水泥穩(wěn)定磚砼再生集料路用性能試驗研究

李曙龍

(湖南省長益高速公路擴容工程建設開發(fā)有限公司， 湖南 長沙 410001)

新城建設和舊城改造中會產(chǎn)生大量建筑廢棄物，而中國目前建筑廢棄物的總利用率不足5%，遠低于歐、美等90%的綜合利用水平。由于大部分建筑廢棄物未經(jīng)有效處理，通常是隨意堆放和填埋處理，不僅侵占大量土地，還會污染水體和大氣，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。這些建筑物廢棄物主要由水泥砼和少量磚渣構(gòu)成，其本身具有良好的物理力學性質(zhì)，在經(jīng)過破碎分揀后具有代替天然集料的潛力，并在水泥砼及基層施工中得到應用。該文參照磚砼建筑廢棄物在水泥砼及路面基層中的應用成果，將磚砼建筑廢棄物用于水穩(wěn)基層中，以降低公路建設對天然集料的依賴程度，同時促進磚砼建筑廢棄物的有效回收利用。

1 原材料性能

所用天然集料為石灰?guī)r。依據(jù)JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》對路用集料的要求，結(jié)合JTG/E 42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中的試驗方法，對天然集料和磚砼再生集料的表觀密度、吸水率等性能進行檢測，結(jié)果見表1～2。掃描電子顯微鏡(SEM)下天然集料與再生集料的微觀結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 粗集料檢測結(jié)果

表2 細集料檢測結(jié)果

圖1 集料的微觀結(jié)構(gòu)

由表1、表2可知：相比于天然集料，各粒徑下磚砼再生粗集料的表觀密度較小，吸水率更大。這可能與磚砼再生集料性質(zhì)有關，磚砼再生集料的表面及內(nèi)部存在較多微孔隙，其質(zhì)量較輕，同時大量微孔隙的存在增大了對水的吸附能力，導致磚砼再生集料摻量較高時，水穩(wěn)基層混合料的吸水率增大。

2 水泥穩(wěn)定混合料試驗設計

2.1 級配設計

考慮到骨架密實型結(jié)構(gòu)具有較好的力學性能，水泥穩(wěn)定再生集料基層采用JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》推薦的水泥穩(wěn)定級配碎石(C-B-3)級配范圍的中值(見表3)。為保證均勻性，分別將天然集料和再生集料過31.5、19.0、9.5、4.75、2.36、0.6、0.075 mm篩備用。

表3 水泥穩(wěn)定再生集料的級配

2.2 擊實試驗結(jié)果分析

依據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中重型擊實試驗方法開展擊實試驗，再生集料摻量分別為0、15%、30%、50%，水泥劑量分別為3%、4%、5%。試驗結(jié)果見圖2。

圖2 水泥穩(wěn)定磚砼再生集料擊實試驗結(jié)果

由圖2可知：隨著磚砼再生集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的最大干密度下降，最佳含水量上升。水泥劑量為4%時，隨著再生集料取代率由零增加到50%，混合料的最大干密度由2.373 g/cm3降低到2.253 g/cm3，最佳含水率由5.33%增大到8.32%，表明磚砼再生集料摻量的增加會對混合料的擊實性能產(chǎn)生影響。

3 水泥穩(wěn)定混合料力學性能分析

3.1 試驗方案

依據(jù)JTG D50-2006和JTG E51-2008中要求及試驗方法，開展3%、4%、5%水泥劑量下水泥穩(wěn)定混合料7 d無側(cè)限抗壓強度試驗，4%水泥劑量下7、28、90 d無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量試驗及90 d干縮、溫縮性能試驗，分析不同磚砼再生摻量對水泥穩(wěn)定混合料性能的影響。

3.2 無側(cè)限抗壓強度

不同水泥劑量下，不同取代率水泥穩(wěn)定磚砼再生集料在7、28、90 d齡期時的抗壓強度試驗結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的7 d無側(cè)限抗壓強度

圖4 4%水泥劑量下水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的無側(cè)限抗壓強度

由圖3可知：不同取代率下，水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的7 d無側(cè)限抗壓強度隨著水泥劑量的增加而增大，但當磚砼再生集料取代率超過15%時，混合料強度增加速度下降。究其原因，可能是水泥劑量較低時，隨著磚砼再生集料摻量的提高，附著在磚砼表層的部分未水化或水化不完全的水泥顆粒在與集料表面的水膜接觸后水化效果更好，生成的水化膠凝物質(zhì)增多，從而使混合料的強度提高；而磚砼再生集料摻量過高時，磚砼再生集料表面分布的水泥顆粒含量減少，水化反應變差，影響集料顆粒間的黏結(jié)，導致混合料的整體強度增加緩慢。

由圖4可知：4%水泥劑量時，水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的7、28、90 d抗壓強度均隨著磚砼再生集料摻量的增加呈先增大后減小的趨勢。磚砼再生集料取代率為30%時，水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的抗壓強度最大，其7、28、90 d無側(cè)限抗壓強度分別為3.52，4.82，5.29 MPa，分別比同齡期普通水泥碎石的強度提高1.7%，5.9%，5.5%。

3.3 劈裂強度

4%水泥劑量下，水泥穩(wěn)定磚砼再生集料7、28、90 d齡期劈裂強度見圖5。

圖5 水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的劈裂強度

由圖5可知：磚砼再生集料取代率低于30%時，混合料的劈裂強度隨著再生集料取代率的提高而增大，30%取代率下水泥穩(wěn)定磚砼再生集料相對于普通水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度，7 d齡期時提高11.4%，28 d齡期時提高8.5%，90 d齡期時提高9.8%；取代率超過30%時，劈裂強度下降明顯。究其原因，磚砼再生集料摻量一定時，混合料水化反應生成的水化產(chǎn)物嵌入磚砼再生集料和天然集料之間，使兩種集料之間的黏結(jié)性更好，彼此相互摩擦嵌擠，因而強度較高；而取代率過高時，由于混合料中天然集料含量顯著減少，無法形成更穩(wěn)定的骨架，導致劈裂強度下降明顯。

3.4 抗壓回彈模量

7、28、90 d齡期時水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的抗壓回彈模量見圖6。

由圖6可知：混合料的抗壓回彈模量與抗壓強度、劈裂強度具有相似的表現(xiàn)，都隨著再生集料取代率的增加出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。磚砼再生集料取代率為15%、30%、50%時，與普通水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量相比，7 d齡期時分別提高12.7%、16.1%、-14.2%，28 d齡期時分別提高13.5%，13.8%，-13.7%，90 d齡期時分別提高4.7%，5.9%，-16.8%。

圖6 水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的抗壓回彈模量

3.5 干縮性能

不同取代率下水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的90 d干縮試驗結(jié)果見圖7。

圖7 水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的干縮系數(shù)

由圖7可知：磚砼再生集料取代率由零增加到50%時，水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的干縮系數(shù)從90.12×10-6逐漸減小到66.55×10-6，表明磚砼再生集料取代率的增加能降低水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的干縮系數(shù)。可能是因為隨著再生集料摻量的增加，混合料整體空隙比例增大，吸水率顯著提高，而混合料內(nèi)部的水分有助于自身的養(yǎng)生，從而使混合料干縮系數(shù)變小。

3.6 溫縮性能

不同取代率下水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的溫縮試驗結(jié)果見表4。

由表4可知：在30～40 ℃條件下，磚砼再生集料取代率由零增加到50%時，混合料的溫縮系數(shù)由8.82×10-6℃-1下降到6.36×10-6℃-1。表明一定取代率下，增加磚砼再生集料的取代率能明顯降低水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的溫縮系數(shù)。

表4 水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的溫縮系數(shù)

4 結(jié)論

(1) 相較于天然集料，磚砼再生集料具有吸水率大、強度低、密度小、表面孔隙及微裂縫較多、壓碎值大等特點。

(2) 隨著磚砼再生集料取代率的增大，混合料最大干密度降低，最佳含水率顯著增大。

(3) 隨著水泥劑量的增加，水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的力學性能提高，其中磚砼再生集料取代率為30%時，混合料的力學強度最大，相對于普通水泥穩(wěn)定碎石，7 d齡期時水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的抗壓強度提高1.7%，劈裂強度提高11.4%，抗壓回彈模量提高12.7%。早期力學強度的提高說明水泥穩(wěn)定磚砼再生集料的整體路用性能較好。

(4) 在一定取代率范圍內(nèi)，混合料的干縮和溫縮性能隨著磚砼再生集料取代率的增加而下降，說明磚砼再生集料的摻入可改善水穩(wěn)基層的體積收縮性能，使水穩(wěn)基層的路用性能更穩(wěn)定、耐久性更好。