再生骨料表征與其摻量對路面基層混合料性能的影響

陳 帥，李海玉,韓江龍

(1.恩施州交通運輸綜合執(zhí)法支隊， 恩施 445000；2.中鐵大橋局九公司，中山 528437)

我國的基礎(chǔ)建設(shè)在改革開放以后取得了長足的發(fā)展，大量的建筑垃圾也隨之產(chǎn)生。目前建筑垃圾的處理方式由以往的粗放式填埋漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源再利用，但我國建筑垃圾資源化利用率低于5%，而歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家均高于90%。建筑垃圾的破碎分級可以得到再生骨料，此舉解決了其隨意堆放掩埋造成的環(huán)境污染問題，同時也緩解了建筑砂石的短缺情況[1]。雖然我國也開展了很多建筑垃圾資源的研究工作，其研究發(fā)展工作從目前來看，仍然有很大的進步空間。我國廢棄混凝土的再利用率低，天然骨料的短缺，以及有關(guān)再生骨料的規(guī)范的空白，反向促進了廢棄混凝土再生骨料的研究。

中南大學(xué)張建暉[2]通過對不同粒徑的再生骨料開展XRD、pH值、抗壓強度和滲透率的檢測，得到結(jié)論：再生細(xì)骨料的水泥砂漿含有未水化水泥，對其自身凝膠性能起主要影響的粒徑范圍是小于0.15 mm和0.3～0.6 mm的顆粒組分。侯景鵬[3]等參考國內(nèi)外再生骨料的生產(chǎn)工藝，開發(fā)出帶有風(fēng)力分揀功能的骨料生產(chǎn)技術(shù)。將粒徑為0.15～5 mm的骨料通過風(fēng)力分揀設(shè)備挑選出來，這為再生細(xì)骨料的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。何永全[4]等通過對建筑垃圾再生細(xì)骨料進行基本性能的測試分析，研究發(fā)現(xiàn)再生細(xì)骨料主要是廢棄混凝土破碎過程中產(chǎn)生的棱角和水泥砂漿，內(nèi)部含有大量裂縫和孔隙，且含有大量石屑、水泥砂漿和雜質(zhì)等，致使再生細(xì)骨料物理性能較差。劉克非[5]等測試了不同再生粗骨料摻量、不同水泥劑量下水穩(wěn)基層材料的物理力學(xué)性能和干縮性能。結(jié)果表明：再生粗骨料摻量不宜超過 50%，可將水泥劑量控制在5%以下，再生骨料水穩(wěn)基層材料具有較高的失水率和干縮量。國內(nèi)外研究成果表明對于再生細(xì)骨料，目前試驗研究大多集中于砂漿、細(xì)骨料混凝土。再生骨料在道路基層的應(yīng)用研究主要集中于再生粗骨料，將再生細(xì)骨料完全應(yīng)用于 道路基層的研究比較少見。

通過圍繞混泥土再生細(xì)骨料，致力于探究混凝土再生細(xì)骨料的資源再利用。研究主要通過室內(nèi)試驗進行:1)混凝土再生細(xì)骨料的基本性能研究包括：1)對再生細(xì)骨料進行篩分試驗、吸水率試驗和密度等性能試驗。2)對再生粉料進行XRF熒光分析、粒度分析試驗、XRD衍射分析，分析再生粉料的組成成分、粒度分布及礦物組分。3)水泥穩(wěn)定混凝土再生細(xì)骨料配合比設(shè)計研究：確定再生粉料摻量和水泥劑量，并進行擊實試驗，總結(jié)再生粉料摻量和水泥劑量對水泥穩(wěn)定再生細(xì)骨料混合料最佳含水率和最大干密度的影響。

1 材料與實驗

1.1 原材料

混凝土再生細(xì)骨料來源于武漢本地的再生骨料廠，采用顎式破碎機加工。

1.2 實驗方法

1)篩分試驗

規(guī)范《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTGT F20—2015規(guī)定對基層用細(xì)骨料必須用水洗法篩分。水洗法試驗步驟按規(guī)范《公路工程集料試驗規(guī)程》JTG E42—2005細(xì)集料篩分試驗進行。按規(guī)范要求取烘干試樣500 g，倒入試筒中。加水充分?jǐn)嚢?，將試筒中的懸浮液過1.18 mm篩和0.075 mm篩組成的套篩，重復(fù)此步驟，直到倒出的水潔凈。將套篩上骨料收集加入試筒，烘干至恒重。兩次烘干試樣的差值即為小于0.075 mm的篩底部分。將洗去小于 0.075 mm部分的干燥骨料置于全部套篩(已無需0.075 mm篩)上，篩分到規(guī)定要求，稱取各篩篩余試樣質(zhì)量，各號篩的篩余百分率為各篩余量除以試樣總質(zhì)量。進行兩次平行試驗。累計篩余百分率為該號篩和大于該號篩的各號篩的分計篩余百分率之和。關(guān)于細(xì)度模數(shù)的計算，對瀝青路面及各種路面的基層、底基層用的天然砂，按式(1)計算。

(1)

式中，Mx為砂的細(xì)度模數(shù);A0.15、A0.3、A0.6、A1.18、A2.36、A4.75分別為 0.15 mm、 0.3 mm、…、4.75 mm各篩上的累計篩余百分率，%。

2)吸水率試驗

按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)中“細(xì)集料密度及吸水率試驗 ”對混凝土再生細(xì)骨料做吸水率試驗。按規(guī)范要求取再生細(xì)骨料1.5 kg，浸水24 h后，倒出多余水，不斷翻拌試樣，用吹風(fēng)機吹至規(guī)范規(guī)定的程度。稱取飽和面干質(zhì)量m1，然后放入烘箱烘干至恒重m2。做兩次平行試驗。細(xì)骨料的吸水率按式(2)計算。

(2)

式中，ω為吸水率，%;m1為骨料的篩余量，g；m2為骨料的通過量，g。

3)再生細(xì)骨料密度試驗

參照規(guī)范《建設(shè)用砂》(GB/T14684—2011)對混凝土再生細(xì)骨料做表觀密度試驗、堆積密度試驗和空隙率試驗。

表觀密度：按規(guī)范要求取烘干試樣300 g加入容量瓶，注入冷開水至 500 mL充分搖均，蓋緊瓶蓋，靜置24 h。加水至500 mL刻度線，稱取試樣、水和容量瓶總質(zhì)量m1。洗凈容量瓶，加水至 500 mL刻度線，稱取水和容量瓶總質(zhì)量m2。做兩次平行試驗。混凝土再生細(xì)骨料的表觀密度按式(3)計算。

(3)

式中,ρ0為細(xì)骨料的表觀密度，kg/m3;m0為烘干試驗質(zhì)量，g；α為水溫對表觀密度影響的修正系數(shù)。

松散堆積密度：按規(guī)范要求取烘干試樣，用料勺將試樣在容量筒上方5 cm處自由落入容量筒，至容量筒溢滿，上部呈椎體時停止。按規(guī)定刮平試樣，稱取容量筒和試樣總質(zhì)量。緊密堆積密度：按規(guī)范要求取烘干試樣，分兩次裝入容量筒。在容量筒底部放一個圓鋼，每次裝完試樣后，左右交替掂擊地面25下。按規(guī)定刮平試樣，稱取容量筒和試樣總質(zhì)量?；炷猎偕?xì)骨料的松散或緊密堆積密度按式(4)計算。

(4)

式中,G2為容量筒和試樣總質(zhì)量，g;G1為容量筒質(zhì)量，g；V為容量筒的容積，L。

4)對混凝土再生粉料進行X射線熒光分析(XRF)、XRD衍射分析以及通過激光粒度儀來測定再生粉料的粒徑分布。

5)擊實試驗

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)進行擊實試驗，并繪制混合料的擊實曲線。根據(jù)原材料粒徑選擇甲法進行擊實。

穩(wěn)定材料的濕密度按式(5)計算。

(5)

式中，ρw為混合料的濕密度，g/cm3；m1為擊實筒與筒內(nèi)混合料的總質(zhì)量，g；m2為擊實筒的質(zhì)量，g；V為擊實筒的容積，cm3。

穩(wěn)定材料的干密度按式(6)計算。

(6)

式中，ρd為混合料的干密度，g/cm3；w為混合料的含水率，%。

對每個水泥劑量(5%，6%)每種混合料(0，4%，8%，12%)拌料2 kg進行擊實，通過擊實數(shù)據(jù)含水量和干密度將試驗各點采用二次曲線方法擬合曲線，繪制含水率-干密度曲線。最佳含水率和最大干密度通過擬合曲線求得。

2 結(jié)果與討論

2.1 篩分試驗

混凝土再生細(xì)骨料的篩分結(jié)果如表2所示。

表2 混凝土再生細(xì)骨料篩分結(jié)果

混凝土再生細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為 3.45 在3.1～3.7范圍內(nèi)，屬粗砂。規(guī)范《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTGT F20—2015)對細(xì)骨料僅規(guī)定通過 4.75 mm篩孔和 0.075 mm篩孔質(zhì)量百分率分別為90%～100%和0～20%。當(dāng)細(xì)骨料用于高速公路和一級公路，其中小于0.075 mm的顆粒應(yīng)小于15%；而細(xì)骨料用于二級及二級以下公路，其中小于0.075 mm的顆粒含量應(yīng)小于20%。由表2可以看出，此混凝土再生細(xì)骨料符合該規(guī)范對細(xì)骨料的粒徑要求，其應(yīng)用于道路基層成為可能。

2.2 吸水率試驗

由表3可以看出,混凝土再生細(xì)骨料的飽和面干吸水率大，吸水性能好。 這是由于再生骨料中的水泥砂漿有附著在骨料表面和獨立存在兩種形式，再生細(xì)骨料中的水泥砂漿主要以第二種形式存在。這些物質(zhì)空隙率較高，再加上廢棄混凝土在加工破碎過程中的損傷導(dǎo)致大量微裂縫，從而導(dǎo)致吸水率較大。

表3 吸水率試驗計算結(jié)果

2.3 再生細(xì)骨料密度試驗

由表4可以看出：再生細(xì)骨料的表觀密度和堆積密度均小，其空隙率較大。這是由于再生細(xì)骨料的生產(chǎn)過程中棱角較多，表面不規(guī)則，堆積時骨料之間形成嵌擠，占較大體積。另外，再生細(xì)骨料不僅表面附著有水泥砂漿而且含有大量獨立存在的水泥砂漿塊，水泥砂漿結(jié)構(gòu)松散，密度低。這些均導(dǎo)致再生細(xì)骨料的密度偏小。

表4 再生骨料表觀密度及堆積密度

2.4 X射線熒光分析及XRD衍射分析

對混凝土再生粉料進行X射線熒光分析(XRF)，混凝土再生粉料的化學(xué)成分見表5。由表5可知，再生微粉中含量較多的成分是SiO2和 CaO，占到約全部成分的70%。其中SiO2含量最高，主要是由于生產(chǎn)過程 中產(chǎn)生了大量石屑。

表5 混凝土再生微粉的化學(xué)成分 w/%

對混凝土再生微粉進行X射線衍射檢測分析，混凝土再生粉料的X射線衍射(XRD)圖譜如圖1所示，并用相關(guān)軟件進行物相分析。從圖1可以看出，混凝土再生粉料的礦物成分主要為SiO2和CaCO3，可見所選用的再生粉料所含未水化水泥較少。

2.5 粒度分析試驗

通過激光粒度儀測定再生粉料的粒徑分布，可知級配連續(xù)性比較明顯，但超細(xì)微粉料占比較少。一般顆粒粒徑越小，比表面積越大，表面原子增多，這些原子活性較高。可以推測混凝土再生粉料的活性不高。

2.6 擊實試驗

擊實試驗所得最佳含水量和最大干密度見表6和表7。此處只列舉水泥劑量為6%時擊實試驗的擬合曲線，如圖2所示。

表6 5%水泥劑量下最佳含水率和最大干密度

表7 6%水泥劑量下最佳含水率和最大干密度

由表6和表7可知，隨再生粉料摻量在 0、 4%、 8%、 12%變化，混合料最佳含水率變化約 3%，而最大干密度變化僅約 0.05 g/cm3。

由圖2觀察粉料摻量4%、8%的混合料擊實擬合曲線，相關(guān)系數(shù)均大于0.9，擬合可靠性高，說明此兩組配合比擊實性能較穩(wěn)定。

由圖3可知，1) 隨著再生粉料摻量的增加混合料的最佳含水率和最大干密度隨之提高。由圖3(a)可知，隨著再生粉料摻量的增大，混合料最佳含水量快速增加，甚至增幅還有加大的趨勢，這是由于再生粉料具有一定的吸水性。而由圖3(b)可以看出，隨著再生粉料摻量的增大，混合料的最大干密度同樣也在增加，只是增幅逐漸降低，再生粉料填充了混合料之間的孔隙，使混合料變得更加密實。

2)再生粉料摻量相同時，6%水泥劑量的混合料與5%水泥劑量的混合料相比，混合料的最佳含水量增大，而最大干密度減小。這是由于加入的水泥容重較再生粉料的小，細(xì)度小，所以混合料容重減小，吸水量增大。

3 結(jié) 論

a.對混凝土再生細(xì)骨料的生產(chǎn)情況進行調(diào)研，從混凝土再生細(xì)骨料和再生粉料兩個層面分析混凝土再生細(xì)骨料的物理性能。結(jié)果表明：從細(xì)度模數(shù)和粒徑區(qū)間來看，混凝土再生細(xì)骨料屬于粗砂。表現(xiàn)出密度小、孔隙率高、吸水率大的特點。再生粉料的成分主要為SiO2和CaCO3，粉料微級配較差。

b.混凝土再生細(xì)骨料應(yīng)用于基層混合料的配合比進行設(shè)計。結(jié)果表明：再生細(xì)骨料中再生粉料摻量對其最大干密度和最佳含水率有較大影響，隨再生粉料摻量在 0、4%、8%、12%變化，混合料最佳含水率變化達(dá)到約3%，最大干密度變化僅約 0.05 g/cm3。