機場道面混凝土再生集料的性能及生產工藝改進

杜 浩，杜先照

（1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2.武漢地鐵集團有限公司 湖北 武漢 430030）

0 前言

混凝土再生集料簡稱再生集料，是將廢棄混凝土經過破碎、篩分、清洗，以及按一定比例相互混合后得到的集料。第二次世界大戰以后，美國、前蘇聯、德國、荷蘭、日本等國相繼對廢棄混凝土的再生利用進行了研究。我國對混凝土再生集料的研究起步相對較晚，特別是在公路行業，對水泥混凝土路面再生利用的研究與應用，相比于建筑行業而言，不夠系統、深入。在機場場道工程領域，對水泥混凝土道面再生利用所開展的研究和工程實踐更為欠缺。楊慶國（2005）[1]、扈恩增（2006～2009）[2,3]、周海春（2007）[4]、郭恩等（2008）[5]等分別對道面混凝土再生集料的性能進行了研究，研究的成果對路面廢舊混凝土的再生利用具有重要參考價值。

然而，以上研究均針對公路路面廢棄混凝土，對于機場道面廢棄混凝土再生集料的性能，國內尚無研究。考慮到機場混凝土道面設計及施工的特殊性，結合上海虹橋國際機場A滑行道K0-K2段大修工程，本文對大修產生的道面混凝土再生集料性能進行了系統研究。通過大量室內試驗，明確了再生集料的性能并對生產工藝進行了改進。

1 再生集料的來源

本文選取虹橋國際機場A滑行道K0-K2段面層整體翻修產生的廢棄混凝土作為原材料，采用鎬頭機或風鎬，對廢棄混凝土塊進行人工初次破碎，并手工剔除鋼筋、木塊等雜質后，將解小的混凝土塊體送入顎式破碎機進行一次破碎的方式來生產道面混凝土再生集料，具體情況見表1所列。廢棄混凝土中含有30%左右的硬化水泥砂漿及70%左右的天然集料。天然集料中碎石居多，也含有極少量的卵石。

表1 再生集料的來源情況一覽表

2 再生集料的性能

按照《公路工程集料試驗規程》（JTGE42-2005)[6]中“T0301-2005粗集料取樣法”的要求，充分考慮再生粗細集料離析的可能性，在集料加工現場的皮帶運輸機端部選取一組代表性試樣，總重量約1 t。首先對這組試樣進行了室內篩分試驗，得出道面混凝土再生集料的級配特征，再研究了再生集料的形態特征及各項性能。

本文重點對再生粗集料的性能開展試驗研究。而對于再生細集料，由于其主要起填充作用，僅對其個別基本性能進行試驗研究。為了更好地體現和了解道面混凝土再生集料的特性，選取天然集料進行對比試驗，天然粗集料采用普通石灰巖碎石，天然細集料則采用普通石灰巖石屑和天然河砂。試驗中均以2.36 mm作為再生粗細集料的分界。

2.1 再生集料的級配特征

按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中“T0302-2005粗集料及集料混合料的篩分試驗”的要求，對再生集料進行篩分試驗，試驗采用標準方孔篩，篩孔尺寸為0.075～37.5 mm。考慮到再生集料中大粒徑顆粒很多，集料在運輸過程中，以及堆放在實驗室內時難免產生離析現象，因此對重量約1 t的取樣量都進行了篩分，以最準確地反映道面混凝土再生集料的真實級配情況。篩分試驗結果見表2所列。

從表2可以看出，通過顎式破碎機一次破碎后的再生集料顆粒偏粗，粒徑大于37.5 mm的再生集料含量非常高，占集料總質量的64.99%；再生細集料（顆粒粒徑小于2.36 mm）含量較少，僅有2.57%；部分再生集料的顆粒粒徑超過100 mm，最大粒徑甚至達到150 mm。

表2 再生集料的篩分試驗結果一覽表

2.2 再生粗集料的性能

再生粗集料有三種基本形態：一是復合顆粒，即表面包裹著部分水泥砂漿的石子；二是天然集料顆粒，即與砂漿脫離的石子（表面或粘附少量砂漿）；三是水泥砂漿顆粒。其中復合顆粒約占90%，天然集料顆粒約占7%，水泥砂漿顆粒約占3%。粒徑大于31.5 mm的再生集料基本都為復合顆粒，隨著粒徑的減小，復合顆粒的含量也相應減少。粒級為13.2～26.5 mm的再生集料中，各形態顆粒含量較穩定，基本維持在80%左右的復合顆粒和20%左右的天然集料顆粒，水泥砂漿顆粒的含量極少。粒級為2.36～9.5 mm的再生集料中，三種形態顆粒含量較均勻，隨著粒徑的減小，水泥砂漿顆粒的含量大幅增加。

為了研究再生粗集料的性能，進行了大量室內試驗，試驗過程均按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中的相關要求進行，試驗結果匯總于表3。

表3 再生粗集料性能試驗結果匯總表

2.2.1 含水率

按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中“T0305-1994粗集料含水率試驗”的要求，將通過室內風干的不同粒級再生粗集料和天然粗集料分別放入烘箱內加熱烘干，烘箱溫度控制在105℃，測定不同時間的粗集料質量變化。其結果如圖1所示。

由圖1可知，天然粗集料的含水率很小，約為0.25%；再生粗集料的含水率較大，達到2.4%～4.4%。不同粒徑的天然粗集料含水率均在0.2%～0.3%之間，顆粒粒徑的變化對含水率的影響很小；然而再生粗集料的粒徑大小對含水率的影響較大，粒徑越小，則含水率越大。主要因為集料中的硬化水泥砂漿體中含有大量的凝膠物質，在105℃的溫度下這些凝膠物質會釋放部分結晶水。長安大學的張超等人[7]對磨細的硬化水泥凈漿進行熱分析試驗，發現水泥石在加熱時會產生顯著的吸熱現象，并伴隨質量的損失。因此，再生集料的質量在高溫加熱時發生明顯減小正是水泥石中的結晶水大量損失所造成的。

一般情況下再生粗集料的粒徑越小，則顆粒中的水泥漿體含量越高且比表面積越大，加熱時的質量損失越大。而粒級31.5 mm的再生集料含水率高于26.5 mm的再生集料，主要是因為31.5 mm再生集料中基本不再含有天然集料顆粒，水泥漿體含量反而高于26.5 mm再生集料。

天然粗集料在105℃烘箱中加熱4 h后質量基本不再變化；而2.36～16 mm再生粗集料加熱36 h后質量才基本不再變化，19～31.5 mm再生粗集料則需要加熱48 h。在105℃下水泥石釋放結晶水是一個緩慢的過程，粒徑越小的再生粗集料比表面積越大，受熱越均勻，集料內部的水分也越容易脫離，因此脫水速率也越快。

2.2.2 密度和吸水率

天然粗集料通常按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中“T0304-2005粗集料密度與吸水率試驗（網籃法）”測定集料的密度與吸水率。該方法最后要求將潮濕集料放入105℃烘箱中烘干至恒重，以稱取集料的烘干質量ma。由含水率試驗結果可知，再生粗集料中的水泥漿體在105℃下會釋放結晶水，這部分結晶水的損失會造成ma的測定值偏小許多，因此再生粗集料并不能完全按照試驗規程中的方法計算密度與吸水率，否則會造成吸水率和表觀密度的計算結果偏大，毛體積密度的計算結果偏小（表干密度不受影響）。

如果按照試驗規程測定再生粗集料的密度與吸水率，在計算吸收水分時，必須扣除再生粗集料在加熱烘干時內部結晶水的損失。實際操作中，需首先通過含水率試驗對測得的ma值進行修正，然后再代入規程中的計算公式計算密度與吸水率，修正公式如式（1）所列。

式中：m'a——修正后的再生粗集料烘干質量；

ma——試驗測定的再生粗集料烘干質量；

ω——再生粗集料的含水率。

其中，測定含水率的再生集料與測定密度與吸水率的集料必須保持級配一致且質量接近，且兩個試驗的集料均應烘干至恒重或采用相同的加熱時間（不少于6 h，自由水一般4～6 h可烘干）。

該項目仍按照試驗規程中網籃法的要求測定天然粗集料與再生粗集料的密度與吸水率，并對再生粗集料的測值進行修正。試驗結果表明，再生粗集料的密度低于天然粗集料，而吸水率大于天然粗集料。造成再生粗集料密度較低的原因主要是集料附著的水泥砂漿密度較低且孔隙率較大。天然粗集料的表觀密度與毛體積密度較為接近，相比而言，再生粗集料的表觀密度與毛體積密度的差值較大，進一步說明再生粗集料的表面較為粗糙，開口孔隙較多。比較表干密度與毛體積密度的大小可知，再生粗集料兩者的差值大于天然粗集料，這也從一定程度上反映出再生粗集料的吸水率較大。再生粗集料的吸水率高且吸水速度快，這主要是因為附著的水泥砂漿吸水率較高且孔隙率較大，并且廢棄水泥混凝土在拆除和破碎過程中會產生一定損傷，使再生集料內部出現一些微裂縫。

比較未修正與修正后的試驗數據，再生粗集料的表觀密度與毛體積密度的偏差為0.06～0.12 g/cm3，而重復試驗的精密度要求不超過0.02 g/cm3；未修正時的再生粗集料吸水率偏大2.81%，而重復試驗的精密度要求不超過0.2%。因此，在測定再生粗集料的密度與吸水率時，必須測定集料的含水率并對密度與吸水率進行修正，否則會造成試驗結果嚴重失真。

再生粗集料吸水率的修正公式可表示為式（2）。

式中：ω'x——修正后的再生粗集料吸水率；

ωx——未修正的再生粗集料吸水率。

國內無論是公路行業還是建筑行業，在測定再生集料的密度與吸水率時基本都完全按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）或《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》(JGJ 53-92)中的試驗方法進行，未對測值進行修正，一般文獻測得的再生粗集料吸水率均在2.5%～10%之間，測值偏大很多。

2.2.3 其他性能

（1）按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中“T0312-2005粗集料針片狀顆粒含量試驗（游標卡尺法）”的要求，測定粒徑4.75 mm以上的再生粗集料和天然粗集料的針片狀顆粒含量。結果表明再生粗集料的針片狀顆粒含量小于天然粗集料，這是由于廢棄混凝土在破碎過程中，部分針片狀顆粒易被破碎成小顆粒，從而使針片狀顆粒含量減少，集料形狀得到改善。

（2）按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中“T0316-2005粗集料壓碎值試驗”的要求，測定的天然粗集料的壓碎值為20.2%，再生粗集料的壓碎值為20.5%，兩者的抗壓碎能力接近，但是再生粗集料的壓碎值變異性大，試驗的可重復性較差。粗集料的壓碎值與集料的品種和產地有關，還與顆粒形狀有關，針片狀顆粒含量高的粗集料，其壓碎值較高。再生粗集料的壓碎值主要與廢棄混凝土的強度及所采用的集料品種有關，因此不同來源的再生粗集料的壓碎值差異較大。

（3）按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中“T0317-2005粗集料磨耗試驗（洛杉磯法）”的要求，采用A級粒度，測定了再生粗集料和天然粗集料的洛杉磯磨耗損失。再生粗集料的洛杉磯磨耗損失為20.6%，比天然粗集料高出許多。再生粗集料的耐磨性比天然粗集料要差，這主要是因為再生粗集料中的水泥砂漿強度較低，在磨耗過程中容易破碎。

（4）按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中“T0314-2000粗集料堅固性試驗”的要求進行試驗，結果表明再生粗集料的質量損失百分率為8.1%，堅固性比天然粗集料要差。這主要是因為再生粗集料的孔隙率較大且內部可能存在微裂縫，結構不致密，在干濕或凍融循環下易遭到破壞。公路上通過堅固性試驗得到的再生粗集料質量損失百分率一般在8%～21%之間。再生粗集料的堅固性與集料的生產工藝及廢棄混凝土的強度有關，機場道面混凝土的強度較高，因此相比于其他再生集料，該項目生產的道面混凝土再生集料具有較好的耐久性。

2.3 再生細集料的性能

再生細集料有四種基本形態：一是復合顆粒，即表面粘附部分水泥砂漿的石屑；二是與水泥漿體完全脫離的砂粒；三是破碎時產生的石屑；四是水泥漿體或砂漿顆粒。其中，復合顆粒的含量極少，砂粒與石屑的含量也不多，大部分再生細集料為水泥漿體或砂漿顆粒。尤其是粒徑小于0.15 mm的細粉，基本全為破碎時產生的水泥漿體粉末。下面分別從含水率和表觀密度兩個方面來分析再生細集料的性能。

2.3.1 含水率

按照《公路工程集料試驗規程》（JTGE42-2005）中“T0332-2005細集料含水率試驗”的要求，將通過室內風干的再生細集料、天然石屑和天然砂分別放入烘箱內加熱烘干，烘箱溫度控制在105℃，測定不同時間的細集料質量變化。細集料含水率試驗結果如圖2所示。

根據試驗結果可知，天然細集料的含水率都很小，天然石屑為0.60%，天然砂為0.18%，而再生細集料的含水率較大，達到4.25%。與再生粗集料類似，這是由于再生細集料中的水泥石含有大量結晶水所致。天然細集料加熱2～4 h后質量不再變化；而再生細集料加熱12h后質量才基本不再變化。

2.3.2 表觀密度

按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中“T0328-2005細集料表觀密度試驗（容量瓶法）”的要求，分別測定再生細集料、天然石屑和天然砂的表觀密度。天然石屑和天然砂在測試密度前均在溫度105℃烘箱中烘干至恒重；考慮到再生細集料中結晶水的影響且風干集料中的自由水含量很小，再生細集料在測試密度前不進行加熱烘干。在該項試驗中再生細集料的表觀密度為2.378 g/cm3，天然石屑和天然砂的分別為2.703 g/cm3和2.591 g/cm3，結果表明再生細集料的表觀密度較小。

3 再生集料生產工藝的改進

根據再生集料的級配特征可知，通過一次破碎的再生集料級配較差，大粒徑顆粒過多，細集料含量偏少，并不符合實際工程應用的要求，因此必須對再生集料的級配進行調整，改進道面混凝土再生集料的生產工藝，這樣不僅有利于提高破碎產量，改善再生集料的品質，還可以降低生產成本。

水泥穩定碎石用于道路基層時，一般要求最大粒徑不得超過31.5 mm；級配碎石用于道路底基層或墊層時，一般要求集料的最大粒徑不得超過37.5 mm。然而從表2可以看出，粒徑大于31.5 mm的再生集料占集料總質量的69.68%。因此，如果將虹橋國際機場的道面混凝土再生集料應用于水泥穩定碎石或級配碎石中，其利用率最高也僅能達到30%左右。為了提高再生集料的利用率，減少再生集料中粗顆粒的含量，需要對粒徑大于31.5 mm的集料進行循環破碎，從而將再生集料的顆粒粒徑控制在31.5 mm以內。

假定31.5 mm以上的顆粒全都經過再次破碎，則此時生產出的再生集料的級配組成應接近于表2中0～31.5 mm再生集料的組成比例，由表2可計算出通過一次破碎且控制最大粒徑的再生集料的級配，級配曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，即使是通過一次破碎且控制最大粒徑的再生集料，其顆粒仍然較粗，細集料偏少，不滿足規范中水泥穩定碎石基層和級配碎石層對集料的級配要求，因此有必要在集料一次破碎的基礎上進行二次破碎，即首先對廢棄混凝土進行一次破碎和二次破碎，然后按照控制最大粒徑的要求對超尺寸顆粒進行循環破碎直到所有顆粒的粒徑都小于31.5 mm。采用二次破碎且控制最大粒徑的方式生產道面混凝土再生集料，可將再生集料級配進一步變細，從而較易滿足規范的要求，提高再生集料的利用率。

4 結論

（1）通過篩分試驗研究了經一次破碎產生的再生集料的級配特征，結果表明通過一次破碎的再生集料級配較差，大粒徑顆粒過多，細集料含量偏少。

（2）通過室內試驗研究了機場水泥混凝土再生粗集料的物理性能（含水率、密度、吸水率、針片狀顆粒含量）、力學性能（壓碎值、洛杉磯磨耗損失）和耐久性能（堅固性），并提出了密度和含水量的修正方法，同時研究了再生細集料的含水率和表觀密度。

（3）對再生集料的生產工藝進行了改進，采用二次破碎且控制最大粒徑的方式生產道面混凝土再生集料，將再生集料級配進一步變細，從而滿足規范的級配要求，提高再生集料的利用率。

[1]楊慶國，易志堅，任超，等.道路舊混凝土再生集料及其在路面中應用的試驗研究[J].重慶交通學院學報，2005，24(6):71-75.

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[3]扈恩增.道路再生混凝土粗集料的路用性能研究[J].鐵道建筑，2009，(5):113-115.

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[6]JTG E42-2005，公路工程集料試驗規程[S].

[7]張超，丁紀忠，郭金勝.廢棄水泥混凝土再生集料在半剛性基層中的應用[J].長安大學學報，2002，22(5):1-4.