水泥粉煤灰穩(wěn)定磚、混凝土再生碎石試驗

丁永發(fā)，張虎彪，張軒碩，延常玉，李宏波，2，3*

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021；3.寧夏土木工程防震減災工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021）

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的持續(xù)推進，城鎮(zhèn)拆遷、修繕以及裝修中產(chǎn)生的建筑廢棄物逐年增多。據(jù)統(tǒng)計，我國建筑廢棄物年增長率已超過10%[1]，其中磚、混凝土廢棄物占建筑廢棄物的80%～90%，而我國建筑廢棄物再生利用技術仍未成熟，磚、混凝土廢棄物長期堆放，摻雜部分生活垃圾，為其后期再生利用增加了復雜性和不確定性[2-4]。為了實現(xiàn)建筑廢棄物循環(huán)再生利用，降低對天然砂石的開采，眾多國內(nèi)外學者對建筑廢棄物和工業(yè)固廢物綜合利用開展了廣泛的研究。劉子振等[5]用廢棄磚代替天然碎石制備再生混合料試件，對不同磚集料粒徑組合的試塊進行力學性能試驗，發(fā)現(xiàn)磚骨料粒徑主要集中在9.5～19 mm時對試件抗壓強度最為有利。李麗慧等[6]對比分析了兩種級配的含磚再生水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強度，結果表明，接近級配下限的含磚再生骨料強度偏低，實際工程應用中應控制粗集料比例。Z.Tang等[7]對粉煤灰/礦渣基地聚合物再生骨料混凝土準靜態(tài)和動態(tài)加載下的壓縮行為進行了試驗研究，結果表明，抗壓強度動態(tài)增加因子（DIF）隨著再生骨料取代量的增加呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，礦渣的摻入提高了準靜態(tài)抗壓強度、動態(tài)抗壓強度和DIF。吳超凡等[8]采用Bisar 3.0 模擬分析了再生磚、混凝土集料應用于公路基層對路面基層剛度與層底拉應力的影響，發(fā)現(xiàn)再生集料摻量比為40%時，基層層底拉應力與抗壓回彈模量均達到最大值。魯攀等[9]研究了廢棄磚再生集料代替石灰?guī)r集料的路用性能，結果表明，隨廢棄磚再生集料摻比提高，混合料干縮性能呈現(xiàn)變優(yōu)趨勢。姚愛玲等[10]研究了4 種因素對水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性和溫縮性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)影響因素由強到弱依次為級配類型、水泥劑量、養(yǎng)生齡期、硫酸鹽含量。張虎彪等[11]通過粉煤灰、煤矸石混合料的加州承載比（CBR）試驗，確定了粉煤灰的最佳摻比為15%。從上述研究能夠看出，國內(nèi)外學者的研究主要集中于用再生碎石替代天然骨料后混合料的力學性能和變形性能，而將再生碎石按照一定比例復摻，全部替換天然骨料作為道路基層填料的研究較少。本文采用磚、混凝土再生碎石完全替代天然骨料，研究混合料的物理指標和力學性能，旨在為水泥粉煤灰穩(wěn)定磚、混凝土再生碎石混合料應用于公路工程提供理論支撐。

1 試驗原材料

1.1 原材料

（1）水泥采用寧夏賽馬水泥有限公司生產(chǎn)的賽馬牌P.O 42.5 水泥，水泥主要性能指標如表1 所示。

表1 水泥主要性能指標

（2）粉煤灰采用寧夏銀川市西夏區(qū)熱電廠生產(chǎn)的粉煤灰。磚、混凝土再生碎石取自寧夏銀川市金鳳區(qū)建筑集中處置中心。磚經(jīng)破碎機破碎篩分，取用篩下粒徑小于2.5 mm 的細料部分。按照四分法對粉煤灰和磚粉末取樣，利用X 射線熒光分析儀（XRF）進行化學成分檢測，檢測結果如表2 所示。

由表2 可知：粉煤灰化學組成成分中SiO2、Al2O3和Fe2O3的質量分數(shù)之和＞75%，滿足用作基層和底基層結合料的技術要求；磚粉中SiO2和Al2O3含量超過65%，屬于硅鋁質材料，具有潛在膠凝活性和火山灰活性[12]，常溫下易同CaO 結合H2O生成水化硅酸鈣（C-S-H）、水化鋁酸鈣（C-A-H）或水化硫鋁酸鈣（C-A-S-H）等水硬性膠凝材料，水硬性膠凝材料的填充效應增強了材料的強度、耐久性，降低了自收縮。從材料的微觀反應機理分析，將粉煤灰，磚、混凝土再生碎石綜合利用于道路基層具有可行性。

表2 磚粉和粉煤灰化學成分

1.2 再生集料技術特性分析

1.2.1 壓碎值 壓碎值是衡量石料力學性能的一項重要指標，是評價和反映石料在勻速遞增荷載作用下抵抗壓碎的能力。本試驗按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）[13]中的方法，將磚、混凝土再生碎石過9.5 mm 和13.2 mm 標準篩后，取用9.5～13.2 mm 的試樣。試驗前先將磚、混凝土再生碎石放于溫度為100 ℃的烘箱中烘干4 h，并冷卻至室溫，再進行壓碎值試驗，試驗結果見表3。粗集料技術要求見表4。

在道路工程中用作級配碎石的粗集料應當符合《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）[14]中的Ⅱ類規(guī)定。由表3～表4 可知，磚、混凝土再生碎石壓碎值分別為42.8%和22.2%，磚再生碎石壓碎值較大，約為混凝土再生碎石壓碎值的2 倍，將磚、混凝土再生碎石按一定配合比設計時應使混合料壓碎值滿足規(guī)范要求。根據(jù)壓碎值控制指標按線性內(nèi)插法計算磚再生碎石摻量為：高速公路和一級公路底基層≤18.2%，二級及二級以下公路（基層≤37.8%，底基層≤62.1%）。

表3 壓碎值試驗結果

表4 粗集料技術要求[14]

1.2.2 物理指標 將磚、混凝土再生碎石破碎篩分，測定磚再生碎石和混凝土再生碎石粗、細兩種規(guī)格集料的基本物理指標，試驗結果見表5。試驗數(shù)據(jù)表明，磚再生碎石密度低于混凝土再生碎石，吸水率遠大于混凝土再生碎石，混合料制備前需將磚再生碎石浸水飽和。

表5 磚、混凝土再生碎石物理指標

2 配合比設計與試驗方案

2.1 級配設計

為了保證級配的穩(wěn)定性，根據(jù)高速公路和一級公路水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層碎石推薦級配范圍，以及用于二級及二級以上公路基層和底基層的級配碎石，備料選擇應不少于4 檔，本試驗擬設計磚、混凝土再生碎石骨料分為4 檔，分別為26.5～31.5 mm、16～26.6 mm、4.75～16.0 mm、0～4.75 mm，各檔骨料占比（質量比）為5∶24.5∶35.5∶35，磚、混凝土再生碎石混合料級配設計如圖1 所示。

圖1 原材料級配曲線

2.2 配合比設計

考慮到混合料強度、變形、耐久性和材料經(jīng)濟性要求，水泥粉煤灰類穩(wěn)定材料的水泥摻量為3%～7%，同時，《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）[14]推薦水泥∶粉煤灰（質量比）宜在1∶3～1∶5，水泥粉煤灰∶被穩(wěn)定材料（質量比）宜在20∶80～15∶85，通過計算得出粉煤灰摻量宜在10%～15%；根據(jù)A.Mohammadinia 等[15]的研究結果，粉煤灰的最佳摻量在10%～20%。通過以上分析，本試驗最終確定粉煤灰摻量為15%。本試驗以水泥摻量、磚再生碎石摻量為變量，混合料配合比設計如表6 所示。

表6 混合料配合比設計

2.3 試驗方案

本文采用重型擊實試驗方法測定磚、混凝土再生碎石混合料的最佳含水率和最大干密度，將混合料按照靜壓成型法制作成徑高比為1∶1 的圓柱形試件，試件的直徑為150 mm，壓實系數(shù)為0.98。單個試件標準質量的計算方法為

式中：m0為單個試件標準質量，g；m0′為考慮損耗后的質量，g；V 為試件體積，cm3；ωopt為混合料最佳含水率，%；ρmax為混合料最大干密度，g/cm3；γ 為試塊壓實度標準；δ 為計算混合料質量的冗余量，%；α 為無機結合料摻量，%；mw為加水質量，g。

試件脫模后，將試件編號并裝入塑料袋中，移至標準養(yǎng)護箱恒溫（20±2）℃，相對濕度95%，養(yǎng)護至7，28 d 齡期時進行無側限抗壓強度和間接抗拉強度試驗，養(yǎng)護期最后一天需將試件浸水24 h，達到飽水狀態(tài)。

3 結果與分析

3.1 最佳含水率和最大干密度的結果分析

對設計的15 組配合比進行室內(nèi)標準擊實試驗，混合料擊實試驗的結果如表7 所示。

表7 混合料擊實試驗結果

由表7 可知，隨磚再生碎石摻量增加，最佳含水率呈增大趨勢，最大干密度呈減小趨勢；水泥摻比不變，磚再生碎石摻量每增加10%，混合料的最佳含水率平均增加1.57%，最大干密度減小0.026 g/cm3。由于磚再生碎石較混凝土再生碎石孔隙率大，比表面積大，表面粗糙，混合料最佳含水率呈增大趨勢。磚再生碎石密度低于混凝土再生碎石，隨著磚再生碎石在混合料中的比例提高，其最大干密度呈減小趨勢。

3.2 無側限抗壓強度的規(guī)律分析

對15 組配合比試件進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果見圖2，混合料各齡期無側限抗壓強度（fc）與磚再生碎石摻量x 存在的線性關系如表8 所示。

圖2 無側限抗壓強度與磚再生碎石摻量的關系

表8 無側限抗壓強度與磚再生碎石摻量擬合關系式

由圖2 和表8 可知：當外摻水泥劑量相同，10%磚摻量的混合料無側限抗壓強度最大，抗壓強度隨磚再生碎石摻量增加呈近似線性降低的趨勢，磚再生碎石摻量每增加10%，BC-X-4、BC-X-5、BC-X-6的7 d 無側限抗壓強度平均分別減小了0.263，0.190，0.217 MPa，28 d 無側限抗壓強度平均分別減小了0.260，0.410，0.510 MPa；混合料28 d 無側限抗壓強度擬合曲線斜率隨水泥摻量的增大呈減小趨勢，說明水泥劑量對混合料28 d 無側限抗壓強度影響較為明顯，外摻加1%～2%水泥的方式可明顯提高水泥粉煤灰穩(wěn)定磚、混凝土再生碎石混合料的無側限抗壓強度。根據(jù)不同等級公路無側限抗壓強度要求，計算不同水泥劑量的混合料磚再生碎石摻量上限值如表9 所示。

表9 不同等級公路在不同水泥劑量下磚再生碎石摻量上限值

3.3 間接抗拉強度的規(guī)律分析

對15 組配合比的試件進行劈裂試驗，間接抗拉強度試驗結果見圖3，混合料各齡期間接抗拉強度（ft）與磚再生碎石摻量x 存在的線性關系如表10所示。

圖3 間接抗拉強度與磚再生碎石摻量的關系

表10 間接抗拉強度與磚再生碎石摻量擬合關系式

由圖3 和表10 可知：與無側限抗壓強度變化規(guī)律相似，混合料間接抗拉強度隨磚再生碎石摻量的增加呈減小趨勢。以水泥摻量5%為例，BC-10-5 的7 d間接抗拉強度為0.39 MPa，磚再生碎石摻量每增加10%，間接抗拉強度分別下降了7.69%，13.89%，12.90%，7.41%，可以看出磚再生碎石摻量對間接抗拉強度影響較大；BC-10-5、BC-20-5、BC-30-5、BC-40-5 和BC-50-5 混合料的28 d 間接抗拉強度相比7 d 間接抗拉強度分別增加了44.44%，43.75%，48.28%，48.00%，47.62%。這主要是因為隨著養(yǎng)護齡期增加，磚粉、粉煤灰和混合料中的活性物質逐漸與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應，生成了大量的C-S-H、C-A-H 或C-A-S-H 等凝膠物質，這些物質的生成使得磚、混凝土再生碎石與水泥砂漿界面聯(lián)系得更加緊密，顯著提高了試件內(nèi)部的密實度和膠結強度，直接表現(xiàn)為試件強度的提高。

3.4 無側限抗壓強度與間接抗拉強度的規(guī)律分析

由上述試驗結果可知，試件的無側限抗壓強度與間接抗拉強度呈正相關，它們之間的關系是當今學者研究的熱點問題，但路面基層材料的無側限抗壓強度與間接抗拉強度之間的關系鮮有研究。因此，參考普通混凝土常用的抗壓強度與間接抗拉強度換算關系，如式（4）所示，并對其進行修正，得到路面基層材料的無側限抗壓強度與間接抗拉強度之間的關系公式。

式中：ft為混凝土間接抗拉強度，MPa；fc為混凝土圓柱體的抗壓強度，MPa；k 和n 的值可以通過回歸分析得到。

通過對試件的無側限抗壓強度和間接抗拉強度結果分別按線性函數(shù)和冪函數(shù)兩種形式進行回歸分析，混合料無側限抗壓強度和間接抗拉強度之間的關系如圖4 所示。

圖4 無側限抗壓強度和間接抗拉強度之間的關系

無側限抗壓強度和間接抗拉強度關系的回歸方程如式（5）和式（6）所示，與試驗結果吻合程度較好，這表明兩種關系模型均可用于指導實際工程應用。

4 結論

（1）通過磚粉末和粉煤灰XRF 圖譜分析可知，磚和粉煤灰的主要化學成分均為硅鋁質材料及部分堿性氧化物，有一定的火山灰活性成分，適宜用作道路基層材料。

（2）通過磚、混凝土再生碎石壓碎值試驗，按照集料壓碎值控制指標，建議高速公路和一級公路底基層磚再生碎石摻量不宜超過18.2%，二級及二級以下公路基層摻量不宜超過37.8%，底基層摻量不宜超過62.1%。

（3）混合料無側限抗壓強度及間接抗拉強度均隨磚再生碎石摻量增加呈近似線性減小趨勢，根據(jù)不同等級公路強度要求，提出水泥摻比分別為4%，5%，6%的水泥粉煤灰穩(wěn)定磚、混凝土再生碎石混合料中磚摻量的上限值，為磚、混凝土再生碎石應用于公路基層和底基層提供技術支撐。

（4）通過試驗數(shù)據(jù)擬合出路面基層材料無側限抗壓強度與間接抗拉強度之間的關系模型，其中冪函數(shù)和線性方程擬合程度較高，均可為實際工程應用中無側限抗壓強度和間接抗拉強度相互轉化提供依據(jù)。