水泥穩(wěn)定再生粗集料混凝土路用性能試驗研究

李 柱

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

截至2020年底，我國建筑垃圾已經(jīng)接近35億噸，約占廢棄物垃圾總量的30%，且呈逐年增長的趨勢。將建筑垃圾應(yīng)用于公路工程再生集料，能夠有效緩解環(huán)境污染、減少土地占用，具有節(jié)約礦石資源、可操作性強等優(yōu)點。因此，有必要對建筑垃圾再生材料進行研究。

近年來，圍繞建筑垃圾再生材料路用性問題，我國學(xué)者進行了大量研究，成果頗豐。樊星華等對磚混材料、磚石材料及素混凝土材料建筑垃圾的路用性進行了試驗研究，分析了水泥穩(wěn)定再生混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)[1]。鄧陳記等針對再生粗骨料變異性影響半剛性基層穩(wěn)定問題，以吸水率作為評價指標，對水泥穩(wěn)定再生材料進行評價[2]。陳鋒等針對再生集料混凝土的抗拉性能問題，通過劈裂試驗對水泥穩(wěn)定再生粗集料混凝土進行研究[3]。李致遠等通過抗壓強度試驗、劈裂試驗及剛度性能試驗對不同摻量及養(yǎng)護齡期的水泥穩(wěn)定再生粗集料混凝土進行了研究[4]。孫家瑛等通過室內(nèi)試驗，對再生集料對水泥穩(wěn)定碎石基層的影響機制進行了研究[5]。趙之仲等針對廢棄建筑垃圾回收再利用問題，對鈦石膏—礦渣對水泥穩(wěn)定磚混的影響進行了研究，分析了鈦石膏—礦渣漿液的強化作用機理[6]。王玥珩針對瀝青混凝土路面病害問題，采用幾種不同材料摻入泡沫瀝青混凝土中，分析了混合料的高溫穩(wěn)定性[7]。李鵬飛等同樣對泡沫瀝青冷再生混凝土病害問題進行了研究，分析了水泥摻量對混合料力學(xué)性質(zhì)的影響[8]。梁行行等為研究建筑垃圾再生集料混凝土的力學(xué)特性，對不同種類、不同級配的建筑垃圾的擊實特性及強度特性進行了試驗研究[9]。周盛樹等為研究再生集料混凝土物理力學(xué)性質(zhì)的影響因素，對不同比例水泥量及再生集料摻量下的混凝土進行了分析[10]。

綜上，已有較為豐富的關(guān)于建筑垃圾再生材料路用性的研究成果。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，以沈陽某廢棄建筑剃筋混凝土制備再生粗集料，置換公路基層水泥混凝土天然粗集料，分析水泥穩(wěn)定再生粗集料混凝土的路用性，為建筑垃圾再生粗集料在工程中實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗介紹

本文試驗用水泥產(chǎn)自阜新鷹牌水泥廠有限公司，型號為P·O42.5普通硅酸鹽水泥。技術(shù)參數(shù)包括：密度為2.714 g/cm3，標準稠度為0.63%，燒失量為2.6%，細度為5.1%，初凝時間為63 min，終凝時間為279 min，28 d抗壓強度為42 MPa。細集料為市面常見的天然河砂，表觀密度為1.472 g/cm3，壓碎值為36.52%；粗集料為石灰?guī)r，表觀密度為2.683 g/cm3，壓碎值為11.57%，粒徑范圍在5～10 mm之間。減水劑為普通水泥混凝土減水劑。標準水泥混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

為研究水泥穩(wěn)定再生粗集料混凝土的路用性，本文再生粗集料采用沈陽某廢棄建筑破碎后的純混凝土塊，經(jīng)篩分后得到粒徑范圍5～10 mm的再生粗集料(圖1)。將不同比例的再生粗集料摻入水泥混合料中以置換石灰?guī)r粗集料，置換率為0、25%、50%、75%和100%。養(yǎng)護齡期分別為7、14、21、28和70 d。

圖1 再生粗集料

根據(jù)表1水泥混凝土配合比，制備不同置換率的混凝土試樣，尺寸為高100 mm、直徑100 mm的圓柱體，分別進行無側(cè)限抗壓試驗、劈裂試驗和剛度性能試驗。

2 結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓試驗

對不同工況下再生粗集料混凝土試樣進行無側(cè)限抗壓試驗，結(jié)果見圖2。由圖2(a)可以看出，當養(yǎng)護齡期小于等于28 d時，隨著再生粗集料摻量的逐漸增加，試樣的無側(cè)限抗壓強度呈先減小后增大的變化趨勢；當養(yǎng)護齡期達到70 d時，試樣的無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期逐漸減小。根據(jù)試驗結(jié)果，以養(yǎng)護齡期28 d為例，當再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為0時，試樣的無側(cè)限抗壓強度為6.94 MPa；當再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為50%時，試樣的無側(cè)限抗壓強度為6.53 MPa，與質(zhì)量分數(shù)為0時相比，減少了約5.91%；當再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為100%時，試樣的無側(cè)限抗壓強度為6.78 MPa，與質(zhì)量分數(shù)為50%時相比，增加了約3.69%。產(chǎn)生前述現(xiàn)象的原因是：① 養(yǎng)護初期，水泥穩(wěn)定再生粗集料尚未完全膠結(jié)，強度尚未達到最佳狀態(tài)；② 廢棄建筑再生粗集料表面含有大量的活性物質(zhì)，與水泥接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成早期強度，且再生粗集料摻量越高，早期強度就會越大；③ 當養(yǎng)護齡期達到一定時間后(70 d)，水泥混凝土強化基本完成，由于石灰?guī)r粗集料的力學(xué)性質(zhì)強于再生粗集料，因此摻量越大，強度越低。

圖2 無側(cè)限抗壓強度分布曲線

由圖2(b)可以看出，不同再生粗集料摻量下，隨著養(yǎng)護齡期的逐漸延長，試樣的無側(cè)限抗壓強度均呈逐漸遞增變化趨勢，但曲線斜率在逐漸減小。根據(jù)試驗結(jié)果，以再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為50%為例，當養(yǎng)護齡期為7 d時，試樣的無側(cè)限抗壓強度為5.79 MPa；當養(yǎng)護齡期為28 d時，試樣的無側(cè)限抗壓強度為6.53 MPa，養(yǎng)護齡期7～28 d再生粗集料混凝土的日強度增長率約為3.52%；當養(yǎng)護齡期為70 d時，試樣的無側(cè)限抗壓強度為7.15 MPa，養(yǎng)護齡期28～70 d再生粗集料混凝土的日強度增長率約為1.48%，可見，試樣的無側(cè)限抗壓強度增長逐漸趨緩。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是，養(yǎng)護初期水泥混合料發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成了大量的鈣質(zhì)膠凝材料，將粗細集料之間相互膠結(jié)形成整體，導(dǎo)致早期強度提升較快，隨著養(yǎng)護時間的延長，混合料內(nèi)部能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料逐漸減少，導(dǎo)致強度提升逐漸趨緩。

2.2 劈裂強度

對不同工況下再生粗集料混凝土試樣進行劈裂試驗，結(jié)果見圖3。由圖3(a)可以看出，不同養(yǎng)護齡期下，隨著再生粗集料摻量的逐漸增加，試樣的劈裂強度均呈逐漸增大的變化趨勢。根據(jù)試驗結(jié)果，以養(yǎng)護齡期28 d為例，當再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為0時，試樣的劈裂強度為0.53 MPa；當再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為50%時，試樣的劈裂強度為0.62 MPa，與質(zhì)量分數(shù)為0相比增加了約16.98%；當再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為100%時，試樣的劈裂強度為0.67 MPa，與質(zhì)量分數(shù)為50%時相比增加了約8.06%。產(chǎn)生前述現(xiàn)象的原因是，在水凝混凝土劈裂試驗中，破壞裂縫首先發(fā)生在水泥—粗集料交界面，由于再生粗集料表面較為粗糙，孔隙較多，在與水泥拌和過程中，水泥能夠沿表面孔隙進入再生粗集料內(nèi)部，增強了水泥與集料之間的咬合力，進而使劈裂強度得到提升。

圖3 劈裂強度分布曲線

由圖3(b)可以看出，不同再生粗集料摻量下，隨著養(yǎng)護齡期的逐漸延長，試樣的劈裂強度均呈逐漸遞增的變化趨勢，但曲線斜率在逐漸減小。根據(jù)試驗結(jié)果，以再生粗集料質(zhì)量分數(shù)50%為例，當養(yǎng)護齡期為7 d時，試樣的劈裂強度為0.38 MPa；當養(yǎng)護齡期為28 d時，試樣的劈裂強度為0.53 MPa，養(yǎng)護齡期7～28 d再生粗集料混凝土的日劈裂強度增長率約為2.25%；當養(yǎng)護齡期為70 d時，試樣的劈裂強度為0.73 MPa，養(yǎng)護齡期28～70 d再生粗集料混凝土的日劈裂強度增長率為0.65%，可見，試樣的劈裂強度增長逐漸趨緩。原因同前。

2.3 回彈模量

對不同工況下再生粗集料混凝土試樣進行剛度性能試驗，結(jié)果見圖4。由圖4(a)可以看出，當養(yǎng)護齡期小于等于28 d時，隨著再生粗集料摻量的逐漸增加，試樣的回彈模量呈先減小后增大的變化趨勢；當養(yǎng)護齡期達到70 d時，試樣的回彈模量隨養(yǎng)護齡期逐漸減小。根據(jù)試驗結(jié)果，以養(yǎng)護齡期28 d為例，當再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為0時，試樣的回彈模量為1 401.2 MPa；當再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為50%時，試樣的回彈模量為1 307.5 MPa，與質(zhì)量分數(shù)為0時相比減少了約6.69%；當再生粗集料質(zhì)量分數(shù)為100%時，試樣的回彈模量為1 369.4 MPa，與質(zhì)量分數(shù)為50%時相比增加了約4.73%。原因同前。

圖4 回彈模量分布曲線

由圖4(b)可以看出，不同再生粗集料摻量下，隨著養(yǎng)護齡期的逐漸延長，試樣的回彈模量均呈逐漸遞增的變化趨勢，但曲線斜率在逐漸減小。根據(jù)試驗結(jié)果，以再生粗集料質(zhì)量分數(shù)50%為例，當養(yǎng)護齡期為7 d時，試樣的回彈模量為1 008.5 MPa；當養(yǎng)護齡期為28 d時，試樣的回彈模量為1 307.2 MPa，養(yǎng)護齡期7～28 d再生粗集料混凝土的日回彈模量增長率約為1.48%；當養(yǎng)護齡期為70 d時，試樣的回彈模量為1 502.7 MPa，養(yǎng)護齡期28～70 d再生粗集料混凝土的日回彈模量增長率約為0.36%，可見，試樣的回彈模量增長逐漸趨緩。原因同前。

3 結(jié)論

(1)養(yǎng)護齡期小于等于28 d時，隨著再生粗集料摻量的逐漸增加，試樣的無側(cè)限抗壓強度呈先減后增趨勢；當養(yǎng)護齡期達到70 d時，試樣的無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期逐漸減小。隨著養(yǎng)護齡期的逐漸延長，水泥穩(wěn)定再生粗集料混凝土的無側(cè)限抗壓強度均呈逐漸遞增變化趨勢，但曲線斜率在逐漸減小。

(2)隨著再生粗集料摻量的逐漸增加，試樣的劈裂強度呈逐漸增大的變化趨勢。隨著養(yǎng)護齡期的逐漸延長，水泥穩(wěn)定再生粗集料混凝土的劈裂強度均呈逐漸遞增的變化趨勢，但曲線斜率在逐漸減小。

(3)養(yǎng)護齡期小于等于28 d時，隨著再生粗集料摻量的逐漸增加，試樣的回彈模量呈先減后增趨勢；當養(yǎng)護齡期達到70 d時，試樣的回彈模量隨養(yǎng)護齡期逐漸減小。隨著養(yǎng)護齡期的逐漸延長，水泥穩(wěn)定再生粗集料混凝土的回彈模量均呈逐漸遞增變化趨勢，但曲線斜率在逐漸減小。