舊混凝土板粒石化再生骨料吸水特性研究

鄭春樂，拾方治，李秀君

（1. 上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093；2. 嘉興市高新交通技術測評研究院，嘉興 314001）

中國是世界上水泥混凝土路面里程數最多的國家，由于長時間的使用和車輛超載等原因，大量的水泥板路面出現了結構性病害[1]，所以,對于廢舊混凝土破碎所產生的固體垃圾的處理利用研究十分必要[2-3]。舊水泥混凝土路面粒石化再生技術是一種環保節約型路面養護改造方法，相對于傳統的挖除舊混凝土板后新建路面和碎石化等方法[4]，具有環保、節約能耗及較徹底清除原路面病害等諸多優點，在水泥混凝土路面大中修養護工程中得到越來越廣泛的應用[5-6]。但是，粒石化再生骨料表面裹附有硬化的水泥砂漿，國內外眾多學者的研究表明，粒石化再生骨料的表觀密度、堆積密度、強度和吸水率與天然骨料有較大區別[3,7]。混合料中骨料顆粒的基本特性直接影響著混合料的整體性能，骨料的吸失水特性對混合料的最佳含水量、最大干密度、強度及干縮等主要指標都會產生較大影響，為了充分利用舊水泥混凝土板的再生價值，有必要深入研究包裹有硬化水泥砂漿的粒石化再生骨料的吸水特性。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

粒石化再生骨料來自某省道面層水泥板，采取工廠集中粒石化破碎工藝，粒石化再生骨料公稱粒徑為5.0～26.5 mm。再生骨料的級配和各項技術指標如表1和表2所示。各項技術指標測定方法參照JTG E42-2005《公路工程集料試驗規范》[8]，JTG/T F20 -2015《公路路面基層施工技術細則》[9]。

表1 粒石化再生骨料級配表Tab.1 Gradation of recycled aggregate

表2 天然骨料和粒石化再生骨料的各項技術指標對比Tab.2 Comparison of technical indicators between natural aggregate and recycled aggregate

由表1和表2可知，本次試驗采用的通過顎式破碎工藝得到的粒石化再生骨料級配偏粗，19 mm和4.75 mm兩檔上的骨料很多。粒石化再生骨料針片狀含量很少，存在一定的優勢，但是，表觀密度等其他基本性能均比天然骨料差，尤其是在吸水率和壓碎值這兩個方面。

1.2 試驗方法

首先對粒石化再生骨料進行水洗篩分并去除細骨料。根據粒石化再生骨料表面砂漿裹覆量的多少將粒石化再生粗骨料分為1，2，3這3類，其中，第1類粒石化再生骨料基本不含有砂漿，第3類粒石化再生骨料表面全部裹附砂漿，第2類粒石化再生骨料表面砂漿裹附量處于第1類和第3類之間，如圖1和圖2所示。然后將粒石化再生分類骨料放入20 ℃恒溫水箱中，進行5，10，20，30 min，1，2 h等不同時間的浸泡處理。根據JTG/T E42-2005《公路工程集料試驗規程》中的“粗集料密度及吸水率試驗（網籃法）”，對粒石化再生分類骨料的吸水率進行測定。

圖1 不同粒徑的粒石化再生骨料Fig.1 Different particle sizes of recycled aggregate

圖2 不同砂漿裹覆量的粒石化再生骨料Fig.2 Different mortar content of recycled aggregate

根據以上分類和試驗結果，對第1類和第3類粒石化再生分類骨料的表面分別進行SEM（掃描電子顯微鏡）試驗，從微觀角度分析粒石化再生骨料和天然骨料性能差異的原因。

2 試驗結果與分析

2.1 粒石化再生分類骨料吸水率變化規律及原因分析

2.1.1 粒石化再生分類骨料吸水率變化規律

粒石化再生分類骨料的吸水率變化規律如圖3～5所示（見下頁）。圖3表明，不同粒徑且不同砂漿裹附量的粒石化再生分類骨料在1 h左右的時間內就都能夠吸水飽和，達到飽和的時間基本一致并且較短，所以，時間對粒石化再生分類骨料吸水率的影響相對最小。但是，它們的吸水率之間存在較大差異，并且存在一定的變化梯度：第1類骨料吸水速率最小；第3類骨料吸水速率最高；第2類骨料吸水速率處于第1, 3類料之間。如圖4所示，在僅根據砂漿裹附量分類的粒石化再生分類骨料中，第3類粒石化再生分類骨料的吸水率大約是第1類的23倍，第2類粒石化再生分類骨料大約是第1類的10倍，滿足骨料中砂漿含量越多，吸水率越大的結論[10]。圖3表明第1，2和3類骨料的吸水率都隨著粒徑的增大呈現出減小的趨勢，說明在同樣的砂漿裹覆量情況下，粒石化再生骨料的粒徑越大，吸水率越小，但是，骨料達到飽和時，第1，2和3類粒石化再生分類骨料吸水率減小的幅度不同，第1類減小幅度最小，第3類最大，吸水率變化量分別為0.8%和4.5%左右，說明骨料粒徑變化量相同的情況下，砂漿裹覆量越大，對吸水率變化的影響越大，也說明粒石化再生骨料砂漿裹覆量對骨料吸水率的影響要大于粒徑對骨料吸水率的影響。所以，在骨料顆粒層面，對粒石化再生骨料吸水率產生影響的因素主要有3個：時間、粒徑、砂漿裹覆量。在粒徑和砂漿裹覆量一定的情況下，吸水率隨著時間的增加先增大而后不變；在時間和砂漿裹覆量一定的情況下，吸水率隨著粒徑的增大而減小；在時間和粒徑一定的情況下，吸水率隨著砂漿裹覆量的增大而增大。同樣也說明了粒徑大小是影響第1類這種基本上無砂漿裹覆骨料的吸水率的主要因素；砂漿裹覆量是影響第2, 3類這種有砂漿裹覆的骨料的吸水率的主要因素。對粒石化再生骨料吸水率的影響程度由大到小的因素依次是砂漿裹覆量、粒徑、時間。

圖3 不同粒徑且不同砂漿裹附量的粒石化再生骨料吸水率Fig.3 Water absorption rate of recycled aggregate with different particle sizes and different mortar content

2.1.2 粒石化再生分類骨料吸水特性原因分析

圖4 不同砂漿裹附量的再生骨料吸水率Fig.4 Water absorption rate of recycled aggregate with different mortar content

圖5 不同粒徑的再生骨料吸水率Fig.5 Water absorption rate of recycled aggregate with different particle sizes

粒石化再生分類骨料具有較大吸水率的宏觀現象正是其復雜的微觀結構的反應[11]。針對第1，2和3類骨料的特點，本文只對第1和第3類骨料進行了電鏡掃描試驗，如圖6和圖7所示，從微觀角度分析粒石化再生骨料具有較高吸水率的原因。

圖6 第1類骨料表面微觀圖像Fig.6 Surface microscopic image of the first type aggregate

圖7 第3類骨料表面微觀圖像Fig.7 Surface microscopic image of the third type aggregate

從圖6和圖7的圖像對比中可以看到，第1類骨料和第3類骨料擁有不同的表面孔洞結構特征。對于第1類粒石化骨料而言，其表面不僅光滑整齊，而且斷面規則致密；而對于第3類粒石化再生骨料而言，其表面粗糙、疏松，結構雜亂多孔，并且存在一定的微裂縫。正是這樣的微觀結構使得第1類這種與天然新料表面狀況近似的粒石化再生骨料的強度較高、吸水率較小，與天然骨料并無太大差異。第3類骨料復雜的表面結構會使得它在孔隙率、孔型態及孔徑分布等表面結構比第1類骨料復雜得多。所以，第3類骨料與第1類骨料在吸失水性能上產生極大的差異，進而也影響到整個再生骨料的吸水性能。同時，如此復雜脆弱的表面結構對再生骨料的強度也會產生一定的影響。所以，粒石化再生骨料中含有砂漿是導致再生骨料性能弱化的一個重要因素，尤其是對吸水率和壓碎值這2個性能指標。

2.2 粒石化再生粗骨料吸水率變化規律及主要原因分析

2.2.1 粒石化再生粗骨料吸水率變化規律

將粒石化再生粗骨料和僅根據砂漿裹附量和骨料粒徑大小進行分類的粒石化再生分類骨料進行對比，如圖4和圖5所示。粒石化再生粗骨料的吸水率的變化規律和粒石化再生分類骨料的變化趨勢基本相同。粒石化再生粗骨料的吸水率接近第2類骨料和中間粒徑骨料的吸水率。

2.2.2 粒石化再生粗骨料和各分類骨料的關系

a. 粒石化再生粗骨料和粒石化再生分類骨料的占比關系。

對于舊混凝土粒石化再生材料而言，不同的破碎工藝會對粒石化再生骨料級配、骨料棱角和表面砂漿剝離程度產生不同的影響。針對此次試驗所采用的通過顎式破碎工藝得到的再生粗骨料的級配和砂漿占比情況進行分析，如表3所示。

表3 粒石化再生骨料占比Tab.3 Proportion of recycled aggregate %

從表3各分類骨料的占比中可以得到，大粒徑骨料中第1類骨料占比較大，隨著粒徑的減小，第3類骨料占比增大，第1類骨料占比減小。分析其原因主要是由于試驗所用材料是由舊混凝土板破碎得到，并且顎式破碎工藝得到的骨料偏粗，使得大粒徑骨料所占比例較大，又因為大粒徑中第1類骨料所占比例較大，導致第1類骨料在骨料整體中所占比例最大。對于大粒徑骨料而言，砂漿強度比碎石集料低，破碎的過程中大粒徑的第3類骨料更容易被破碎成小粒徑，所以，所占比例小。而對于小粒徑而言，大粒徑中的第3類骨料被破碎成了小粒徑，同時由于再生骨料整體偏粗，小粒徑的砂漿顆粒更容易留存下來，所以，再生骨料中小粒徑的第3類骨料占比更大。因此，會出現隨著粒徑的減小，第3類骨料占比增大，第1類骨料占比減小的情況。

b. 粒石化再生分類骨料和粒石化粗骨料吸水率的關系。

粒石化再生粗骨料、不同粒徑粒石化再生粗骨料、不同粒徑且不同砂漿裹附量的粒石化再生分類骨料的吸水率和占比已經得到，同時發現三種分類集料的吸水率存在一定關系，通過下面的公式作進一步分析。

吸水率

式中：y為各檔再生分類骨料的吸水率；a，b，c為不同砂漿裹附量的再生骨料在各檔粒徑中所占的比例；x為不同粒徑且不同砂漿裹附量再生骨料的吸水率，i=26.5，19，16，13.2，9.5，4.75分別是6檔粗骨料的粒徑。

通過式（1）計算得到各檔骨料的吸水率后，按照式（2）進行粒石化再生粗骨料的吸水率計算。

式中：Y為粒石化再生粗骨料的吸水率；A為各粒徑骨料在粗骨料中的占比。

粗骨料和各分類骨料的占比和吸水率代表值如表3和表4所示。

表4 粒石化再生各分類骨料吸水率Tab.4 Water absorption rate of various classified recycled aggregate %

通過計算得到粒石化再生骨料的吸水率為4.69%，而實測值為4.61%，計算值和實際值十分接近。因此，粒石化再生粗骨料中各粒徑占比情況也是對粒石化再生骨料整體吸水率產生影響的又一個主要因素，而破碎工藝是對粒石化再生骨料的級配和骨料砂漿裹附量產生影響的主要因素。所以，這也證明了破碎工藝對粒石化再生骨料性能會產生重要影響。同時，計算值和實測值有較高的契合度，這也能說明沒有其他主要因素會對粒石化再生骨料吸水率產生較大的影響。

3 結 論

a. 對粒石化再生骨料顆粒的吸水率產生影響的因素主要有3個，且根據影響程度由大到小的因素依次是砂漿裹覆量、粒徑和時間。

b. 粒石化再生粗骨料的吸水率的變化規律和粒石化再生骨料顆粒的變化趨勢基本相同，除了砂漿裹附量、粒徑和時間這3個影響因素之外，粒石化再生粗骨料的級配對粒石化再生骨料整體的吸失水率也會產生重要的影響。計算值和實測值有較高的契合度，說明除了砂漿裹附量和粒石化材料級配，沒有其他主要因素會對粒石化再生骨料的吸水率產生較大的影響，所以，級配和骨料砂漿裹附量是對粒石化再生材料產生影響的2個主要因素。

c. 通過微觀分析發現，裹附砂漿的骨料表面粗糙疏松、雜亂無章，存在較多孔洞，并且存在因再生破碎而產生的微裂縫，微觀結構的差異是粒石化再生骨料與天然骨料在吸水和強度性能上產生極大差異的原因。

d. 破碎工藝會對粒石化再生骨料的級配和骨料砂漿裹附量產生重要的影響，所以，不同的破碎工藝也極大地影響著粒石化再生骨料的性能。