不同強(qiáng)度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生材料路用性能研究

郭立成，任 晃，曾國(guó)東，何禹忠，吳超凡，方 楊，韓慶奎，蔣岳樓

(1.佛山市路橋建設(shè)有限公司，佛山 528000；2.湖南云中再生科技股份有限公司，長(zhǎng)沙 410000；3.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410000；4.佛山市交通科技有限公司，佛山 528000)

0 引 言

水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、剛度大、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，但在交通荷載及外界環(huán)境的影響下容易出現(xiàn)各種病害，在對(duì)水泥混凝土路面進(jìn)行破除改造的同時(shí)，將產(chǎn)生大量的廢舊水泥混凝土。廢舊混凝土通常采用就地露天堆放和填埋的處理方式，這不僅占用大量土地，還造成水、土、大氣綜合污染。

因此，對(duì)于廢舊水泥混凝土板的資源化利用已成為亟待解決的一大難題，也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。許多專家學(xué)者對(duì)此做出了大量的理論及試驗(yàn)研究，其中較為常規(guī)的處置方法是將廢舊的水泥混凝土路面板破碎、篩分形成不同粒徑的再生集料，將再生集料用于水泥混凝土作為路面結(jié)構(gòu)[1-4]或其他構(gòu)件[5-7]，研究其路用性能及耐久性能，或?qū)⒃偕嫌糜谒喾€(wěn)定類材料作為基層[8-10]或底基層[11-13]。關(guān)于水泥穩(wěn)定再生集料混合料性能方面，Pérez等[14]基于實(shí)際應(yīng)用的道路基礎(chǔ)建設(shè)，得出再生骨料建造的截面有效性與使用天然骨料建造的截面相似。高啟聚等[15-16]將再生集料與非再生集料的技術(shù)指標(biāo)和水泥穩(wěn)定基層混合料的路用性能對(duì)比，結(jié)果表明，再生集料的技術(shù)指標(biāo)能夠滿足規(guī)范的技術(shù)要求，水泥穩(wěn)定再生集料具有良好的路用性能。同時(shí)，還對(duì)廢棄路面水泥混凝土的再生利用進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。紀(jì)小平等[17]通過(guò)研究再生集料的不同摻量對(duì)水泥穩(wěn)定再生混合料的路用性能變化規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明，再生集料存在一定的未水化水泥顆粒和活性物質(zhì)，能發(fā)生水化和火山灰反應(yīng)，對(duì)試件的早期強(qiáng)度有改善作用。吳志剛等[18]通過(guò)研究普通再生集料和球磨再生集料，得出水泥穩(wěn)定再生集料的干燥收縮率是評(píng)價(jià)結(jié)合料耐久性的重要指標(biāo)。

目前在不同廢舊混凝土強(qiáng)度與再生集料及水泥穩(wěn)定再生集料混合料性能之間的關(guān)系還鮮有研究。本文在研究不同廢舊混凝土強(qiáng)度再生集料性能基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)行規(guī)范系統(tǒng)研究了不同強(qiáng)度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生集料混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗沖刷及干縮試驗(yàn)性能，探討廢舊混凝土強(qiáng)度對(duì)水泥穩(wěn)定再生材料性能的影響，為不同強(qiáng)度廢舊混凝土再生集料的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 廢舊混凝土強(qiáng)度

“十三五”期間對(duì)佛山一環(huán)進(jìn)行西拓戰(zhàn)略建設(shè)，項(xiàng)目分為節(jié)點(diǎn)改造(含新建公路)和舊路改造兩個(gè)部分。主要利用現(xiàn)有道路，通過(guò)節(jié)點(diǎn)改造、新建等形式對(duì)部分破損嚴(yán)重的舊水泥混凝土路面(包括原水穩(wěn)層)與部分舊橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行破除處置。該工程將產(chǎn)生大量廢舊橋梁、路面混凝土，其中現(xiàn)有道路、橋梁的設(shè)計(jì)使用年限分別為15年和50年。

為了確定廢舊橋梁中的T梁、立柱及廢舊路面混凝土的強(qiáng)度大小，在結(jié)構(gòu)拆除前分別對(duì)不同部位進(jìn)行鉆芯測(cè)試，并對(duì)3種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行大致推算。在鉆芯取樣、芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、芯樣強(qiáng)度計(jì)算及混凝土強(qiáng)度推定中，嚴(yán)格按照《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 384—2016)中的要求執(zhí)行。

混凝土強(qiáng)度的推定值應(yīng)先計(jì)算推定區(qū)間，推定區(qū)間的上限值和下限值分別按式(1)、(2)計(jì)算，平均值及標(biāo)準(zhǔn)差分別按式(3)、(4)計(jì)算。

fcu,e1=fcu,cor,m-k1scu

(1)

fcu,e2=fcu,cor,m-k2scu

(2)

(3)

(4)

式中：fcu,cor,m、fcu,cor,i分別表示芯樣試件混凝土抗壓強(qiáng)度平均值和單個(gè)值；fcu,e1、fcu,e2分別表示混凝土抗壓強(qiáng)度推定上限值和下限值；k1、k2分別表示推定區(qū)間上限值系數(shù)和下限值系數(shù)；scu表示芯樣試件抗壓強(qiáng)度樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。

由式(1)～(4)并結(jié)合結(jié)構(gòu)鉆芯取樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出廢舊橋梁T梁、立柱及路面混凝土強(qiáng)度的推定值，分別為25.8 MPa、37.4 MPa、58.1 MPa。

2 原材料性質(zhì)

廢舊混凝土再生集料分為0～4.75 mm、4.75～9.50 mm、9.50～19.00 mm、19.00～31.50 mm四種不同的粒徑，為了保障再生集料的均一性，將3種不同強(qiáng)度廢舊混凝土分別用同一臺(tái)破碎機(jī)和同一套規(guī)格的篩網(wǎng)進(jìn)行破碎篩分。按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)相關(guān)試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行了3種再生粗、細(xì)集料的性能試驗(yàn)，詳見(jiàn)表1、表2(其中%為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

表1 粗集料性能Table 1 Properties of coarse aggregate

表2 細(xì)集料性能Table 2 Properties of fine aggregate

由表1和表2可知，混凝土強(qiáng)度增加，再生集料各檔的吸水率略微有所減小，而相對(duì)表觀密度小幅增加，但路面混凝土再生集料的最大吸水率仍達(dá)到了7.07%，相對(duì)表觀密度最大達(dá)到了2.710 g·cm-3，說(shuō)明再生集料的吸水率和相對(duì)表觀密度受強(qiáng)度影響不大。由于再生集料表面本身粗糙且多孔，所以吸水率較一般的天然碎石偏大，相對(duì)表觀密度偏低，廢舊混凝土強(qiáng)度的增加對(duì)這兩者的影響比較微弱。

廢舊T梁、立柱、路面混凝土再生粗集料的壓碎值分別為27.5%、26.8%、24.7%，廢舊立柱與路面混凝土相對(duì)于T梁混凝土來(lái)說(shuō)，再生粗集料壓碎值分別減小了約2.5%、10.2%，針片狀顆粒含量分別減小了約15.7%、43.1%。隨著廢舊混凝土強(qiáng)度增加，壓碎值和針片狀顆粒含量減小的趨勢(shì)較為顯著。這是因?yàn)閺U舊混凝土強(qiáng)度增大，混凝土內(nèi)部孔隙和氣泡都相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí)，在破碎的過(guò)程中不易剝落，且強(qiáng)度較高，不易被壓碎。所以，再生集料的針片狀顆粒含量和壓碎值都在一定程度上有所降低。

隨廢舊混凝土強(qiáng)度增加，再生細(xì)集料液限和塑限均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但塑限指數(shù)則由6.3%增加至7.4%。

3 混合料組成設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

3.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

3種不同強(qiáng)度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生基層材料級(jí)配均采用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中5.1.2推薦的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石或砂礫推薦級(jí)配的骨架密實(shí)型級(jí)配范圍，并都趨于中值，詳見(jiàn)表3。

表3 水泥穩(wěn)定再生基層材料級(jí)配Table 3 Gradation of cement stabilized recycled base material

3.2 最佳含水率及最大干密度測(cè)試

水泥穩(wěn)定再生混合料制備水泥劑量為4.5%，最佳含水率和最大干密度根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中的擊實(shí)試驗(yàn)方法來(lái)確定。由第1節(jié)可知，廢舊T梁、廢舊立柱、廢舊路面混凝土的強(qiáng)度推定值分別為25.8 MPa、37.4 MPa、58.1 MPa。3種水泥穩(wěn)定再生混合料的含水率及干密度隨廢舊混凝土強(qiáng)度的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 最佳含水率及最大干密度Fig.1 Optimum moisture content and maximum dry density

由圖1可知，廢舊T梁、立柱、路面混凝土水泥穩(wěn)定再生材料的最佳含水率分別為9.4%、8.7%和7.5%，最大干密度分別為2.047 g·cm-3、2.093 g·cm-3和2.188 g·cm-3。立柱相對(duì)于T梁混凝土、路面相對(duì)于立柱混凝土的最佳含水率分別減小了7.4%、13.8%，最大干密度分別增加了2.2%、4.5%。隨著混凝土強(qiáng)度的增加，水泥穩(wěn)定再生材料的最佳含水率、最大干密度分別呈接近線性減小和增大的趨勢(shì)，這表明廢舊混凝土強(qiáng)度對(duì)水泥穩(wěn)定再生材料的最佳含水率和最大干密度影響較大。

3.3 試驗(yàn)方案

為了研究不同強(qiáng)度廢舊混凝土對(duì)水泥穩(wěn)定再生材料的力學(xué)性能及耐久性能的影響，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)方法試驗(yàn)結(jié)果，采用靜力壓實(shí)法成型φ150 mm×150 mm圓柱形試件及100 mm×100 mm×400 mm梁式試件，壓實(shí)度均按98%控制，水泥劑量同樣為4.5%，參照規(guī)范JTG E51—2009相關(guān)指標(biāo)控制及試驗(yàn)要求，分別開(kāi)展：7 d、28 d、90 d、180 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；28 d劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)；90 d、180 d抗壓回彈模量試驗(yàn)；抗沖刷、干縮試驗(yàn)。

4 結(jié)果與討論

4.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2為3種不同強(qiáng)度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料分別在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

由圖2可知，水泥穩(wěn)定再生混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著廢舊混凝土強(qiáng)度的增加而增大，表明在一定范圍內(nèi)選用高強(qiáng)度廢舊混凝土能提高其水泥穩(wěn)定再生混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。廢舊T梁、立柱、路面混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在7 d齡期分別為5.55 MPa、6.03 MPa、6.51 MPa，28 d齡期強(qiáng)度分別為6.91 MPa、7.43 MPa、7.99 MPa，180 d齡期強(qiáng)度分別為8.05 MPa、8.76 MPa、9.33 MPa。3種水泥穩(wěn)定再生混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在180 d齡期達(dá)到最大，廢舊T梁、立柱、路面混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在7 d至28 d齡期分別增加了24.5%、23.2%、22.7%，在28 d至180 d齡期分別增加了16.5%、17.9%、16.8%。3種水泥穩(wěn)定再生混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在7 d至28 d齡期內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)速率均大于28 d至180 d齡期，表明水泥穩(wěn)定再生混合料早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較快，后期強(qiáng)度也在持續(xù)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)較為緩慢。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of unconfined compressive strength

4.2 劈裂強(qiáng)度

圖3為3種不同強(qiáng)度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料分別在不同齡期下的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of splitting strength

由圖3可知，水泥穩(wěn)定再生混合料在不同齡期的劈裂強(qiáng)度隨廢舊混凝土強(qiáng)度增加的變化規(guī)律與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度一致，均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。廢舊T梁、立柱、路面混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料劈裂強(qiáng)度在7 d齡期分別為0.41 MPa、0.46 MPa、0.54 MPa,28 d齡期強(qiáng)度分別為0.55 MPa、0.62 MPa、0.73 MPa,90 d齡期強(qiáng)度分別為0.78 MPa、0.89 MPa、1.05 MPa。廢舊T梁、立柱、路面混凝土再生水泥穩(wěn)定混合料劈裂強(qiáng)度在7 d至28 d齡期分別增加了34.1%、34.8%、35.2%，28 d至90 d齡期分別增加了41.8%、41.9%、43.8%。3種水泥穩(wěn)定再生混合料的劈裂強(qiáng)度在7 d至28 d齡期內(nèi)強(qiáng)度增量均小于28 d至90 d齡期。

分析原因：一方面是水泥在齡期內(nèi)的水化作用，使得整體強(qiáng)度增加；另一方面是廢舊混凝土再生集料表面粗糙，且集料與集料界面之間的混凝土還有一定的活性，在經(jīng)加水拌和、制件、養(yǎng)生過(guò)程中可能存在二次水化作用，從而在界面之間會(huì)產(chǎn)生更多的水泥水化產(chǎn)物，使得界面之間的黏聚力大大增強(qiáng)。隨廢舊混凝土強(qiáng)度增加，再生集料強(qiáng)度也隨之增大，這種黏聚力增大的趨勢(shì)表現(xiàn)的更為明顯，所以劈裂強(qiáng)度的增量也略微呈增大的趨勢(shì)。

4.3 抗壓回彈模量

圖4為3種不同強(qiáng)度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料分別在28 d和90 d齡期的抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of compressive resilience modulus

由圖4可知，在不同齡期下，各混合料的抗壓回彈模量隨著廢舊混凝土強(qiáng)度的增加而增大，與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度的變化規(guī)律相似。廢舊T梁、立柱、路面混凝土在28 d齡期下的抗壓回彈模量分別為1 861 MPa、2 219 MPa、2 561 MPa，在90 d齡期下的抗壓回彈模量分別為2 109 MPa、2 540 MPa、2 986 MPa，并且28 d至90 d齡期，抗壓回彈模量分別增加了12.9%、14.5%、16.6%。

4.4 干縮性能

表4為不同強(qiáng)度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料干縮試驗(yàn)結(jié)果。

表4 干縮性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Dry shrinkage test results

由表4可知：隨著廢舊混凝土強(qiáng)度的增加，干縮系數(shù)由40.36×10-6增加至46.44×10-6，混合料的干縮性能降低；干縮應(yīng)變則從395.5×10-6減小至376.6×10-6，這是因?yàn)楦煽s應(yīng)變與含水量有著密切的聯(lián)系，一般來(lái)說(shuō)，初始含水量越大，相應(yīng)的干縮應(yīng)變也就越大。雖然再生集料的吸水率大，但在試件成型的過(guò)程中的含水量大，使得混合料的干縮應(yīng)變和失水率也越大，在單位失水率下的干縮應(yīng)變反而越小，所以干縮系數(shù)減小。

4.5 抗沖刷性能

圖5為不同廢舊混凝土強(qiáng)度水泥穩(wěn)定再生混合料的沖刷試驗(yàn)結(jié)果。

由圖5可知，隨著廢舊混凝土強(qiáng)度的增加，混合料的沖刷質(zhì)量損失呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，由0.20%減小至0.15%。雖然沖刷前后的質(zhì)量損失較高，但抗沖刷能力還是稍有提升。再生集料表面膠結(jié)的混凝土開(kāi)口孔隙較多，在沖刷試驗(yàn)作用下表層細(xì)集料及混凝土材料容易脫落，但廢舊混凝土強(qiáng)度的增加能在一定程度上彌補(bǔ)這一缺陷，所以抗沖刷性能增強(qiáng)。

圖5 抗沖刷試驗(yàn)性能結(jié)果Fig.5 Test results of anti-erosion performance

5 結(jié) 論

(1)廢舊混凝土強(qiáng)度增加，再生集料的壓碎值、針片狀顆粒含量、吸水率及塑限指數(shù)減小，相對(duì)表觀密度有小幅增加；混合料最佳含水率及最大干密度分別近似的呈線性減小和增大的規(guī)律。

(2)廢舊混凝土強(qiáng)度越高，混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也越大，3種混合料7 d至28 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率均高于28 d至180 d齡期。

(3)隨廢舊混凝土強(qiáng)度增加，混合料劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量在不同齡期下都表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)。3種混合料7 d至28 d齡期劈裂強(qiáng)度的增量均小于28 d至90 d齡期。

(4)隨廢舊混凝土強(qiáng)度增加，混合料的干縮系數(shù)增加，抗沖刷性能增強(qiáng)。

(5)廢舊路面混凝土更適合于水泥穩(wěn)定再生材料。