水泥穩(wěn)定廢磚集料的強(qiáng)度特性研究

俞方英

（杭州市城市建設(shè)科學(xué)研究院，浙江 杭州310003）

0 引言

中國(guó)正處于建設(shè)高峰期，每年會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾。隨著中國(guó)未來高速發(fā)展的城鎮(zhèn)化及城市建設(shè)，在未來50 年內(nèi)這個(gè)比例可能會(huì)進(jìn)一步提高。另外，地震等自然災(zāi)害不僅造成了人員傷亡和家園破壞，而且會(huì)產(chǎn)生大量的建筑廢棄物。建筑廢棄物的簡(jiǎn)單填埋，不僅占用了大量土地，而且還造成了環(huán)境污染[1]。廢磚是建筑垃圾的主要成分，除了具備一定的強(qiáng)度外，還含有Al2O3和SiO2等活性物質(zhì)。與天然碎石相比，廢磚的密度小、孔隙大、吸水率大、強(qiáng)度低[2-3]。路面建設(shè)需要耗用大量玄武巖等天然碎石，若在路面建設(shè)中利用廢磚替代部分天然碎石，不僅能緩解天然集料緊缺的情況，同時(shí)也有助于解決建筑垃圾的處理問題。國(guó)內(nèi)外對(duì)此做了一些有意義的探索，將廢磚用于鋪面、道路基層等構(gòu)造物中。Poon等[4]采用廢磚制備鋪面磚塊，其摻量可達(dá)50%。Chi Sun Poon和Dixon Chan[5]測(cè)試了摻廢磚的鋪面磚塊的性能，結(jié)果顯示摻入廢磚降低了鋪面磚塊的密度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。胡力群[6]等將廢棄黏土磚以不同比例替代天然碎石配制水泥穩(wěn)定基層，建議混合料中廢磚塊粗集料和細(xì)集料的替代率分別不超過70%和90%。Cavalline[7]采用廢磚制備路面水泥混凝土，證明其能滿足路面使用性能的要求，其較低的導(dǎo)熱系數(shù)能減小PCC 水泥路面的厚度。Arulrajah 等[8]測(cè)試了廢磚集料的吸水率、CBR、磨耗值等技術(shù)性質(zhì)等，證明了廢磚滿足路面基層的使用要求。

本文將廢磚集料（Crushed Brick Aggregate，CBA）按0、30%、60%和100%的比例替代天然碎石配制4種水泥穩(wěn)定廢磚級(jí)配，并分別與4%和5%的水泥拌和成型試件，測(cè)試8 種水泥穩(wěn)定廢磚的擊實(shí)特性、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量，以研究水泥穩(wěn)定廢磚的強(qiáng)度特性及影響因素。

1 試驗(yàn)材料

采用普通硅酸巖水泥P.O.42.5，按照《公路水泥與水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[9]測(cè)試其技術(shù)性能，結(jié)果如表1所示。

表1 水泥技術(shù)性能

試驗(yàn)用天然集料為花崗巖，規(guī)格為20～30.5mm、10～20mm、5～10mm和0～5mm。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）[10]測(cè)定其技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果見表2、表3。CBA 取自房屋建筑，經(jīng)二級(jí)破碎后規(guī)格為20～30.5mm、10～20mm、5～10mm和0～5mm，其技術(shù)性能見表2、表3。由結(jié)果可知，CBA 的壓碎值、磨耗值、堅(jiān)固性和吸水率比花崗巖高46.7%、30.1%、61.5%和55%，密度小28%左右，說明CBA的強(qiáng)度明顯低于天然碎石。

表2 粗集料技術(shù)性能

表3 細(xì)集料技術(shù)性能

將各種花崗巖和CBA 集料逐級(jí)篩分成0～0.075mm， 0.075～0.6mm， 0.6～2.36mm， 2.36～4.75mm，4.75～9.5mm，9.5～19mm 和19～31.5mm 的單粒級(jí)材料。然后將同一粒徑的花崗巖和CBA 按不同比例摻配，得到不同CBA 摻量下的礦質(zhì)混合料?；旌狭辖M成見表4，合成級(jí)配見表5。每種級(jí)配的水泥劑量統(tǒng)一采用4.0%和5.0%。

表4 水泥穩(wěn)定廢磚的組成

表5 水泥穩(wěn)定廢磚的級(jí)配

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[11]，采用重型擊實(shí)法確定水泥穩(wěn)定廢磚的最大干密度和最佳含水量。

按照靜壓成型法分別成型Φ150mm×150mm 的圓柱形試件和100mm×100mm×400mm 的長(zhǎng)方體試件。圓柱體試件用于測(cè)試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量。試件成型過程中所需的質(zhì)量根據(jù)最大干密度和最佳含水量計(jì)算，壓實(shí)度為98%。

參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）中的T 0805—1994 測(cè)試試件7d、28d 和90d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；參照T 0808—1994 測(cè)試試件28d 和90d 的抗壓回彈模量；參照T0806—1994 測(cè)試試件28d 和90d 的劈裂強(qiáng)度。試件均在溫度為20℃±2℃、濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)生。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓實(shí)特性

圖1 和圖2 為水泥穩(wěn)定廢磚的最大干密度和最佳含水量的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 最大干密度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 最佳含水量試驗(yàn)結(jié)果

由圖1、圖2可得如下結(jié)論。

（1）當(dāng)水泥劑量為4%時(shí)，最大干密度的變化范圍為1.969～2.364g/cm3，CBA 摻配率為100%時(shí)的最大干密度是不摻時(shí)的83.3%；當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)，最大干密度的變化范圍為2.012～2.396g/cm3，CBA摻配率為100%時(shí)的最大干密度是不摻時(shí)的84.0%。最大干密度隨著CBA摻配率的增加而降低，這是由CBA的密度較天然集料偏小決定的。

（2）當(dāng)水泥劑量為4%時(shí)，最佳含水率的變化范圍為4.9%～10.7%，CBA 摻配率為100%時(shí)的最佳含水率是不摻時(shí)的2.2 倍；當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)，最佳含水率的變化范圍為5.4%～11.3%，CBA摻配率為100%時(shí)的最佳含水率是不摻時(shí)的2.1倍。最佳含水率隨著CBA 摻配率的增加而增加，這是因?yàn)镃BA 相對(duì)天然集料，表面孔隙和微裂縫較多，吸水率也相對(duì)較大，因此CBA 的含量越大，要達(dá)到最大密實(shí)度需水量也就越大。

（3）對(duì)于相同的CBA 含量，最佳含水率和最大干密度隨著水泥劑量的增加而增加。這是因?yàn)椋鄤┝吭龃?，意味著混合料中水泥漿增大，一方面增大了骨料間的潤(rùn)滑性，提高了混合料的可壓實(shí)性，另一方面水泥漿填充于混合料的空隙中，提高了混合料的密度。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3 為水泥穩(wěn)定廢磚的7d、28d 和90d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可得如下結(jié)論。

（1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著CBA 摻量的增加而逐漸降低。當(dāng)水泥劑量為4%時(shí)，CBA 摻量為30%、60%和100%時(shí)的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別是不摻CBA 時(shí)的94.3%、71.0%和50.5%；當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)，CBA摻量為30%、60%和100%時(shí)的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別是不摻CBA 時(shí)的91.7%、69.9%和50.9%。這是CBA強(qiáng)度較低所造成的。

（2）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期呈非線性增長(zhǎng)，28d之前強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，而后逐漸趨于緩慢。

（3）計(jì)算相同CBA 摻配率下水泥劑量為5%和4%時(shí)的強(qiáng)度比，結(jié)果如表6所示。由表6可知，水泥劑量為5%時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥劑量為4%時(shí)的1.21～1.28倍。

（4）《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2006）[12]對(duì)水泥穩(wěn)定類材料的7d 無側(cè)限強(qiáng)度要求如表7 所示。進(jìn)一步分析可知，在水泥劑量為4%和5%條件下，當(dāng)CBA 摻量不超過57.3%和86.4%時(shí)，水泥穩(wěn)定廢轉(zhuǎn)滿足基層特重交通的使用要求。

表6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比

表7 水泥穩(wěn)定類材料的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa

3.3 劈裂強(qiáng)度

圖4為劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可得如下結(jié)論。

（1）劈裂強(qiáng)度隨著CBA 摻量的增加而逐漸增大。當(dāng)水泥劑量為4%時(shí)，CBA 摻量為30%、60%和100%時(shí)的90d 劈裂強(qiáng)度分別是不摻CBA 時(shí)的1.03、1.10 和1.19 倍；當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)，CBA摻量為30%、60%和100%時(shí)的90d 劈裂強(qiáng)度分別是不摻CBA時(shí)的1.04、1.23和1.36倍。其原因主要是水泥穩(wěn)定廢磚的劈裂強(qiáng)度除了與集料的強(qiáng)度有關(guān)外，還與混合料內(nèi)部的黏聚力有密切關(guān)系。劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)中，試件破壞首先發(fā)生于集料-水泥石界面，因此界面強(qiáng)度對(duì)劈裂強(qiáng)度有較大影響。CBA表面比石灰石更粗糙，且有很多孔隙，混合料拌和過程中，水泥漿能夠滲入CBA 表面，因此能提高劈裂強(qiáng)度。此外，由于CBA 含有一定量的活性物質(zhì)，因此水泥水化過程中會(huì)有更多的膠結(jié)物。以上兩種因素使得水泥穩(wěn)定廢磚的劈裂強(qiáng)度得到提高

（2）劈裂強(qiáng)度隨齡期呈非線性增長(zhǎng)，28d之前強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，而后逐漸趨于緩慢。

（3）計(jì)算相同CBA 摻配率下的水泥劑量為5%和4%的強(qiáng)度比，結(jié)果如表8 所示。由結(jié)果可知，5%水泥劑量下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是4%水泥劑量下的1.20～1.37倍。

表8 劈裂強(qiáng)度比

（4）《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2006）中，水泥穩(wěn)定類材料的90d劈裂強(qiáng)度不應(yīng)小于0.4MPa。進(jìn)一步分析可知，在水泥劑量為4%和5%時(shí)，任意摻量的水泥穩(wěn)定廢磚均能滿足要求。

3.4 無側(cè)限抗壓回彈模量

圖5為無側(cè)限抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 無側(cè)限抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可得如下結(jié)論。

（1）抗壓回彈模量度隨著CBA 摻量的增加而逐漸降低。當(dāng)水泥劑量為4%時(shí)，CBA 摻量為30%、60%和100%時(shí)的7d 抗壓回彈模量分別是不摻CBA 時(shí)的92.3%、73.5%和53.2%；當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)，CBA摻量為30%、60%和100%時(shí)的抗壓回彈模量分別是不摻CBA 時(shí)的91.4%、76.0%和52.9%。這是CBA強(qiáng)度較低造成的，變化規(guī)律同無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

（2）抗壓回彈模量隨齡期呈非線性增長(zhǎng)，28d之前強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，而后逐漸趨于緩慢。

（3）計(jì)算相同CBA 摻配率下的水泥劑量為5%和4%的模量比，結(jié)果如表9 所示。由結(jié)果可知，水泥劑量為5%時(shí)的抗壓回彈模量是水泥劑量為4%時(shí)的1.07～1.34倍。

表9 模量比

3.5 力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系模型

（1）抗壓回彈模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系模型

繪制水泥穩(wěn)定廢磚抗壓回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，見圖6。

圖6 抗壓回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖6可知，抗壓回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如式（1）所示：

（2）抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系模型

繪制水泥穩(wěn)定廢磚無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系曲線，見圖7。由圖7 可知，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的線性關(guān)系較差。

圖7 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）CBA 中含有因黏土礦物高溫煅燒形成的非晶相Al2O3和SiO2，存在一定活性，能與水泥水化物發(fā)生反應(yīng)形成膠結(jié)物，對(duì)水泥穩(wěn)定飛磚的強(qiáng)度特性存在一定影響；CBA 存在大量的孔隙與微裂縫，導(dǎo)致其強(qiáng)度低、吸水率大。

（2）隨著CBA 含量的增加，水泥穩(wěn)定廢磚的最大干密度下降、最佳含水量增加。

（3）在水泥用量相同的情況下，各齡期水泥穩(wěn)定廢磚的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和回彈模量均隨著CBA 含量的增加而降低；養(yǎng)生齡期和水泥劑量對(duì)兩者有重要影響。

（4）在水泥用量相同的情況下，各齡期水泥穩(wěn)定廢磚的劈裂強(qiáng)度隨著CBA 含量的增加而增加，這是由于CBA 中含有一定的活性物質(zhì)造成的。

（5）水泥穩(wěn)定廢磚的抗壓回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在良好的線性關(guān)系。

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