再生黏土磚細集料在水泥穩定碎石基層中的試驗研究

吳興輝 黃昕

【摘? 要】論文通過將水泥穩定碎石基層混合料中的天然碎石細集料采用再生黏土磚細集料部分取代，并進行擊實、無側限抗壓強度和劈裂等試驗研究，探討其作為集料應用于城市道路基層的可能性。結果表明，混合料最大干密度與再生黏土磚細集料取代率負相關，而最佳含水率與其正相關;在水泥劑量保持不變的情況下，再生黏土磚細集料對劈裂強度的影響小于對無側限抗壓強度的影響;在摻入5%水泥及混合料級配滿足規范要求的條件下，混合料中細集料被再生黏土磚細集料的取代率小于40%時，混合料能達到目前規范中對基層的要求，可用作道路基層的水泥穩定材料。

【Abstract】By partially replacing the natural macadam fine aggregate in the cement stabilized macadam base mixture with recycled clay brick fine aggregate， and conducting experimental studies on compaction， unconfined compression strength and splitting， this paper discusses the possibility of its application as aggregate in urban road base. The results show that the maximum dry density of the mixture is negatively correlated with the substitution rate of fine aggregate of recycled clay brick， while the optimum moisture content is positively correlated with it. When the cement dosage remains unchanged， the effect of recycled clay brick fine aggregate on splitting strength is less than that on unconfined compression strength. Under the condition that 5% cement is mixed and the gradation of the mixture meets the requirements of the specification， and the substitution rate of fine aggregate in the mixture by the recycled clay brick fine aggregate is less than 40%， the mixture can meet the requirements for base in the current specification and can be used as cement stabilized material for road base.

【關鍵詞】基層;再生黏土磚細集料;天然碎石細集料;取代率;試驗

【Keywords】base; recycled clay brick fine aggregate; natural macadam fine aggregate; substitution rate; experiment

【中圖分類號】U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）11-0188-03

1 引言

隨著城市建設與改造的提速，一方面，造成了固體廢物產生量持續增長，固體廢物污染防治形勢日益嚴峻的情況。有關統計顯示，2020年我國建筑垃圾達到約26億噸，據保守估計2030年將達到73億噸，不僅侵占大量土地資源，而且造成許多環境污染問題。另一方面，各類基礎設施建設對天然建筑材料的需求量持續增長，造成資源枯竭，表現出可持續發展與地材短缺矛盾日益突出的特點。以二級瀝青公路為例，假設路面結構層厚度為0.5m，路面寬為20m，那么每公里消耗的砂石等材料將達到2萬噸。在這種情況下，開展建筑垃圾差異化利用，采用建筑垃圾再生材料將砂石材料替代是解決筑路材料短缺及建筑垃圾圍城的有效途徑之一。隨著國家對循環經濟發展與環境保護的日益重視，建筑垃圾資源化利用工作也在各地開展起來。例如，廢混凝土塊、廢磚瓦等再生集料可用來生產再生混凝土、再生磚、路基填料等，且再生骨料能夠有效降低40%以上的建設成本，在成本上優勢明顯。

在道路建設方面，國外對建筑垃圾的利用較早。美國約68%的再生骨料被用于道路建設[1];德國在路基路面的建設中實現了87%的再生骨料利用率[2];日本則達到了99%。國內學者基于可持續發展戰略思想，對再生黏土磚集料開展了廣泛研究。例如，肖杰等[3]利用電子顯微鏡和工業CT對集料進行掃描，并通過試驗證明磚混混合再生集料是可以應用于水泥穩定基層材料的;陳朝金[4]通過對水泥穩定再生廢磚塊集料的性能進行試驗研究，發現碎磚塊集料可用于各等級公路基層或底基層;張力[5]通過研究發現，含磚粉碎料水泥穩定再生集料可用于道路基層;趙德賀等[6]研究提出，黏土磚含量控制在30%以下是保證其路用性能良好的關鍵;王琦[7]通過研究建筑垃圾中石屑、碎磚路用性能，為遼陽地區道路建設應用提供了可靠的技術支持;李哲等[8]通過對路用建筑垃圾擊實特性的研究發現，當配合料比例為40%磚渣，30%混凝土渣，30%砂漿時更加適用于路基填筑;余紅明等[9]進行了磚混骨料再生道路水泥穩定基層的路用性能與有限元模擬研究，表明磚混骨料的路用性能滿足城鎮道路對水泥穩定類基層的要求;王瑩[10]對建筑垃圾黏土磚細集料在水泥穩定碎石底基層中的應用進行研究，發現在道路底基層中用再生黏土磚細集料替換天然集料的最佳替換率為20%。在實際工程應用方面，北京市、陜西省、山東省、河北省、吉林省等多地均有將磚混類再生骨料用于基層、底基層施工建設的案例，這些工程的實施，不但節省了建筑垃圾外運的費用，減少了存儲對土地的占用，降低了天然砂石集料的開采與加工對生態環境的破壞與污染，而且使得工程費用降低，大量資金得到節約，社會效益顯著。

本研究依托渭東新城建設項目的一級、二級城市道路建設，對項目區拆遷產生的建筑垃圾黏土磚以細集料形式部分取代天然碎石細集料在水泥穩定碎石基層的應用開展試驗研究，探討其作為集料應用于城市道路基層的可能性，為后期項目的建設提供理論支撐。

2 原材料

研究中水泥采用普通硅酸鹽P·O42.5（緩凝）水泥，其主要指標見表1。

由表1可以看出，試驗所用水泥各項技術指標均符合JTJ/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》的要求。為防止水泥穩定碎石基層因收縮產生裂縫，水泥穩定碎石基層中水泥用量不宜超過6%，且考慮混合料需要一定的強度，故本研究中水泥劑量取常用的5%。

試驗所用粗集料為石灰巖，細集料為經破碎后具有一定級配的黏土磚和石灰巖。材料檢測結果為石灰巖碎石壓碎值為23.3%，吸水率為0.5%;磚塊壓碎值為29.5%，吸水率為10.58%。

3 試驗方案

3.1 混合料級配設計

將篩分后的再生黏土磚細集料和天然碎石集料按照表2中的要求，分別回配成石灰巖粗集料、石灰巖石屑細集料和再生黏土磚細集料，然后設計了利用再生黏土磚細集料按照0%、20%、40%、60%、80%、100%的比例分別取代石灰巖石屑作為混合料中的細集料制作了6組試件。

3.2 試件制備

本次試驗中，試件主要有φ150mm且徑高比為1的圓柱體試件。圓柱體試件主要用于抗壓強度、劈裂試驗。試件根據擊實試驗結果計算每份料的質量和加水量，然后采用靜壓法成型，壓實度控制在98%。

3.3 測試方法簡述

試驗按照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》相關規定執行，試件養生齡期分別為7d、28d、90d;試件養生條件為溫度20±2℃，相對濕度不小于95%。

4 試驗結果分析

4.1 擊實特性

隨再生黏土磚細集料取代率變化，最大干密度和最佳含水率的對比關系見圖1。

由圖1可以看出，隨著再生黏土磚取代率的增加，混合料的最大干密度逐漸降低，干密度的變化范圍為2.386～2.209g/cm3，最佳含水率逐漸增加，含水率的變化范圍為5.4%～10.9%。其中當再生黏土磚摻量為0%時對應最大干密度為2.386g/cm3，最佳含水率為5.4%。試驗中，6組混合料的級配完全一致，之所以出現此種情況是因為再生黏土磚的表觀密度較天然碎石小，相同體積的質量較小;再生黏土磚細集料本身孔隙率大，相比于天然碎石吸水率大。

4.2 無側限抗壓強度

隨再生黏土磚細集料取代率變化，不同齡期無側限抗壓強度的對比關系見圖2。

由圖2可知，在水泥劑量一定的情況下，混合料不同齡期的無側限抗壓強度與再生黏土磚細集料取代率呈負相關關系，且在細集料取代率大于40%的條件下，無側限抗壓強度降低較為迅速;但隨著齡期增加，未水化的水泥顆粒開始水化，水泥水化物與集料結合使得混合料的無側限抗壓強度有所提高。曲線中取代率為0%時7d無側限抗壓強度為6.5MPa，當混合料中細集料由再生黏土磚細集料取代率為20%、40%、60%、80%、100%時，其無側限抗壓強度分別為取代率為0%時的93.8%、84.6%、63.1%、53.8%、41.5%。

根據JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》要求，對于一級公路重交通情況，水泥穩定材料基層7d齡期無側限強度為4.0～6.0MPa，考慮實際施工過程中水泥劑量波動值為±0.5%，故取抗壓強度標準值為5.0MPa，經計算得出對應的細集料摻量為43.3%。為便于施工，可取再生黏土磚細集料取代石屑細集料質量的40%為最大取代率。

4.3 劈裂強度

隨再生黏土磚細集料取代率變化，不同齡期劈裂強度的對比關系見圖3。

由圖3可知，同一水泥劑量下，隨著再生黏土磚細集料取代率增大，28d、90d劈裂強度均呈下降趨勢，但劈裂強度隨著齡期增長而提高。其機理主要是由于新的水泥漿體將未水化的水泥顆粒表面包裹，對水分進入水泥顆粒表面造成阻礙，削弱并阻礙了水泥顆粒的進一步水化。曲線中取代率為0%時，對應的90d劈裂強度為0.72MPa，對應的取代率為20%、40%、60%、80%、100%時對應的劈裂強度為取代率為0%時的97.2%、91.6%、86.1%、79.1%、73.6%。根據15MR201《城市道路——瀝青路面》對水泥穩定類集料劈裂要求大于0.5MPa的規定可知，本次試驗所有再生黏土磚細集料取代率的試件，其劈裂強度都滿足規定。

將無側限抗壓強度試驗和劈裂強度試驗進行對比可以發現，再生黏土磚細集料取代率的增加對混合料無側限抗壓強度的影響明顯高于對劈裂強度的影響，其機理主要是由于混合料中集料本身的強度和內部粘結力共同作用導致的。混合料在成型和經過一定齡期的養護后，主要由集料顆粒、水泥石與集料表面的界面過渡區和水泥石3部分組成，而以往的研究也證明了在劈裂強度試驗中，與試件的拉伸試驗破壞模式相近，劈裂強度試驗的破壞模式也大多是過渡區先發生破壞，所以過渡區的強度對劈裂強度的影響較大。再生黏土磚細集料顆粒表面相對于天然碎石而言，表面更粗糙且孔隙多，在混合料的拌和過程中，再生黏土磚細顆粒表面更容易被水泥漿滲入;而且由于再生黏土磚細集料往往含有一定量的活性物質，使得更多的生成物在水泥水化過程中產生。這2種因素共同作用，使得摻入再生黏土磚細集料后的水泥穩定碎石比普通天然細集料的水泥穩定碎石的粘聚力有所提高。故而雖然再生黏土磚細集料強度較低，影響了混合料的劈裂強度，但在一定程度上混合料粘聚力的增加又抵消了這部分影響。

5 結論

①混合料最大干密度與再生黏土磚細集料取代率負相關，而最佳含水率與再生黏土磚細集料取代率正相關。

②在水泥劑量一定的情況下，混合料不同齡期的無側限抗壓強度、劈裂強度與再生黏土磚細集料取代率呈負相關關系;再生黏土磚細集料取代率的增加對混合料無側限抗壓強度的影響明顯高于對劈裂強度的影響。

③在P·O42.5（緩凝）水泥摻入量為5%，并且混合料級配滿足規范要求的前提下，混合料中細集料被再生黏土磚細集料取代率小于40%時，混合料能達到目前規范中對基層的要求，可用作道路基層的水泥穩定材料。此外，在實際施工當中，應考慮建筑磚塊的穩定性，避免因為磚塊中雜質過多而引起強度不足問題。

【參考文獻】

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