水泥穩定再生混合集料強度的影響因素研究

周盛樹，黃建甌，黃海濱

(1.莆田學院 土木工程學院，福建 莆田 351100；2. 福建省高速公路集團有限公司，福建 福州 350000)

建筑垃圾大量產生，它們的視覺影響往往很大，因為它們占用大量的空間，而且存放這些固廢的土地十分有限[1]。如果將建筑廢棄物統一收集并堆放在露天場地中，可能會占用大量的土地，污染城市環境；另外，建筑廢棄物如果通過地下掩埋的方式處理，掩埋則會對地下水資源、土壤和大氣造成影響。近年來，隨著基礎設施基建項目的增多，公路鐵路等道路建設對砂石材料等天然骨料的需求增加，長期的開采造成了資源的枯竭。因此，如何妥善處理和利用這些建筑廢棄物，是亟需解決的問題。

與發達國家相比，我國建筑廢棄物的再利用率非常低，發達國家早已著手研究建筑廢棄物的循環再生利用問題，并將其作為一種新型資源。在建筑垃圾中，存在著大量可以再生利用的固體廢棄物，如混凝土塊、廢磚、碎石、渣土、金屬等。除了回填建筑物外，將廢棄的混凝土塊或粘土磚塊，經過碾碎、清洗、篩分等處理后制成再生集料，可用于制備混凝土、道路基層材料等。水泥穩定再生集料基層屬于半剛性基層，使用水泥處理的主要優點是改善道路材料的和易性，增加混合物的強度，提高耐久性以及增加荷載擴散能力[2]。

目前，使用再生集料應用于公路工程施工的研究成果較多。Behiry[3]研究了水泥穩定再生混凝土(recycled concrete aggregate，RCA)用于路面基層的效果，隨著RCA含量的增加，彎拉強度明顯降低，且與天然集料相比，水泥穩定RCA的抗拉強度約為前者的70%。國外有學者進行了試驗路段的現場試驗，Agrela等[4]研究表明水泥穩定再生混凝土表現出足夠的抗壓強度、沖擊荷載下較低的撓度和堅固性，各項力學性能良好，有力證明了用于建造道路底基層和基層的可行性。

胡力群等[5]評價水泥穩定再生粘土磚用于路面底基層的效果，與天然碎石相比，穩定再生材料具有較低的最大干密度和較高的最佳含水量，而且隨著摻量的增加，試件的無側限抗壓強度、回彈模量、劈裂強度以及抗凍性能均降低。趙連地[6]研究了水泥穩定磚混類再生骨料(CSRA)制作的半剛性基層，在濟南市某段二級公路上鋪筑700 m的試驗路段，瀝青路面結構如下：4 cmAC-13+6 cm AC-16+18 cm 5%CSRA基層+18 cm 4%CSRA底基層+20 cm級配再生骨料墊層。

全過程跟蹤檢測結果表明，水泥穩定材料各項性能指標滿足二級及以下等級公路基層施工要求，建議大面積推廣應用。李萬舉等[7]認為水泥穩定混凝土類再生材料的7 d無側限抗壓強度能滿足高等級公路的要求，其抗凍性能、抗彎拉性能優良，具有良好的工作性能。

盡管大量研究人員考慮使用水泥、石灰、高爐渣或者瀝青穩定再生建筑廢料，在實踐中針對再生混凝土的研究較多，但對水泥穩定其他混合再生材料的探索則相對較少。因此，本文嘗試制備廢舊混凝土和粘土磚的再生混合集料，以水泥作為穩定膠結料，設計不同的影響因素分析水泥穩定再生混合集料的力學性能，為今后在公路工程中的應用提供參考。

1 原材料

本文研究使用的粗集料包括天然輝綠巖碎石，用NA表示；建筑固體廢料中混凝土以及粘土碎磚經顎式破碎機加工并篩分制備的混合再生集料，用RA表示。與NA相比，RA是一種粗糙、多孔和不規則的再生材料，篩分后其規格為0～5 mm、5～15 mm 和15～25 mm。針對5～25 mm規格的粗集料和0～5 mm細集料，按照《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-2005)試驗方法檢測集料相關物理性質，包括粗細集料的表觀密度、吸水率，粗集料的壓碎值、針片狀顆粒含量等質量技術指標，其檢測結果如表1所示。

表1 天然集料與再生集料的物理指標

由表1可以看出，天然碎石的平均密度大于再生集料的平均密度，這主要是因為再生混凝土表面附著密度較小的砂漿導致。然而，天然碎石的平均吸水率遠遠小于再生集料的吸水率，之所以呈現這樣的差異，歸因于磚塊和砂漿的孔隙率和比表面積較大，導致吸水性更強。

值得注意的是，對于針片狀顆粒含量這一指標而言，再生集料要小于天然碎石。總的來說，再生集料因其來源特性差異很大，經機械設備破碎后內部微觀裂紋較多，因此表現出表觀密度小、孔隙率高、吸水率大、壓碎值大的特點；與天然粗集料的物理性質相比，再生集料的針片狀指數和顆粒形狀相對較好，而且均滿足規范中二級以二級以下公路的相關要求。

本文采用42.5級普通硅酸鹽水泥作為無機結合料，在對水泥材料技術指標檢測時，需要保證水泥的初凝時間要求 > 180 min，終凝時間要求 > 360 min，細度要求 < 10%，28 d抗壓強度需要達到32.5 MPa及以上，28 d抗折強度需要達到5.5 MPa及以上。

2 試驗方法及結果分析

水泥穩定碎石的強度性能主要取決于骨料顆粒相互間的嵌擠和鎖結作用，具體地說，與混合料的內摩擦角與內粘聚力有關，而且強度也受膠結材料的類型和用量、骨料的摻量、水灰比、養護齡期以及養護環境等眾多因素的影響。

2.1 試驗方法

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)的規定，選擇重型擊實法進行混合料擊實試驗，由于集料的公稱最大粒徑為26.5 mm，使用的擊實筒內徑為152 mm，高為170 mm，錘的質量為4.5 kg，落高為45 cm，錘擊層數分為3層，每層錘擊資料為98次。試驗時，試料預定5個不同的含水量，依次相差1%，分別測定混合料的干密度。對試驗數據進行整理，以干密度為縱坐標，含水量為橫坐標，繪制含水量-干密度散點圖。然后，使用二次多項式方法生成擬合曲線，找出凸形曲線的峰值點所對應的含水量及干密度數值就是最佳含水量和最大干密度。各種混合料試樣均至少做四組，然后取平均值作為試驗結果。

無側限抗壓強度是水泥穩定碎石的主要技術指標，其大小直接決定了路面基層的承載能力。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)中的規定，采用T0805-1994的方法進行混合料強度試驗。室內試驗試件為徑高比1:1的圓柱形，其尺寸為Φ150 mm×150 mm。在最佳含水率、97%的最大干密度條件下成型試件，從試模內脫出后裝進塑料袋包好放入養護室。采用的養生濕度為≥95%，溫度為20 ℃±2 ℃。分別準備不同的試件，標準養護的齡期通常為7 d，在養生期的最后一天將試件取出并浸泡于20 ℃±2 ℃中，水面在試件頂上約2.5 cm。試件養生齡期結束后取出，在萬能試驗機上測試其無側限抗壓強度。

無側限抗壓強度的計算公式如下：

式中：Rc表示試件無側限抗壓強度，單位為MPa，保留2位小數；P表示試件破壞時的最大壓力，單位為N；D表示試件的平均直徑，單位為mm。

2.2 水泥劑量對水泥穩定混合料強度的影響

為了研究水泥劑量對混合料力學性能的影響，根據設計要求制備多組配合比的混合料，水泥劑量分別為4%，5%，6%和7%，各組均采用相同級配的再生集料。

參照《公路路面基層施工技術細則》(JTG F20-2015)中，水泥穩定級配碎石或礫石用于高速公路和一級公路基層、底基層推薦級配范圍(C-B-1)確定再生集料的級配，如表2所示。

表2 再生集料級配

各組混合料的最大干密度和最佳含水率指標見表3，水泥劑量對混合料強度的影響如圖1所示。

表3 擊實試驗和強度試驗結果

從表3可以看出，水泥結合料的劑量對水泥穩定再生集料的擊實特性產生明顯的影響。當再生集料級配相同條件下，隨著水泥劑量不斷地增加，混合料的最佳含水率和最大干密度都將不同程度地提高。如果以水泥劑量為4%時的指標為基準，當結合料每增加1%，其最佳含水率平均增加0.6%，最大干密度平均增加1.15%；但是，這種增加的幅度逐漸減小，可以預測當結合料含量超過7%時，這種影響將趨于平緩。

圖1 水泥劑量對混合料強度的影響

從圖1發現，以水泥劑量為自變量，無側限抗壓強度為因變量，采用最小二乘法擬合，易知水泥穩定再生集料的強度隨著水泥含量的增大而增大，這與文獻[8]的結論一致。這一現象的形成機理是：再生集料的表面孔隙和微小裂隙較多，而水泥作為膠結穩定材料，通過水化反應可以很好地發揮膠結效果，不僅可以一定程度修復微觀孔隙，而且可以將集料緊緊膠結在一起，提高成型以后材料的密實度。需要注意的是，雖然混合料強度隨著水泥用量的增加呈現遞增趨勢，假如水泥用量超過必需的用量將產生負面的后果，比如影響水泥穩定混合料的抗裂性和抗沖刷性能。

2.3 再生集料摻配比例對水泥穩定混合料強度的影響

為了研究再生集料的摻配比例對水泥穩定再生集料性能的影響程度，本文設計了5組不同摻配率的級配組合：A組摻配率為0，即全部天然碎石材料，作為基本參照組；B組采用75%NA+25%RA，C組采用50%NA+50%RA，D組采用25%NA+75%RA，E組采用100%RA，各組的水泥劑量分別為5%、6%，試驗結果如圖2所示。

圖2 再生集料比例對混合料強度的影響

易知，當水泥劑量為5%時，強度指標最高的是B組，達到5.13 MPa，而最低是的E組，強度指標為3.90 MPa；當為6%的劑量時，B組強度是所有級配組合中最高的，達到5.64 MPa，最低的仍然是E組，僅4.25 MPa。C組的指標值較接近于A組，也就是說再生集料的摻配比例為50%時，其強度指標與水泥穩定天然石料的幾乎相同；D組的指標值小于A組，說明再生集料超過50%后，強度逐漸降低，100%的再生集料強度遠遠不如混合材料。因此，可以得到結論：在水泥劑量相同的條件下，水泥穩定混合料的強度與再生集料的摻配比例有關系，其呈現的規律為：隨著再生集料含量的增大，7 d無側限抗壓強度先增大后降低。

與規范中的要求比較，當水泥穩定材料基層作為二級及二級以下公路路面基層時，極重、特重交通要求7 d無側限抗壓強度滿足4.0～6.0 MPa，重交通為3.0～5.0 MPa。所以，除了再生集料為100%時不滿足，其他組合均能滿足。

2.4 養生時間對水泥穩定混合料強度的影響

除了水泥含量、再生集料的摻配比例，養生時間也是影響水泥穩定再生集料強度的重要因素。由前文可知，當水泥劑量為6%時，再生集料比例在25%～50%范圍內，水泥穩定再生集料具有較好的強度。因此，設計準備75%NA+25%RA和50%NA+50%RA兩種配比的試件，分別在7 d，14 d，21 d，28 d標準養護齡期的條件下，混合料試件的無側限抗壓強度如表4所示。

表4 不同養生齡期強度試驗結果

圖3 養生齡期對混合料強度的影響

由表4可以發現：在7 d的養生周期內，水泥穩定材料的平均強度值最低，28 d的養護期可使水泥穩定混合料的平均強度值增加。因此，水泥穩定再生集料的強度隨著齡期增加而不同程度的提高，但二者呈現非線性的正相關關系。如果以養生齡期為自變量，以無側限抗壓強度為因變量，采用對數函數模型進行擬合得到混合料的齡期-強度關系模型，如圖3所示。在0～7 d的齡期內，水泥迅速發生化學反應生成大量的硅酸鈣膠凝材料，混合料的強度基本形成；在7～21 d的齡期內，強度增長的速率趨于緩慢，在21～28 d的時間內，強度增長的幅度已經很小，表明混合料的強度已經確立，可以正常發揮半剛性基層的作用。

3 結論

本文通過試驗分析水泥劑量、再生集料的摻配比例以及養生時間對水泥穩定再生集料強度的影響，可以得到以下結論：

1)水泥結合料的劑量對水泥穩定再生集料的擊實特性有影響，混合料的無側限抗壓強度隨著水泥劑量的增加而提高。水泥用量宜控制在5%～6%，過多可能存在混合料的抗裂性變差的風險。

2)當再生集料的摻配比例為25%時，水泥穩定混合料的強度指標超過了水泥穩定天然石料；當再生集料的摻配比例為50%時，其強度指標與天然石料的幾乎相同，進而可以考慮再生集料的摻配比例控制在25%～50%。

3)養生齡期對水泥穩定材料的強度有明顯的影響，在養生7 d后，混合料的強度基本形成；在7～28 d的時間內，強度仍然有不同程度的增高，28 d后可以正常發揮其強度性能。因此，水泥穩定再生集料作為道路基層或底基層時，養生齡期宜至少28 d。