水泥穩(wěn)定再生混合集料強(qiáng)度的影響因素研究

周盛樹，黃建甌，黃海濱

(1.莆田學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2. 福建省高速公路集團(tuán)有限公司，福建 福州 350000)

建筑垃圾大量產(chǎn)生，它們的視覺影響往往很大，因?yàn)樗鼈冋加么罅康目臻g，而且存放這些固廢的土地十分有限[1]。如果將建筑廢棄物統(tǒng)一收集并堆放在露天場(chǎng)地中，可能會(huì)占用大量的土地，污染城市環(huán)境；另外，建筑廢棄物如果通過地下掩埋的方式處理，掩埋則會(huì)對(duì)地下水資源、土壤和大氣造成影響。近年來，隨著基礎(chǔ)設(shè)施基建項(xiàng)目的增多，公路鐵路等道路建設(shè)對(duì)砂石材料等天然骨料的需求增加，長(zhǎng)期的開采造成了資源的枯竭。因此，如何妥善處理和利用這些建筑廢棄物，是亟需解決的問題。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)建筑廢棄物的再利用率非常低，發(fā)達(dá)國(guó)家早已著手研究建筑廢棄物的循環(huán)再生利用問題，并將其作為一種新型資源。在建筑垃圾中，存在著大量可以再生利用的固體廢棄物，如混凝土塊、廢磚、碎石、渣土、金屬等。除了回填建筑物外，將廢棄的混凝土塊或粘土磚塊，經(jīng)過碾碎、清洗、篩分等處理后制成再生集料，可用于制備混凝土、道路基層材料等。水泥穩(wěn)定再生集料基層屬于半剛性基層，使用水泥處理的主要優(yōu)點(diǎn)是改善道路材料的和易性，增加混合物的強(qiáng)度，提高耐久性以及增加荷載擴(kuò)散能力[2]。

目前，使用再生集料應(yīng)用于公路工程施工的研究成果較多。Behiry[3]研究了水泥穩(wěn)定再生混凝土(recycled concrete aggregate，RCA)用于路面基層的效果，隨著RCA含量的增加，彎拉強(qiáng)度明顯降低，且與天然集料相比，水泥穩(wěn)定RCA的抗拉強(qiáng)度約為前者的70%。國(guó)外有學(xué)者進(jìn)行了試驗(yàn)路段的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，Agrela等[4]研究表明水泥穩(wěn)定再生混凝土表現(xiàn)出足夠的抗壓強(qiáng)度、沖擊荷載下較低的撓度和堅(jiān)固性，各項(xiàng)力學(xué)性能良好，有力證明了用于建造道路底基層和基層的可行性。

胡力群等[5]評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定再生粘土磚用于路面底基層的效果，與天然碎石相比，穩(wěn)定再生材料具有較低的最大干密度和較高的最佳含水量，而且隨著摻量的增加，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、劈裂強(qiáng)度以及抗凍性能均降低。趙連地[6]研究了水泥穩(wěn)定磚混類再生骨料(CSRA)制作的半剛性基層，在濟(jì)南市某段二級(jí)公路上鋪筑700 m的試驗(yàn)路段，瀝青路面結(jié)構(gòu)如下：4 cmAC-13+6 cm AC-16+18 cm 5%CSRA基層+18 cm 4%CSRA底基層+20 cm級(jí)配再生骨料墊層。

全過程跟蹤檢測(cè)結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定材料各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足二級(jí)及以下等級(jí)公路基層施工要求，建議大面積推廣應(yīng)用。李萬舉等[7]認(rèn)為水泥穩(wěn)定混凝土類再生材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度能滿足高等級(jí)公路的要求，其抗凍性能、抗彎拉性能優(yōu)良，具有良好的工作性能。

盡管大量研究人員考慮使用水泥、石灰、高爐渣或者瀝青穩(wěn)定再生建筑廢料，在實(shí)踐中針對(duì)再生混凝土的研究較多，但對(duì)水泥穩(wěn)定其他混合再生材料的探索則相對(duì)較少。因此，本文嘗試制備廢舊混凝土和粘土磚的再生混合集料，以水泥作為穩(wěn)定膠結(jié)料，設(shè)計(jì)不同的影響因素分析水泥穩(wěn)定再生混合集料的力學(xué)性能，為今后在公路工程中的應(yīng)用提供參考。

1 原材料

本文研究使用的粗集料包括天然輝綠巖碎石，用NA表示；建筑固體廢料中混凝土以及粘土碎磚經(jīng)顎式破碎機(jī)加工并篩分制備的混合再生集料，用RA表示。與NA相比，RA是一種粗糙、多孔和不規(guī)則的再生材料，篩分后其規(guī)格為0～5 mm、5～15 mm 和15～25 mm。針對(duì)5～25 mm規(guī)格的粗集料和0～5 mm細(xì)集料，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)試驗(yàn)方法檢測(cè)集料相關(guān)物理性質(zhì)，包括粗細(xì)集料的表觀密度、吸水率，粗集料的壓碎值、針片狀顆粒含量等質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)，其檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 天然集料與再生集料的物理指標(biāo)

由表1可以看出，天然碎石的平均密度大于再生集料的平均密度，這主要是因?yàn)樵偕炷帘砻娓街芏容^小的砂漿導(dǎo)致。然而，天然碎石的平均吸水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于再生集料的吸水率，之所以呈現(xiàn)這樣的差異，歸因于磚塊和砂漿的孔隙率和比表面積較大，導(dǎo)致吸水性更強(qiáng)。

值得注意的是，對(duì)于針片狀顆粒含量這一指標(biāo)而言，再生集料要小于天然碎石。總的來說，再生集料因其來源特性差異很大，經(jīng)機(jī)械設(shè)備破碎后內(nèi)部微觀裂紋較多，因此表現(xiàn)出表觀密度小、孔隙率高、吸水率大、壓碎值大的特點(diǎn)；與天然粗集料的物理性質(zhì)相比，再生集料的針片狀指數(shù)和顆粒形狀相對(duì)較好，而且均滿足規(guī)范中二級(jí)以二級(jí)以下公路的相關(guān)要求。

本文采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥作為無機(jī)結(jié)合料，在對(duì)水泥材料技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)時(shí)，需要保證水泥的初凝時(shí)間要求 > 180 min，終凝時(shí)間要求 > 360 min，細(xì)度要求 < 10%，28 d抗壓強(qiáng)度需要達(dá)到32.5 MPa及以上，28 d抗折強(qiáng)度需要達(dá)到5.5 MPa及以上。

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度性能主要取決于骨料顆粒相互間的嵌擠和鎖結(jié)作用，具體地說，與混合料的內(nèi)摩擦角與內(nèi)粘聚力有關(guān)，而且強(qiáng)度也受膠結(jié)材料的類型和用量、骨料的摻量、水灰比、養(yǎng)護(hù)齡期以及養(yǎng)護(hù)環(huán)境等眾多因素的影響。

2.1 試驗(yàn)方法

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)的規(guī)定，選擇重型擊實(shí)法進(jìn)行混合料擊實(shí)試驗(yàn)，由于集料的公稱最大粒徑為26.5 mm，使用的擊實(shí)筒內(nèi)徑為152 mm，高為170 mm，錘的質(zhì)量為4.5 kg，落高為45 cm，錘擊層數(shù)分為3層，每層錘擊資料為98次。試驗(yàn)時(shí)，試料預(yù)定5個(gè)不同的含水量，依次相差1%，分別測(cè)定混合料的干密度。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以干密度為縱坐標(biāo)，含水量為橫坐標(biāo)，繪制含水量-干密度散點(diǎn)圖。然后，使用二次多項(xiàng)式方法生成擬合曲線，找出凸形曲線的峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的含水量及干密度數(shù)值就是最佳含水量和最大干密度。各種混合料試樣均至少做四組，然后取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定碎石的主要技術(shù)指標(biāo)，其大小直接決定了路面基層的承載能力。按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)中的規(guī)定，采用T0805-1994的方法進(jìn)行混合料強(qiáng)度試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)試件為徑高比1:1的圓柱形，其尺寸為Φ150 mm×150 mm。在最佳含水率、97%的最大干密度條件下成型試件，從試模內(nèi)脫出后裝進(jìn)塑料袋包好放入養(yǎng)護(hù)室。采用的養(yǎng)生濕度為≥95%，溫度為20 ℃±2 ℃。分別準(zhǔn)備不同的試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的齡期通常為7 d，在養(yǎng)生期的最后一天將試件取出并浸泡于20 ℃±2 ℃中，水面在試件頂上約2.5 cm。試件養(yǎng)生齡期結(jié)束后取出，在萬能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

式中：Rc表示試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，單位為MPa，保留2位小數(shù)；P表示試件破壞時(shí)的最大壓力，單位為N；D表示試件的平均直徑，單位為mm。

2.2 水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定混合料強(qiáng)度的影響

為了研究水泥劑量對(duì)混合料力學(xué)性能的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)要求制備多組配合比的混合料，水泥劑量分別為4%，5%，6%和7%，各組均采用相同級(jí)配的再生集料。

參照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F20-2015)中，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石或礫石用于高速公路和一級(jí)公路基層、底基層推薦級(jí)配范圍(C-B-1)確定再生集料的級(jí)配，如表2所示。

表2 再生集料級(jí)配

各組混合料的最大干密度和最佳含水率指標(biāo)見表3，水泥劑量對(duì)混合料強(qiáng)度的影響如圖1所示。

表3 擊實(shí)試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，水泥結(jié)合料的劑量對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料的擊實(shí)特性產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)再生集料級(jí)配相同條件下，隨著水泥劑量不斷地增加，混合料的最佳含水率和最大干密度都將不同程度地提高。如果以水泥劑量為4%時(shí)的指標(biāo)為基準(zhǔn)，當(dāng)結(jié)合料每增加1%，其最佳含水率平均增加0.6%，最大干密度平均增加1.15%；但是，這種增加的幅度逐漸減小，可以預(yù)測(cè)當(dāng)結(jié)合料含量超過7%時(shí)，這種影響將趨于平緩。

圖1 水泥劑量對(duì)混合料強(qiáng)度的影響

從圖1發(fā)現(xiàn)，以水泥劑量為自變量，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為因變量，采用最小二乘法擬合，易知水泥穩(wěn)定再生集料的強(qiáng)度隨著水泥含量的增大而增大，這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)論一致。這一現(xiàn)象的形成機(jī)理是：再生集料的表面孔隙和微小裂隙較多，而水泥作為膠結(jié)穩(wěn)定材料，通過水化反應(yīng)可以很好地發(fā)揮膠結(jié)效果，不僅可以一定程度修復(fù)微觀孔隙，而且可以將集料緊緊膠結(jié)在一起，提高成型以后材料的密實(shí)度。需要注意的是，雖然混合料強(qiáng)度隨著水泥用量的增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，假如水泥用量超過必需的用量將產(chǎn)生負(fù)面的后果，比如影響水泥穩(wěn)定混合料的抗裂性和抗沖刷性能。

2.3 再生集料摻配比例對(duì)水泥穩(wěn)定混合料強(qiáng)度的影響

為了研究再生集料的摻配比例對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料性能的影響程度，本文設(shè)計(jì)了5組不同摻配率的級(jí)配組合：A組摻配率為0，即全部天然碎石材料，作為基本參照組；B組采用75%NA+25%RA，C組采用50%NA+50%RA，D組采用25%NA+75%RA，E組采用100%RA，各組的水泥劑量分別為5%、6%，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 再生集料比例對(duì)混合料強(qiáng)度的影響

易知，當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)最高的是B組，達(dá)到5.13 MPa，而最低是的E組，強(qiáng)度指標(biāo)為3.90 MPa；當(dāng)為6%的劑量時(shí)，B組強(qiáng)度是所有級(jí)配組合中最高的，達(dá)到5.64 MPa，最低的仍然是E組，僅4.25 MPa。C組的指標(biāo)值較接近于A組，也就是說再生集料的摻配比例為50%時(shí)，其強(qiáng)度指標(biāo)與水泥穩(wěn)定天然石料的幾乎相同；D組的指標(biāo)值小于A組，說明再生集料超過50%后，強(qiáng)度逐漸降低，100%的再生集料強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如混合材料。因此，可以得到結(jié)論：在水泥劑量相同的條件下，水泥穩(wěn)定混合料的強(qiáng)度與再生集料的摻配比例有關(guān)系，其呈現(xiàn)的規(guī)律為：隨著再生集料含量的增大，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后降低。

與規(guī)范中的要求比較，當(dāng)水泥穩(wěn)定材料基層作為二級(jí)及二級(jí)以下公路路面基層時(shí)，極重、特重交通要求7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足4.0～6.0 MPa，重交通為3.0～5.0 MPa。所以，除了再生集料為100%時(shí)不滿足，其他組合均能滿足。

2.4 養(yǎng)生時(shí)間對(duì)水泥穩(wěn)定混合料強(qiáng)度的影響

除了水泥含量、再生集料的摻配比例，養(yǎng)生時(shí)間也是影響水泥穩(wěn)定再生集料強(qiáng)度的重要因素。由前文可知，當(dāng)水泥劑量為6%時(shí)，再生集料比例在25%～50%范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定再生集料具有較好的強(qiáng)度。因此，設(shè)計(jì)準(zhǔn)備75%NA+25%RA和50%NA+50%RA兩種配比的試件，分別在7 d，14 d，21 d，28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期的條件下，混合料試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同養(yǎng)生齡期強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 養(yǎng)生齡期對(duì)混合料強(qiáng)度的影響

由表4可以發(fā)現(xiàn)：在7 d的養(yǎng)生周期內(nèi)，水泥穩(wěn)定材料的平均強(qiáng)度值最低，28 d的養(yǎng)護(hù)期可使水泥穩(wěn)定混合料的平均強(qiáng)度值增加。因此，水泥穩(wěn)定再生集料的強(qiáng)度隨著齡期增加而不同程度的提高，但二者呈現(xiàn)非線性的正相關(guān)關(guān)系。如果以養(yǎng)生齡期為自變量，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為因變量，采用對(duì)數(shù)函數(shù)模型進(jìn)行擬合得到混合料的齡期-強(qiáng)度關(guān)系模型，如圖3所示。在0～7 d的齡期內(nèi)，水泥迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成大量的硅酸鈣膠凝材料，混合料的強(qiáng)度基本形成；在7～21 d的齡期內(nèi)，強(qiáng)度增長(zhǎng)的速率趨于緩慢，在21～28 d的時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)度增長(zhǎng)的幅度已經(jīng)很小，表明混合料的強(qiáng)度已經(jīng)確立，可以正常發(fā)揮半剛性基層的作用。

3 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)分析水泥劑量、再生集料的摻配比例以及養(yǎng)生時(shí)間對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料強(qiáng)度的影響，可以得到以下結(jié)論：

1)水泥結(jié)合料的劑量對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料的擊實(shí)特性有影響，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥劑量的增加而提高。水泥用量宜控制在5%～6%，過多可能存在混合料的抗裂性變差的風(fēng)險(xiǎn)。

2)當(dāng)再生集料的摻配比例為25%時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的強(qiáng)度指標(biāo)超過了水泥穩(wěn)定天然石料；當(dāng)再生集料的摻配比例為50%時(shí)，其強(qiáng)度指標(biāo)與天然石料的幾乎相同，進(jìn)而可以考慮再生集料的摻配比例控制在25%～50%。

3)養(yǎng)生齡期對(duì)水泥穩(wěn)定材料的強(qiáng)度有明顯的影響，在養(yǎng)生7 d后，混合料的強(qiáng)度基本形成；在7～28 d的時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)度仍然有不同程度的增高，28 d后可以正常發(fā)揮其強(qiáng)度性能。因此，水泥穩(wěn)定再生集料作為道路基層或底基層時(shí)，養(yǎng)生齡期宜至少28 d。