再生集料更多的沿著磚粉碎料內部破壞.

圖4不同磚粉碎料摻量劈裂試驗破壞模式Fig.4 Failure behaviour of splitting strength tests for different brick content

2.4 抗壓回彈模量

圖5 （a）所示為水泥穩(wěn)定再生集料7 d、28 d和90 d的抗壓回彈模量試驗結果，每組抗壓回彈模量試驗的試件數量為15個.結果表明，100%磚粉碎料摻量對應的水泥穩(wěn)定再生集料90 d抗壓回彈模量比0%磚粉碎料摻量對應的水泥穩(wěn)定再生集料90 d抗壓回彈模量減小了35.8%～46.1%，6%水泥含量對應的水泥穩(wěn)定再生集料90 d抗壓回彈模量比4%水泥含量對應的水泥穩(wěn)定再生集料90 d抗壓回彈模量增大了9.8%～34.6%.由于磚粉碎料的孔隙大于混凝土粉碎料，在水泥穩(wěn)定再生集料承受的力相同時，磚粉碎料產生的變形量大于混凝土粉碎料，因此水泥穩(wěn)定再生集料的抗壓回彈模量會隨著磚粉碎料摻量的增加而減小.

針對不同齡期研究水泥含量和磚粉碎料摻量對水泥穩(wěn)定再生集料抗壓回彈模量的影響，對這兩個因素回歸擬合，得出如下計算公式：

式中：Ec7、Ec28、Ec90分別表示 7 d、28 d、90 d 抗壓回彈模量，MPa.圖5（b）為抗壓回彈模量試驗值與理論值之間的比較圖.

對比計算公式中7 d和28 d抗壓回彈模量水泥含量和磚粉碎料摻量對應的系數，可以得到：在養(yǎng)護前期，與劈裂強度趨勢相同，水泥含量和磚粉碎料摻量都是水泥穩(wěn)定再生集料抗壓回彈模量變化的主要影響因素；對比28 d和90 d抗壓回彈模量可以得到：在養(yǎng)護后期，水泥含量的影響降低，是由于水泥水化基本完成，回彈模量主要由集料決定.

圖5 抗壓回彈模量試驗結果Fig.5 Result of compressive resilient modulus

2.5 抗凍性能

水泥穩(wěn)定碎石的抗凍性能采用抗凍指數進行評價.抗凍性指標是指經n次凍融循環(huán)后試件的抗壓強度與對比試件的抗壓強度的比值.根據《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，將水泥穩(wěn)定再生集料在標準條件下養(yǎng)護28 d，在養(yǎng)護的最后1 d浸水24 h后放入高低溫交變溫熱箱中，在-18℃的條件下放置16 h，然后放入20℃的水中8 h，如此循環(huán)5次，每組凍融試驗的試件數量為18個.凍融全部結束后測試同批次試件凍融前抗壓強度，得到水泥穩(wěn)定再生集料的抗凍指數.根據測試結果，本文研究的水泥穩(wěn)定再生集料抗凍指數與磚粉碎料摻量的關系如圖6所示.

圖6 抗凍融試驗結果Fig.6 Result of anti-freeze-thaw tests

由圖6可知，水泥穩(wěn)定再生集料的抗凍性能隨著磚粉碎料摻量的增加而降低，隨著水泥含量的增加而增強.當水泥含量增加時，水泥穩(wěn)定再生集料的抗凍指數的下降幅度逐漸減少，說明磚粉碎料摻量對水泥穩(wěn)定再生集料抗凍性能的影響隨著水泥含量的增加而減小.

當再生集料吸水后，在低溫條件下孔隙中的自由水會由于凍脹而對集料產生附加內應力.凍融條件下，所產生的附加內應力會對集料產生反復的擠壓，最終使集料發(fā)生破壞而降低了集料強度，從而使水泥穩(wěn)定再生集料的強度發(fā)生下降.

磚粉碎料的吸水率大，孔隙較多.隨著磚粉碎料摻量的增加，其內部由于水凍脹產生的附加內應力對低強度的磚粉碎料產生更大的破壞.破壞后的磚粉碎料一部分會隨著融化之后的水流失，造成孔隙進一步增加，從而導致了水泥穩(wěn)定再生集料抗凍性能的下降，所以其抗凍指數也會隨之下降.而隨著水泥含量的增加，水泥水化增加了界面之間的強度，減少了試件界面之間的空隙，因此抗凍指數會隨之增大.

3 結論

本文以磚粉碎料和混凝土粉碎料為原料，研究了水泥含量、磚粉碎料摻量和養(yǎng)護齡期對含磚粉碎料的水泥穩(wěn)定再生集料的影響，主要結論如下：

1）磚粉碎料摻量的增加和水泥含量的減少均導致了水泥穩(wěn)定再生集料最大干密度的減小.當水泥含量相同時，隨著磚粉碎料摻量從0%增加至100%，水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度下降了9.6%～10.72%.

2）磚粉碎料摻量的增加導致了水泥穩(wěn)定再生集料最佳含水量的增大.在水泥含量相同時，磚粉碎料摻量為100%時的水泥穩(wěn)定再生集料最佳含水量是磚粉碎料摻量為0%時的1.35～1.39倍；而隨著水泥含量的增加其最佳含水量基本不變.

3）各齡期水泥穩(wěn)定再生集料的無側限抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量都隨著磚粉碎料摻量的增加而降低，隨著水泥含量的增加而增加.

4）水泥含量增加時，磚粉碎料對水泥穩(wěn)定再生集料抗凍性能的影響減小.

5）在考慮水泥含量和磚粉碎料摻量的條件下，建立了7 d、28 d和90 d水泥穩(wěn)定再生集料無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量的計算公式.