再生粗集料微觀特征及性能研究

趙兵偉，李曉娟，李 淵

（1.中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安710016，2.西安公路研究院，陜西 西安710065）

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，大批舊建筑物被拆除，基礎設施改造過程中產生了大量建筑垃圾。相關資料顯示，目前我國年建筑垃圾產生量已達到了7 億t，占城市垃圾總量的30%～40%，而建筑垃圾中的廢棄混凝土比例高達50%～60%。目前建筑垃圾處理方式主要是集中堆放或者將其作為地基填料，對建筑垃圾進行再生利用，一方面能夠節約處理費用，減少土地資源的浪費；另一方面，隨著道路交通行業的發展，天然集料資源越來越緊張，而對建筑垃圾中的廢棄混凝土可以采取一定的加工工藝制備成再生集料，可將其部分替代天然集料用于道路工程建設。日本在1977年就已經出臺了建筑垃圾再生骨料的規范，目前，日本對建筑施工過程中產生的建筑垃圾已經能夠做到就地重新利用、建筑垃圾不運出施工場地，取得了顯著的經濟效益。我國研究人員針對建筑垃圾再生集料在道路行業的利用雖然取得了了一定的研究成果，但是研究成果主要集中在水泥混凝土和水泥穩定碎石中的應用，其在瀝青混合料中的應用研究較少，同時缺乏相關的標準指導。本文首先對建筑垃圾再生集料進行掃描電鏡實驗，觀察其表面微觀結構特征，然后按照《公路工程集料試驗規程》對再生集料物理力學性能進行全面試驗研究。

1 原材料及試驗內容

本試驗采用的建筑垃圾來源于城中村改造工程拆遷的舊建筑物，在建筑垃圾堆放場地人工分揀較大的廢舊混凝土塊；再生集料是由廢舊混凝土塊經Pc400×300錘式破碎機破碎后得到的連續級配混合料，為便于其在瀝青穩定碎石中應用，對連續級配集料混合料分檔篩分，分為0～5mm、5～10mm、10～20mm、20～30mm 四檔；粗集料中的主要巖石是鵝卵石、花崗巖。

由于建筑垃圾再生集料來源比較特殊，借助掃描電子顯微鏡觀察破碎所得的再生集料的微觀結構特征。本文研究的建筑垃圾再生集料主要考慮用于瀝青穩定碎石中，因此主要參考《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）進行試驗，按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG E40—2004）的相關要求對其進行評價。為比較再生集料與天然集料的性能，對天然集料和再生集料進行以下的項目試驗：篩分試驗、密度與吸水率試驗、針片狀含量試驗、壓碎值試驗、磨耗值試驗等。

2 微觀特征分析

圖1、圖2 是經由掃描電子顯微鏡獲得的再生集料表面微觀特征圖。圖1放大倍數為200倍。圖2放大倍數為2 000倍。

圖1 再生集料微裂縫

圖2 再生集料表面空隙

由圖1 可以看到建筑垃圾再生集料表面的微裂縫分布，有些裂縫是原天然集料自身開裂所致，另外一些裂縫是由于水泥砂漿與集料交界面分離所形成的，微裂縫之間往往相互貫通。造成微裂縫產生的主要原因有兩個：一是原廢棄混凝土結構物在未被拆除前自身受壓破壞產生的微裂縫；二是廢棄混凝土塊經錘式破碎機破碎獲得再生集料過程中自身受擠壓和碰撞造成的。

在圖2 中可以看到多處開孔孔隙，有些是原天然集料自身孔隙，另外一些是水泥砂漿表面的孔隙，再生集料開孔孔隙中絕大部分是砂漿表面孔隙，而砂漿表面孔隙主要是由廢棄混凝土在破碎過程中砂漿與砂漿分離、集料與砂漿脫離造成的。

微裂縫和砂漿表面開口孔隙會對再生集料的基本性能造成一定的負面影響，主要表現在微裂縫和砂漿表面孔隙使得再生集料的比表面積增大，從而影響再生集料的表觀密度以及吸水率，再生集料出現微裂縫的局部在外力作用下會出現應力集中的現象，這些薄弱部位受力更易發生破壞，從而導致集料的強度降低。

3 再生集料性能試驗結果

3.1 篩分試驗

對機械破碎所得的建筑垃圾連續級配集料混合料進行篩分，級配情況見表1。

表1 再生集料連續級配混合料篩分結果

參考《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG E40—2004）對ATB—25 級配范圍的要求，可以看出，集料混合料的級配組成符合規范要求，說明采用合理的破碎工藝，用廢棄混凝土塊可以生產出滿足規范要求級配范圍的集料。但是，再生集料的級配組成偏粗，靠近級配范圍下限，不適合直接進行配合比設計，在生產過程中可以添加振動篩對再生集料進行分檔，以便在配合比設計過程中優化級配。

3.2 密度及吸水率試驗

對再生粗集料及天然集料進行表觀密度、毛體積密度、吸水率試驗，試驗結果見表2。

表2 建筑垃圾再生粗集料密度及吸水率試驗結果

由表2可知：

（1）建筑垃圾再生集料的表觀密度都符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中“不小于2.50g/cm3”這一要求，可以用于瀝青路面修筑；然而建筑垃圾再生集料的表觀密度和毛體積密度都明顯小于天然集料，主要原因是水泥砂漿與天然巖石相比更加疏松，密度相對來說比較小；

（2）再生集料的吸水率遠遠高于天然集料，且粒徑越小，差距越大，主要原因是硬化的水泥砂漿具有更高的孔隙率和吸水率，粒徑較大的粗集料含有更高比例的天然石料，粒徑越小則水泥砂漿含量越高，吸水率就越大，高吸水率和孔隙率的再生集料用于瀝青混凝土中，瀝青用量就會顯著變大，從經濟效益角度出發，必須對其做強化處理，降低其吸水率及孔隙率。

3.3 壓碎值

石料壓碎值是表征集料在混合料碾壓過程中以及開放交通后抵抗壓碎的能力，是衡量石料力學性質的主要指標，用于鑒定公路路面基層、底基層及混合料面層的粗集料品質，以評定其在工程中適用性。一般認為，壓碎值越大，說明粗集料的抗壓碎能力越低，石料越易壓碎。通過篩分試驗取9.5～13.2mm 的再生集料進行壓碎值試驗，結果見表3。

表3 建筑垃圾再生集料壓碎值

從表3可知，再生集料的壓碎值要遠大于天然集料，主要原因是再生集料中水泥砂漿的存在，水泥砂漿強度與耐磨性要遠低于天然集料，容易破碎，同時在在制作再生集料的過程中集料內部產生了細微裂縫，在施加壓力過程中會出現應力集中現象，導致再生集料強度降低。

3.4 磨耗值

石料磨耗值是指石料在標準條件下抵抗摩擦、撞擊作用的能力，我國采用洛杉磯磨耗試驗測試這一指標。粗集料的洛杉磯磨耗損失是評價集料使用性能的重要指標，尤其是瀝青混合料和基層材料，它與瀝青路面的抗車轍能力、耐磨性、耐久性密切相關，軟弱顆粒含量多、風化嚴重的石料通過磨耗試驗后粉碎嚴重，這一指標很難達標。按照規范要求準備石料進行洛杉磯磨耗試驗，試驗結果見表4。

表4 建筑垃圾再生集料磨耗值

由表4 可知，再生集料的磨耗值大于天然集料，在磨耗試驗中，鋼球的撞擊容易使水泥砂漿從巖石表面剝離下來，而建筑垃圾中的天然集料大多是花崗巖以及鵝卵石，硬度偏高，不易破碎，這也是二者磨耗值相差不大的原因。

3.5 針片狀顆粒含量

集料的形狀越接近立方體越好，細長扁平狀的針片狀顆粒對瀝青混合料的性能會有非常不利的影響。因為針片狀顆粒很容易在施工過程中被剛性輪碾壓和振動碾壓所粉碎、折斷，施工性能極差，而且在瀝青混合料內部遺留下相當數量沒有被瀝青膜裹覆的折斷面，成為混合料內部的微裂縫。針片狀含量試驗結果見表5。

表5 建筑垃圾再生集料針片狀含量

由表5可知，再生粗集料針片狀含量可以滿足規范要求，但是針片狀顆粒含量偏大，且隨著粒徑的增大，針片狀顆粒含量逐漸增大。針片狀顆粒的含量很大程度上取決于破碎機的類型，建議在建筑垃圾再生集料制備過程中，應該根據建筑垃圾原材料的特點，對建筑垃圾的加工工藝進行改進，對加工設備進行優化、改良。

4 結論及建議

（1）建筑垃圾再生集料混合料的顆粒級配符合規范對于ATB—25 的要求，但是在實際生產過程中，建議在破碎機后添加振動篩分檔，便于配合比設計過程中優化級配。

（2）建筑垃圾再生集料的表觀密度和毛體積密度都明顯小于天然集料，吸水率則遠遠高于天然集料，且粒徑越小，差距越大；由于微裂縫及水泥浮漿的存在，導致再生集料的壓碎值及磨耗值大于天然集料；再生粗集料針片狀含量可以滿足規范要求，但是針片狀顆粒含量偏大，且隨著粒徑的增大，針片狀顆粒含量逐漸增大。

（3）針對建筑垃圾再生集料的上述弱點，建議在再生集料生產過程中，針對建筑垃圾的特點，采用合適的破碎機械及破碎工藝，在實際利用之前可以對其進行強化處理，既可以嘗試采用研磨掉水泥浮漿等物理強化方式，也可以采用添加化學試劑（硅烷偶聯劑、有機硅樹脂等）的方式，從而改善再生集料的物理力學性能，提高其利用水平及利用率。

[1] JTG E42—2005，公路工程集料試驗規程[S].

[2] JTG E40—2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

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