再生骨料基層力學(xué)增強(qiáng)機(jī)理與環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究

作者簡(jiǎn)介：楊 浪（1988—），工程師，主要從事隧道與地下工程施工、監(jiān)測(cè)研究工作。

摘要：利用廢棄混凝土和建筑垃圾作為再生骨料用作水泥穩(wěn)定碎石基層材料，擴(kuò)大了廢棄混凝土和建筑垃圾等固廢資源的利用范圍。文章通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）技術(shù)及X射線衍射（XRD）技術(shù)對(duì)再生骨料的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分進(jìn)行分析，研究在水泥穩(wěn)定碎石基層中添加再生骨料對(duì)其力學(xué)性能的增強(qiáng)機(jī)理，并對(duì)其浸出毒性及環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：道路工程；再生骨料；基層；物化特性；浸出毒性

中圖分類號(hào)：U416.01

0 引言

隨著城市建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，對(duì)于道路和土地利用的需求也日益增長(zhǎng)。然而，在傳統(tǒng)基層材料中使用的天然骨料存在供應(yīng)不足、環(huán)境破壞和高能耗等問(wèn)題，因此尋找可替代的、環(huán)境友好的材料成為當(dāng)今工程領(lǐng)域的重要課題^［1］。再生骨料水泥穩(wěn)定碎石作為一種新型的基層材料，具有許多優(yōu)勢(shì)，例如可回收利用廢棄混凝土和建筑垃圾、減少資源消耗、降低二氧化碳排放等^［2］。然而，在廣泛推廣和應(yīng)用之前，需要深入了解其力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)理以及潛在的浸出毒性對(duì)環(huán)境的影響。

由于再生骨料的多孔性，再生骨料具有比天然集料更大的壓碎值、更高的吸水率和更低的表觀密度的特性，因此通常作為部分集料替代路面基層材料^［3］。再生骨料中的活性火山灰材料將與水化產(chǎn)物反應(yīng)，產(chǎn)生水合硅酸鈣^［4］。此外，再生骨料中存在一些重金屬等污染物，具有一定的毒性浸出風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要探索這類污染物從再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料中浸出過(guò)程，并評(píng)估其毒性浸出方面的潛在局限性^［5］。

本文旨在通過(guò)系統(tǒng)的研究和試驗(yàn)分析，探討再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)理，并評(píng)估其在浸出過(guò)程中釋放的有害物質(zhì)對(duì)周圍環(huán)境的潛在影響。通過(guò)深入研究再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)性能和環(huán)境影響，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 再生骨料的物理與化學(xué)特性分析

本文采用符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007、JTG/T F20-2015的P.O 42.5R快硬水泥，其初凝和終凝時(shí)間分別為202 min和372 min，3 d和28 d抗彎強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度分別為5.2 MPa和8.5 MPa；25.0 MPa和53.0 MPa。粗集料采用玄武巖碎石，細(xì)集料采用玄武巖與再生骨料，其粒徑分布如圖1所示。對(duì)于所用粗集料，玄武巖碎石與再生骨料的表觀比重分別為2.735和2.331，吸水率分別為1.24%和17.36%，針片狀含量分別為9.57%和9.97%，壓碎值分別為21.63%和41.53%。對(duì)于所用細(xì)集料而言，玄武巖碎石與再生骨料的表觀比重分別為2.689和2.116，吸水率分別為1.73%和17.60%，液限分別為18.06%和37.91%，塑限指數(shù)分別為4.34和8.50。

本文采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散光譜（EDS）技術(shù)進(jìn)行再生骨料的微觀結(jié)構(gòu)和元素分析，這些技術(shù)具有放大倍數(shù)、景深、視野和三維成像等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)SEM-EDS儀器使用聚焦的窄電子束逐點(diǎn)掃描再生骨料樣本，電子束與再生骨料表面的相互作用會(huì)產(chǎn)生特征X射線、背散射電子和二次電子信號(hào)等物理信號(hào)。通過(guò)物理信號(hào)的采集、放大和處理后投影成像實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)和元素分析，其中微觀結(jié)構(gòu)形貌表征主要依靠二次電子信號(hào)，化學(xué)元素可以通過(guò)特征X射線確定。通過(guò)SEM技術(shù)觀察再生骨料的微觀結(jié)構(gòu)形貌，如圖2所示。SEM圖像顯示再生骨料形狀不規(guī)則，邊緣粗糙，表面有一些微孔和團(tuán)聚。從圖3中的EDS分析結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)，再生骨料中含有大量的氧、硅、鋁、鈣、碳、鐵、鎂等元素，不同檢測(cè)區(qū)域的EDS結(jié)果略有波動(dòng)。由于氧元素含量高，再生骨料中有許多氧化物形式，可以為水泥穩(wěn)定碎石基層材料提供一些潛在的活性。因此，多孔再生骨料的表面微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和高氧化物是造成較高吸水率和破碎值的原因。

采用X射線衍射（XRD）技術(shù)分析再生骨料的礦物成分。再生骨料的組成、內(nèi)部原子或分子結(jié)構(gòu)形貌可以從XRD圖譜中得到。將10 g粒度＜0.015 mm的再生骨料粉末過(guò)篩、干燥后，研磨成粒度＜300目的粉末進(jìn)行XRD掃描。圖4顯示了基于XRD的再生骨料礦物成分結(jié)果。從XRD圖中可以看出，有一些代表石英無(wú)機(jī)晶相的強(qiáng)峰，少量代表長(zhǎng)石晶相的弱峰，XRD圖譜中有赤鐵礦，其中石英是主要晶相。根據(jù)圖4所示的礦物組成，再生骨料可以提供與水泥水化產(chǎn)物進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)的物質(zhì)，因而其具有火山灰活性且潛力較大。2 再生骨料水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)增強(qiáng)機(jī)理分析

參考我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JTG/T F20-2015，基于工程經(jīng)驗(yàn)確定骨料級(jí)配范圍和CSM級(jí)配曲線，根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JTG E51-2009中的C級(jí)重型壓實(shí)試驗(yàn)方法（T0804-1994），將骨料和水泥充分混合后，分三層倒入圓柱形壓實(shí)機(jī)中且每層擊實(shí)98次，制備圓柱形試件。本研究使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，其成分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鋁酸鐵四鈣等。水泥中成分與水接觸后會(huì)在水泥穩(wěn)定碎石基層試件內(nèi)部立即發(fā)生水化反應(yīng)，水化反應(yīng)速度不同，并有水化熱，隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng)，生成水化產(chǎn)物即氫氧化鈣。此外，根據(jù)圖3的 EDS譜圖，再生骨料鈣離子含量較高，因此，再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料浸泡液中的二價(jià)陽(yáng)離子主要來(lái)自水泥和再生骨料這伴兩種來(lái)源。由于水泥用量相同，水化產(chǎn)物中的二價(jià)陽(yáng)離

子對(duì)于所有水泥穩(wěn)定碎石基層材料來(lái)說(shuō)都是相同的，而再生骨料提供的二價(jià)陽(yáng)離子與再生骨料取代率呈正相關(guān)。同時(shí)，再生骨料中的火山灰物質(zhì)不斷與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成不溶于水的水化硅酸鈣（C-S-H），降低了二價(jià)陽(yáng)離子的濃度。乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2Na）是一種具有六個(gè)配位原子的螯合劑，由于螯合作用，它可以與金屬離子結(jié)合生成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的絡(luò)合物。EDTA滴定法作為檢測(cè)再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料膠結(jié)料含量的有效手段，得到了廣泛應(yīng)用，是一種測(cè)試再生骨料火山灰活性和膠結(jié)料對(duì)火山灰活性激發(fā)效應(yīng)的化學(xué)檢測(cè)方法。通常會(huì)有二價(jià)和三價(jià)陽(yáng)離子的干擾，可以加入掩蔽劑消除影響。根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JTG E51-2009的T0809-2009方法，EDTA滴定法用于不同再生骨料替代率的水泥穩(wěn)定碎石基層材料測(cè)試，如圖5（a）所示。加入EDTA-2Na溶液捕獲二價(jià)陽(yáng)離子，溶液顏色由玫瑰色變?yōu)榧兯{(lán)色。EDTA-2Na溶液的消耗量與二價(jià)陽(yáng)離子呈正相關(guān)。在圖5（b）中，含有火山灰活性的再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料內(nèi)部反應(yīng)緩慢，二價(jià)陽(yáng)離子的消耗主要發(fā)生在后期。圖5（b）結(jié)果可以證明再生骨料的火山灰特性，并且火山灰反應(yīng)速率慢于水化反應(yīng)速率。火山灰反應(yīng)將形成晶體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部膠結(jié)成一個(gè)整體并增強(qiáng)界面過(guò)渡區(qū)，從化學(xué)反應(yīng)的角度解釋了再生骨料對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層材料強(qiáng)度的積極影響。

3 基于浸出毒性的再生骨料水泥穩(wěn)定碎石環(huán)境影響研究

再生骨料是一種固體廢棄物，除C、O、Si、Fe、Al、Ca、Mg和Na等主要元素外，還可能含有Zn、Cu、Cr、Cd、Ni、Pb、As等有害微量元素。這些有害的微量重金屬元素可能會(huì)從再生骨料水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層中滲漏出來(lái)，對(duì)周圍環(huán)境造成潛在威脅。再生骨料是否污染環(huán)境是再生骨料在路基上應(yīng)用的關(guān)鍵前提。摻入再生骨料的水泥穩(wěn)定碎石沒(méi)有發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，針對(duì)再生骨料制備的水泥穩(wěn)定碎石試樣，需要進(jìn)行重金屬元素的浸出毒性檢測(cè)。再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料經(jīng)過(guò)7 d養(yǎng)生后的過(guò)濾浸出液中重金屬元素的浸出毒性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，盡管重金屬元素浸出毒性的濃度隨著再生骨料替代率的增加有明顯增加的趨勢(shì)，但參照表2我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 5085.3-2007，幾種重金屬元素的浸出濃度遠(yuǎn)低于浸出毒性鑒定的閾值。同時(shí)，對(duì)照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 3838-2002和GB/T 14848-2017中的地表水和地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，再生骨料替代率為0～20%的水泥穩(wěn)定碎石基層材料重金屬元素浸出濃度可滿足地表水和地下水一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求?？傮w上，地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，其中滿足Ⅰ、Ⅱ類地下水應(yīng)用范圍較廣，Ⅲ類地下水可作為集中飲用水與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水。不同再生骨料替代率下水泥穩(wěn)定碎石基層材料的重金屬元素浸出濃度均符合Ⅲ類地下水標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)椋海?）水泥的水化產(chǎn)物（C-S-H）可以達(dá)到納米級(jí)，并且由于其物理包裹和凝固，一些重金屬離子可以固定在水泥穩(wěn)定碎石基層材料內(nèi)部；（2）由于水化產(chǎn)物（C-S-H）的比表面積大，重金屬離子也可以被吸收；（3）由于化學(xué)反應(yīng)和離子置換，一些重金屬離子也會(huì)被固定在水泥穩(wěn)定碎石基層材料中，進(jìn)一步降低其濃度。實(shí)際上，有毒重金屬元素的浸出一般是一個(gè)緩慢的過(guò)程，可見(jiàn)將再生骨料內(nèi)有毒重金屬元素固定在水泥穩(wěn)定碎石基層材料中更為可靠。因此，以建筑垃圾為原料的再生骨料制備而成的水泥穩(wěn)定碎石基層材料不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，可直接投入工程應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

基于廢棄混凝土和建筑垃圾用于再生骨料，本文探討了再生骨料對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)性能的增強(qiáng)機(jī)理，并對(duì)其浸出毒性及環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，可以得出以下結(jié)論：

（1）基于掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）與X射線衍射（XRD）技術(shù)，再生骨料表面多孔微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和高氧化物是造成其較高吸水率和破碎值的主要原因，可以提供與水化產(chǎn)物反應(yīng)的成分，具有火山灰反應(yīng)和膠凝活性的潛力。

（2）基于EDTA滴定法，具有火山灰活性的再生骨料使得水泥穩(wěn)定碎石基層材料內(nèi)部反應(yīng)緩慢，二價(jià)陽(yáng)離子的消耗主要發(fā)生在后期。火山灰反應(yīng)將形成晶體結(jié)構(gòu)，膠結(jié)成一個(gè)整體并增強(qiáng)界面過(guò)渡區(qū)，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層后期強(qiáng)度具有積極影響。

（3）基于重金屬元素的浸出毒性檢測(cè)，隨著再生骨料替代率的增加，再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料的浸出毒性重金屬元素的濃度逐漸增加，但其濃度遠(yuǎn)低于浸出毒性鑒定的閾值，也符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地表水和地下水的要求。

綜上所述，再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層能夠持續(xù)提高其后期力學(xué)性能，但在工程實(shí)施中應(yīng)充分考慮其浸出毒性對(duì)環(huán)境的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境評(píng)價(jià)和管理措施，以確保工程的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境安全。

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收稿日期：2023-06-30