再生骨料混凝土在道路基層中的應(yīng)用研究

陳新杰，甄飛

(1.內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗公路管理段，內(nèi)蒙古 赤峰 024500； 2．內(nèi)蒙古赤峰市高等級(jí)公路管理處)

1 前言

水泥混凝土是道路、建筑、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用最廣泛的材料之一。隨著結(jié)構(gòu)物逐漸到達(dá)使用期限，以及房屋建筑的拆遷、水泥混凝土路面的改造，產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土。據(jù)報(bào)道，美國(guó)每年產(chǎn)生廢棄混凝土約1.36億t，歐盟約產(chǎn)生2億t。在中國(guó)，每年產(chǎn)生的廢棄混凝土數(shù)量同樣驚人，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到6.38億t，若僅將廢棄混凝土進(jìn)行掩埋處理，每年約需占地3萬(wàn)畝(約2 000萬(wàn)m2)。由此可以看出：對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行回收利用具有巨大的社會(huì)效益，對(duì)減少?gòu)U棄建筑垃圾的堆放、減少車輛的運(yùn)輸費(fèi)用、節(jié)約土地資源具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。水泥混凝土是由水泥和集料組成的混合物，對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行再生，生產(chǎn)再生混凝土，可減少水泥的生產(chǎn)、山石的開挖、二氧化碳的排放，具有明顯的環(huán)保效益。因此，研究廢棄混凝土的再生利用具有重要的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

目前，對(duì)廢棄混凝土的再生利用已成為各國(guó)學(xué)者競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。廢棄混凝土的利用主要有4個(gè)方面：再生混凝土、再生水泥、新型墻體材料、地基基礎(chǔ)加固。其中以再生混凝土利用價(jià)值最高，回收價(jià)值最大，研究最為廣泛。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)、物理力學(xué)性能、耐久性進(jìn)行了研究，針對(duì)再生混凝土吸水率高、強(qiáng)度低、耐久性差等特點(diǎn)，提出了配合比設(shè)計(jì)方法、拌和工藝、再生骨料表面改性、添加外加劑等改進(jìn)措施，取得了豐碩的成果。再生水泥指利用廢棄混凝土中的石灰石作為水泥的鈣質(zhì)原料生產(chǎn)水泥熟料，也可作為混合材加入水泥中。新型墻體材料指將廢棄混凝土制成空心混凝土砌塊，或者研磨、分離出細(xì)粉料，取代部分膠凝材料，制成墻體磚。地基基礎(chǔ)加固則將廢棄混凝土作為填料加固地基，承載力高，但回收價(jià)值較低。

雖然廢棄混凝土的再生利用已經(jīng)研究多年，但應(yīng)用于道路基層的研究還很少。中國(guó)的道路基層大多采用水泥穩(wěn)定碎石基層，強(qiáng)度要求不高，但需消耗大量石料，而廢棄混凝土作為一種強(qiáng)度較低的再生骨料，正好可以滿足其要求，有潛力作為水泥穩(wěn)定碎石骨料的替代料。秦春麗對(duì)廢棄混凝土用于道路基層做了探索性研究，但對(duì)基層最關(guān)注的收縮問(wèn)題還沒有涉及。該文采用再生骨料完全替代水泥穩(wěn)定碎石粗骨料，研究不同水膠比、粉煤灰摻量對(duì)再生骨料混凝土強(qiáng)度的影響，并且針對(duì)再生骨料混凝土收縮性大的缺點(diǎn)，研究添加粉煤灰對(duì)再生骨料混凝土收縮性能的影響，以期為廢棄混凝土應(yīng)用于道路基層提供一些參考。

2 試驗(yàn)原材料和方案

2.1 原材料

(1) 再生粗骨料：再生粗骨料的原生混凝土強(qiáng)度為C30，經(jīng)破碎機(jī)破碎、篩分出細(xì)集料和粉料而來(lái)。由于分離出的粗集料粒徑偏粗且不滿足連續(xù)級(jí)配的要求，對(duì)粗集料進(jìn)行了二次篩分，劃分為4.75～13.2 mm和13.2～26.5 mm兩檔。兩檔粗集料的物理性能指標(biāo)如表1所示，再生集料的壓碎值滿足道路基層對(duì)集料壓碎值<30%的要求；通過(guò)對(duì)4.75～13.2 mm和13.2～26.5 mm兩檔集料進(jìn)行調(diào)配，可滿足道路基層連續(xù)級(jí)配的要求。

表1 粗集料物理性能指標(biāo)

(2) 天然粗骨料：石灰?guī)r，粒徑為5～20 mm的連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2.70 m/cm3，壓碎值為6.2%。

(3) 細(xì)集料：采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.71，表觀密度為2.63 g/cm3。

(4) 水泥：采用P.O.42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度為3.12 g/cm3，細(xì)度為351 m2/kg，其化學(xué)成分如表2所示。

(5) 粉煤灰：采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，化學(xué)成分見表2。

表2 水泥化學(xué)成分 %

2.2 試驗(yàn)方案

再生粗骨料全部代替水泥穩(wěn)定碎石中的粗集料，粗集料中兩檔集料的摻配質(zhì)量比為(4.75～13.2 mm)∶(13.2～26.5 mm)=7∶11。為減少再生混凝土的收縮量，細(xì)集料全部采用天然砂。粗細(xì)集料的合成級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 再生混凝土合成級(jí)配

由于再生骨料吸水率較高，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，增加了附加用水量。附加用水量為滿足粗集料在拌和過(guò)程中吸收水分、減少了用水量而增加。該研究假設(shè)了粗骨料處于飽和吸水狀態(tài)，附加用水量為粗集料質(zhì)量與吸水率之乘積。粗集料的吸水率為6.3%，根據(jù)兩檔集料的質(zhì)量比和各自的吸水率線性疊加而成。

共設(shè)計(jì)4組水膠比的再生混凝土進(jìn)行7、28 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗折強(qiáng)度測(cè)試；為研究再生混凝土的干縮性能，選取其中一個(gè)水膠比測(cè)試其干縮應(yīng)變，并采用內(nèi)摻法分別添加20%、30%、40%、50%的粉煤灰測(cè)試干縮性能和強(qiáng)度，同時(shí)設(shè)計(jì)了一組不含再生粗骨料的混凝土進(jìn)行對(duì)照。配合比設(shè)計(jì)時(shí)固定水泥用量，試驗(yàn)再生混凝土的配合比如表3所示。

表3 再生混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)方法

再生粗骨料混凝土拌和時(shí)，先將水泥、粉煤灰、1/2水?dāng)嚢?，而后投入再生粗骨料攪拌，再投入天然砂?/2水?dāng)嚢?，通過(guò)改變投料順序的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)粗骨料預(yù)處理的目的。

天然粗骨料混凝土拌和時(shí)采用人工拌和，首先將砂與水泥拌和，然后加入粗骨料攪拌，最后加入水，至混凝土攪拌均勻。

混凝土拌和好后，將新拌混合料分別裝于150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×400 mm和100 mm×100 mm×515 mm的試模中，然后放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中24 h后脫模。其中150 mm×150 mm×150 mm試塊用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試，100 mm×100 mm×400 mm試塊用于抗折強(qiáng)度測(cè)試，100 mm×100 mm×515 mm試塊用于干縮應(yīng)變測(cè)試。

抗壓強(qiáng)度為試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)中分別養(yǎng)護(hù)7、28 d進(jìn)行測(cè)試；抗折強(qiáng)度為試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行測(cè)試；干縮應(yīng)變按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，養(yǎng)護(hù)溫度(20±2) ℃，養(yǎng)護(hù)相對(duì)濕度(60±5)%，分別在養(yǎng)護(hù)1、3、7、14、28、60 d后測(cè)試。

3 結(jié)果及分析

3.1 強(qiáng)度分析

當(dāng)再生混凝土的齡期達(dá)到7、28 d時(shí)，分別測(cè)試其抗壓、抗折強(qiáng)度。不同水膠比再生混凝土和普通混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度如表4所示。

表4 混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度

從表4可以看出：

(1) 隨著水膠比的增加，再生骨料混凝土的7、28 d強(qiáng)度均逐漸減小。再生骨料混凝土的強(qiáng)度隨水膠比的變化規(guī)律與原生普通混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律類似，原因是增大水膠比增加了游離水的含量，致使水泥石的孔隙增多，空隙率增大，強(qiáng)度降低。同時(shí)，該研究為減小再生骨料空隙率大、吸水率高的影響，添加了額外用水量，保證了再生骨料混凝土的和易性，從而保證較低水膠比的再生骨料混凝土的強(qiáng)度。

(2) 再生混凝土抗折強(qiáng)度同樣隨著水膠比的增大而降低，水膠比為0.50、0.55、0.60的再生混凝土抗折強(qiáng)度比水膠比為0.45的再生混凝土強(qiáng)度分別降低了5.9%、18.3%、49.6%，當(dāng)水膠比較大時(shí)抗折強(qiáng)度下降較快?？拐蹚?qiáng)度與水膠比的變化規(guī)律同樣與原生普通混凝土類似。

從強(qiáng)度角度考慮，再生粗骨料混凝土的強(qiáng)度均比普通混凝土強(qiáng)度低，即再生骨料的加入降低了混凝土的強(qiáng)度，但所有水膠比的再生骨料混凝土均達(dá)到了重交通等級(jí)高速公路水泥穩(wěn)定材料基層的強(qiáng)度要求，可以作為公路基層使用。但再生骨料混凝土收縮性大的特點(diǎn)可能會(huì)是制約其用于道路基層的主要缺陷，因此從四組再生混凝土中選擇一組強(qiáng)度較高、水泥含量相對(duì)較少的配合比添加粉煤灰，研究其強(qiáng)度和干縮性能。該文選擇水膠比為0.50的配合比進(jìn)行研究。

不同粉煤灰摻量的再生骨料混凝土的強(qiáng)度如表5所示。

表5 不同粉煤灰摻量的再生混凝土抗壓強(qiáng)度

由表5可以看出：隨著粉煤灰摻量的增大，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。其中20%和30%粉煤灰摻量再生混凝土7 d強(qiáng)度可滿足重交通等級(jí)高速公路基層材料強(qiáng)度要求。

3.2 收縮性能

半剛性基層的收縮裂縫易在路面產(chǎn)生反射裂縫，增加路面病害。采用內(nèi)摻法在再生混凝土中用粉煤灰代替部分水泥，希望以此減少混凝土的收縮應(yīng)變，且此方法可降低水泥用量，節(jié)約成本。不同粉煤灰摻量的再生混凝土和普通混凝土在不同齡期的收縮應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。

從圖2可以看出:不論是否添加粉煤灰以及是否添加再生骨料，混凝土的收縮應(yīng)變都隨齡期的增長(zhǎng)而不斷變大。因?yàn)殡S著水泥水化的不斷進(jìn)行和水分的不斷蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部的游離水逐漸減少，從而引起收縮逐漸增大。

圖2 再生骨料混凝土的干縮應(yīng)變

對(duì)比不同粉煤灰摻量的再生混凝土收縮應(yīng)變可以發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的收縮應(yīng)變隨粉煤灰摻量的增加先減小后增大。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，再生混凝土的收縮應(yīng)變最小；當(dāng)粉煤灰摻量為50%時(shí)，再生混凝土的收縮應(yīng)變最大，甚至比不摻粉煤灰的再生混凝土收縮應(yīng)變大。分析其原因是：粉煤灰的細(xì)度很大，當(dāng)摻量較小時(shí)，可填充于水泥水化產(chǎn)物的空隙中，減少水泥石的空隙率，降低收縮性能；同時(shí)，粉煤灰可發(fā)生火山灰效應(yīng)，生成的產(chǎn)物可填充于水泥水化產(chǎn)物的孔隙中，提高密實(shí)度，降低收縮應(yīng)變。但當(dāng)粉煤灰摻量過(guò)大時(shí)，水與水泥之比增大，意味著可發(fā)生水化反應(yīng)的水泥減少，生產(chǎn)的水化產(chǎn)物也減少，粉煤灰發(fā)生火山灰效應(yīng)減弱，填充作用減弱；而游離水過(guò)多，又造成孔隙過(guò)多，所以收縮應(yīng)變又增大。

對(duì)比30%粉煤灰摻量再生混凝土和原生混凝土的收縮應(yīng)變可以發(fā)現(xiàn)，30%粉煤灰摻量再生混凝土的收縮應(yīng)變?cè)?、3、7、14、28、60 d齡期內(nèi)均更小，分別小55.4%、20.8%、40.7%、24.6%、16.3%、7.4%。說(shuō)明30%粉煤灰摻量的再生混凝土的收縮性能比原生混凝土更優(yōu)異，完全可滿足道路基層對(duì)收縮性能的要求。

4 結(jié)論

廢棄混凝土是建筑垃圾的主要成分，對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行再生利用可大量減少?gòu)U棄垃圾，節(jié)約資源。該文對(duì)廢棄混凝土用于道路基層進(jìn)行了探討，重點(diǎn)對(duì)再生骨料混凝土基層的力學(xué)性能和干縮性能進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1) 與原生混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律相似，再生骨料混凝土強(qiáng)度隨水膠比增大而減小，水膠比為0.45、0.50、0.55、0.60的再生混凝土均可滿足高速公路重交通等級(jí)對(duì)基層的強(qiáng)度要求。

(2) 再生骨料混凝土的強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而減小，收縮應(yīng)變隨粉煤灰摻量的增加先增大后減小，30%粉煤灰摻量的再生混凝土收縮應(yīng)變最小，甚至優(yōu)于原生混凝土。

(3) 30%粉煤灰摻量的再生骨料混凝土不僅具有較好的力學(xué)性能，收縮性能也優(yōu)良，可作為高速公路重交通等級(jí)的基層。