廢舊混凝土路面再生骨料力學(xué)性能試驗研究

李清富 張海偉 徐凱光 陳坤洋

摘 要：為了促進廢棄混凝土路面再生骨料的推廣使用，并為基層舊料的現(xiàn)場再生技術(shù)提供參考，本文采用河南省許昌段的廢棄混凝土塊，破碎后進行篩分，并對篩分后的骨料進行物理力學(xué)性能試驗。試驗表明，廢棄混凝土再生骨料的級配要求、表觀密度、壓碎值、抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗彎拉強度均滿足規(guī)范要求，可以用于路面工程的施工。

關(guān)鍵詞：廢棄混凝土；再生骨料；物理性能；力學(xué)性能

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-00124-04

Experimental Study on Mechanical Properties of Recycled

Aggregate from Waste Concrete Pavement

LI Qingfu ZHANG Haiwei XU Kaiguang CHEN Kunyang

（College of Environment and Water Conservancy， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： In order to promote the popularization and use of recycled aggregate of abandoned concrete pavement， and provide reference for the field regeneration technology of the old materials at the base level， this paper used the abandoned concrete blocks in Xuchang section of Henan Province， sieved after crushing， and tested the physical and mechanical properties of the aggregate after the screening. The test showed that the gradation requirements， the apparent density， the crushing value， the 7d compressive strength， the splitting tensile strength alnd the flexural tensile strength of the recycled aggregate concrete could meet the requirements of the standard， and could be used for the construction of the paveme.

Keywords： waste concrete；recycled aggregate；physical properties；mechanical properties

我國在發(fā)展的進程中修建了大量的水泥混凝土路面，但隨著使用年限的增長與交通荷載量的影響，早期修建的水泥混凝土路面開始出現(xiàn)問題，需要進行維護與重修才能再次投入使用。但是，在維護與重修過程中，會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土塊，若處理不當，不僅會浪費材料，還會造成環(huán)境污染。而廢棄混凝土的再利用，不僅能變廢為寶，還能降低工程造價，緩解道路改建對環(huán)境造成的不利影響。

本文采用河南省許昌段的廢棄混凝土塊，破碎后進行篩分，并對篩分后的骨料進行物理力學(xué)性能試驗，以進行再生骨料和天然骨料性能的對比分析。

1 再生骨料物理性能

再生骨料分為再生粗骨料和再生細骨料。再生粗骨料大部分為表面包裹有部分砂漿的石子，少部分為與砂漿完全脫離的石子，還有很少一部分為砂漿。其邊界輪廓分明、多棱角、具有較大的表面積。再生細骨料主要為砂漿體破碎后行成的砂粒、水泥石顆粒及破碎過程中產(chǎn)生的少量石屑[1]?；诖?，再生骨料利用時其級配、表觀密度、吸水率等物理性能與天然骨料肯定不同。

1.1 再生骨料的級配

按照標準《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011），將粗骨料在105℃±5℃溫度的烘箱中烘干至恒重。冷卻至室溫后，按四分法取一定試驗試樣進行人工篩分，篩分結(jié)果如表1所示。

從表1可知：再生粗骨料的顆粒級配在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，因此再生粗骨料的顆粒級配滿足規(guī)范要求。

1.2 再生骨料的密度

為了對比再生骨料和天然骨料的密度關(guān)系，分別對再生粗骨料和再生細骨料進行了密度試驗，試驗結(jié)果如表2和表3。

從表2和表3可知：再生粗骨料、再生細骨料的表觀密度、表干密度、毛體積密度均小于天然骨料。這主要是由于再生骨料表面附有水泥砂漿，而水泥砂漿的密度相對來說偏低[2]。

1.3 再生骨料的吸水率

對再生骨料和天然骨料分別進行吸水率測定，試驗結(jié)果如表4所示。

從表4可知：再生粗骨料、再生細骨料的吸水率均大于天然骨料，這是由于再生骨料表面含有水泥石，且內(nèi)部的微裂縫使得其吸水率比天然骨料高[3]。

1.4 再生骨料的壓碎值

壓碎值是衡量骨料強度的一個指標，可以用以評價基層所用骨料的質(zhì)量。粗骨料又是混合料的骨架，因此對粗骨料的抗壓碎性進行試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

從表5可知，再生粗骨料的壓碎值為25%，天然粗骨料的壓碎值為22%?？梢姡烊淮止橇系膲核橹档陀谠偕止橇?。這主要是因為再生粗骨料表面含有水泥砂漿及其內(nèi)部含有微裂縫。壓碎值越高，骨料的堅固性越小，因此再生骨料的強度要低于天然骨料。

2 再生骨料混凝土抗壓強度試驗

2.1 試驗配合比設(shè)計

為了研究不同骨料摻量下的混凝土性能，現(xiàn)設(shè)計4種再生粗骨料取代率，即0%、40%、70%和100%來進行再生骨料混凝土抗壓強度試驗。使用經(jīng)聚合物（PVA）和有機硅防水劑處理的再生骨料，以不摻加粉煤灰的普通混凝土作為基準混凝土[4]。為了提高混凝土的流動性能，采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰取代部分水泥。本試驗粉煤灰取代率為20%。其中，編號R表示再生混凝土，RF表示摻加20%優(yōu)質(zhì)粉煤灰的混凝土，其后數(shù)字表示混凝土強度等級，最后數(shù)字表示再生骨料取代率。計算混凝土配合比，結(jié)果如表6和表7所示。

2.2 試驗結(jié)果

在再生骨料取代率為0%、40%、70%和100%時，粉煤灰摻量為水泥的20%，減水劑為0.5%的條件下，測得再生骨料混凝土7d和28d的抗壓強度如表8和表9所示。

2.3 試驗結(jié)果分析

從表8可以得出，隨著再生骨料取代率的增大，混凝土的坍落度不斷減小。這主要是因為再生粗骨料大部分由表面包裹著部分水泥砂漿的石子組成，還包括少部分與水泥砂漿完全脫離的石子及少量水泥石顆粒，這使得再生骨料顆粒棱角多、表面粗糙[5]。同時，在破碎過程中，機械的破碎作用與石子的各自擠壓，使再生骨料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，與天然骨料相比，再生骨料的吸水率要大得多，導(dǎo)致坍落度減小。

從表9可以得出，摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰對混凝土性能的改變較為明顯。摻加20%優(yōu)質(zhì)粉煤灰后，混凝土的坍落度明顯增大，和易性得到改善。摻加粉煤灰可以改善混凝土內(nèi)部的界面結(jié)構(gòu)，從而使混凝土后期的抗壓強度增加，因此，摻加粉煤灰的混凝土28d抗壓強度比不摻加粉煤灰的28d抗壓強度要高。

齡期相同條件下，隨著再生骨料取代率的增大，與基準混凝土相比，再生骨料混凝土的抗壓強度整體呈減小趨勢。這是由于再生骨料表面粗糙，棱角多，破碎過程中內(nèi)部會產(chǎn)生微裂縫。而且再生骨料表面不同程度地包裹著水泥砂漿，使得再生骨料混凝土存在一些新水泥石基體與再生粗骨料黏結(jié)較為薄弱的區(qū)域，導(dǎo)致抗壓強度降低[6]。

3 再生骨料混凝土抗拉強度試驗

3.1 試驗配合比設(shè)計

在再生骨料混凝土抗壓強度試驗的基礎(chǔ)上，綜合工作性、強度和經(jīng)濟性等因素，選擇再生骨料取代率為40%進行抗拉強度試驗。具體配合比設(shè)計如表10所示。

3.2 試驗結(jié)果

再生骨料混凝土抗拉強度試驗結(jié)果如表11所示。

3.3 試驗結(jié)果分析

在C30強度等級條件下，且再生骨料取代率分別為0%和40%時，摻加粉煤灰的混凝土劈裂抗拉強度比不摻加粉煤灰的混凝土劈裂抗拉強度分別要提高4%、1%，但提升效果并不明顯。

在C30強度等級條件下，隨著再生骨料取代率的增加，再生骨料混凝土的劈裂抗拉強度有所下降，但降低并不明顯。這是因為，再生骨料在破碎和篩分過程中，并加以后期化學(xué)強化，原有骨料中的軟質(zhì)顆粒和粒形不良顆粒大部分會被淘汰，粒形改良和堅固性的選優(yōu)排劣有助于加強粗骨料的機械鎖結(jié)作用，并對各種應(yīng)力下的裂紋發(fā)展有一定的抑制作用，所以有助于混凝土強度的提高[7]。

4 再生骨料混凝土抗折強度試驗

4.1 試驗配合比設(shè)計

在再生骨料混凝土抗壓強度試驗的基礎(chǔ)上，選擇再生骨料取代率為40%進行抗折強度試驗，其試驗配合比與再生骨料抗拉強度試驗配合比一樣，結(jié)果如表10所示。

4.2 試驗結(jié)果

再生骨料混凝土抗折強度試驗結(jié)果如表12所示。

4.3 試驗結(jié)果分析

從混凝土破壞試件表面觀察，普通混凝土與再生骨料混凝土部分相似，但再生骨料混凝土的破壞不僅表現(xiàn)為再生粗骨料和新水泥漿體之間的黏結(jié)破壞，還表現(xiàn)為再生粗骨料本身的斷裂。

在C30強度等級條件下，且再生骨料取代率相同時，摻加粉煤灰的混凝土抗折強度比不摻加粉煤灰的混凝土抗折強度要高。

在C30強度等級條件下，且粉煤灰摻量相同時，隨著再生骨料取代率的增大，混凝土劈裂抗拉強度也隨之降低，但降低效果并不明顯。這主要是因為再生骨料顆粒包裹有水泥砂漿，使再生骨料與水泥砂漿之間的彈性模量相差較小，進而產(chǎn)生微細裂縫的趨勢就會減小[8]。

5 結(jié)論

①本試驗測定了再生骨料混凝土的物理性能和力學(xué)性能。經(jīng)破碎得到的再生骨料，其棱角多，表面粗糙，外層多覆蓋一層水泥砂漿。對破碎后的再生骨料進行篩分，其顆粒級配滿足規(guī)范要求。

②與天然集料相比，再生骨料的表觀密度、表干密度、毛體積密度較小，但其吸水率和壓碎值較高。

③改變粉煤灰摻量和再生骨料取代率，對再生骨料混凝土進行抗壓強度試驗。在C30強度等級下，粉煤灰摻量一定時，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土的抗壓強度整體呈現(xiàn)出降低的趨勢；在C30強度等級下，再生骨料取代率一定時，粉煤灰的摻入使得混凝土的抗壓強度增加。綜合抗壓性能和經(jīng)濟因素，選擇再生骨料取代率為40%，進行劈裂抗拉強度和抗折強度試驗。

④在C30強度等級下，粉煤灰摻量一定時，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土的抗拉強度和抗折強度整體呈減小趨勢；在C30強度等級下，再生骨料取代率一定時，隨著粉煤灰的摻入，混凝土的抗拉強度和抗折強度均增大。

⑤試驗分析證明：再生骨料的物理力學(xué)性能符合規(guī)范要求，可以用于路面工程的施工。

本文只對C30強度等級的混凝土進行研究，而對于高強混凝土的抗壓、抗拉和抗折性能的變化規(guī)律還需要進一步試驗研究分析。

參考文獻：

[1]吳博.水泥路面再生混凝土的路用性能[J].交通標準化，2014（12）：62-64，67.

[2]趙亞蘭.水泥穩(wěn)定再生碎石路用性能研究[J].公路與汽運，2013（5）：166-170.

[3]徐翔波.再生混凝土配合比設(shè)計及其物理力學(xué)性能研究[D].柳州：廣西科技大學(xué)，2015.

[4]杜婷.高性能再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)及性能試驗研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[5]伍超.公路路面再生骨料混凝土試驗研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

[6] Dimitriou G，Savva P，Petrou M. Enhancing mechanical and durability properties of recycled aggregate concrete[J]. Construction & Building Materials， 2018（158）：228-235.

[7] Paul S C， Panda B， Garg A. A novel approach in modelling of concrete made with recycled aggregates[J]. Measurement，2018（115）：64-72.

[8] Lopezuceda A， Agrela F，Cabrera M，et al. Mechanical performance of roller compacted concrete with recycled concrete aggregates [J].Road Materials and Pavement Design，2018（1）：36-55.