鈦石膏-礦渣對磚混再生粗集料負壓強化效果評價

趙之仲， 柳泓哲， 楊振宇， 石祥玉， 趙連地

（1.山東交通學院交通土建工程學院，山東 濟南 250357；2.北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 102616；3.山東高速股份有限公司，山東濟南 250014；4.山東高速路橋國際工程有限公司，山東 濟南 250014）

隨著中國城市建設的發展，建筑固廢總量已占到城市垃圾總量的30%~40%［1?2］.當前，中國道路工程建養每年需要消耗砂石等材料數十億t，逐步成為了大宗建筑固廢再利用的主戰場［3?5］.由于磚混再生集料存在強度低、密度小和吸水率高的劣勢［6?9］，在未經強化處理時不能滿足相關使用要求，限制了其資源化利用，因此對磚混再生集料進行強化研究迫在眉睫.

采用化學漿液或溶液浸泡、滲透結晶改性、納米技術改性和碳化處理等方法［10?12］強化磚混再生集料時，需要的試劑較為昂貴，提高了強化成本，并且碳化過程需要收集CO2并且封存，現階段也沒有合適的碳化設備［13?14］.鈦石膏是硫酸法生產鈦白粉的工業固體廢棄物，目前僅少量用于水泥緩凝，制備 復 合 膠 凝 材 料 等［15?16］.因 此，使 用 鈦 石 膏 可 以 有效降低生產成本，具有很強的經濟性，同時也會消耗大量廢棄物，可以保護生態環境，達到以廢治廢的目的.

現階段缺少效果明顯、成本不高和簡單易控的強化材料，也沒有較好的強化處理方式.傳統攪拌和浸泡強化并不能滿足使用要求，已經成為制約強化再生集料廣泛應用的瓶頸.從再生集料的強化方式與材料入手，選用一種成本低廉、效果優異的強化材料對磚混再生粗集料（BCRCA）進行強化，并提出一種新的負壓強化方式，研究其強度的變化規律，可以解決建筑垃圾資源化利用的問題，在極大程度上促進BCRCA 再生利用技術的推廣.

1 原材料

水泥采用山水集團供應的P·O 42.5 水泥，性能如表1 所示.BCRCA 由山東普綠祥環保科技有限公司提供，性能如表2 所示.由表2 可見，BCRCA 的壓碎值、吸水率和針片狀含量都比較高，分析后發現是由于BCRCA 破碎篩分裝置還不夠完善，在初期破碎分揀過程中所含雜物并不能完全去除，含有部分的磚瓦碎片、浮石和木屑等垃圾造成的.BCRCA 的孔隙率較高，其中也存在部分浮石，因此導致該集料吸水率較高.

表1 水泥的性能Table 1 Performance of cement

表2 BCRCA 的性能Table 2 Performance of BCRCA

2 強化方式與材料

2.1 負壓強化設備

采用課題組自主研發的小型負壓強化設備［17］對BCRCA 中單顆粒或小部分粗集料進行強化.在負壓的條件下，將強化材料灌入BCRCA 孔隙中，從而達到填充孔隙、強化集料的目的.研究發現，采用二次攪拌的方法，在負壓溫度為54 ℃下，負壓壓力控制到75 kPa，穩壓12 min 時的強化效果最佳［18］.

2.2 強化材料

圖1為鈦石膏的XRD圖譜.由圖1可見，CaSO4·2H2O含量（質量分數，文中涉及的含量、劑量、水膠比等除特別說明外均為質量分數或質量比）為41.2%，在強化過程中提供CaSO4.

圖1 鈦石膏的XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of titanium gypsum

圖2為礦渣的XRD 圖譜.由圖2 可見，礦渣含有大量的Al2O3和SiO2，其中活性較高的Al3+和Si2+含量豐富，在反應過程中可以提供足量的Al3+.但是，兩者復合反應是很難進行的，所以要利用水泥來提供一定的堿性反應條件，作為復合反應的激發劑使用.因此，在P·O 42.5 水泥中摻入鈦石膏和礦渣，將產生大量C?S?H 凝膠和鈣礬石膨脹晶體，達到封閉、填充孔隙的效果.

圖2 礦渣的XRD 圖譜Fig.2 XRD pattern of slag

前期研究表明［19?20］，水泥作為激發劑使用的劑量為5%時，可以提供充足的堿性環境，當m（鈦石膏）∶m（礦渣）=2∶3 時，鈣礬石的生成量較多而且反應效果最佳.因此，選取m（水泥）∶m（鈦石膏）∶m（礦渣）=10∶2∶3 的摻配比例制備強化漿體（T?S 漿體），同時利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察養護齡期為1、7、14、21 d 時T?S 漿體的微觀形貌，結果如圖3 所示.

圖3 不同養護齡期下T?S 漿體的微觀形貌Fig.3 Microstructure of T?S paste with different curing ages

2.3 試驗方法確定

2.3.1 T?S 漿體強化BCRCA

首先，以0.1為間隔，確定T?S 漿體水膠比mW/mB為1.3~1.8，漿體裹附效果如圖4 所示.觀察發現：當水膠比為1.3 時，漿體較稠，無法有效裹附BCRCA；當水膠比為1.8 時，漿體太稀，也無法裹附在集料表面.因此，選擇1.4、1.5、1.6 和1.7 為試驗水膠比.其次，確定2 種強化方式：攪拌裹附強化方式是將BCRCA 放入T?S 漿體中，基于水泥初終凝時間的影響，利用凈漿攪拌機分別攪拌20、40、60 min，并靜置5 min，使T?S 漿體均勻裹附在BCRCA 表面；負壓強化方式如2.1 所述.最后，待2 種強化方式處理完成后，為避免集料間的黏結，用篩子輕輕篩分，在室溫下靜置24 h，得到強化BCRCA.根據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》，分別對強化BCRCA的吸水率、壓碎值和表觀密度進行測定，分析在不同強化方式下BCRCA 3 種性能的變化規律，確定最佳水膠比.

圖4 鈦石膏-礦渣漿體的裹附效果Fig.4 Adhesion effect of titanium gypsum slag slurry

2.3.2 灌入飽和度試驗

將T?S 漿體所能浸入深度與孔隙總深度的比值定義為灌入飽和度，以此來表征T?S 漿體灌入孔隙的程度.利用CT 掃描技術對T?S 漿體強化BCRCA前后的孔隙充盈情況和孔隙特征進行觀察，結果如圖5、6 所 示. 根 據 圖5、6，通 過 分 析 得 到，強 化BCRCA 的閉口孔隙占47%，開口孔隙占36%，連通孔隙占17%.

圖5 強化材料灌入程度示意圖Fig.5 Schematic diagram of filling degree of strengthening materials

圖6 強化BCRCA 的孔隙特征掃描圖Fig.6 Scanning graph of pore characteristics of strengthening BCRCA

2.3.3 力學性能與耐久性能評價

水泥穩定碎石基層是路面結構中的主要承重層，不僅要承受由瀝青面層上車輛傳遞下來的行車荷載，還要起到支撐瀝青面層的作用，所以水泥穩定碎石基層應具有足夠的強度和耐久性.因此，將強化前后的BCRCA 用于水泥穩定碎石中，依據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，分別測試其無側限抗壓強度、劈裂強度、抗疲勞性能以及抗沖刷性能，分析水泥穩定碎石的性能變化規律.

3 結果與分析

3.1 集料強化性能結果分析

圖7為采用2 種方式強化后，BCRCA 的吸水率、表觀密度和壓碎值的變化規律.由圖7 可見：

圖7 BCRCA 各項性能指標的變化規律Fig.7 Variation law of each performance index of BCRCA

（1）強化BCRCA 的吸水率隨著水膠比的增大呈先減小后增大的趨勢.分析可知，水膠比變化反映了強化漿體稠度的變化，過稠或過稀都會降低漿體的裹附效果.水膠比為1.5 時，BCRCA 易于被T?S 漿體包裹.當采用攪拌裹附強化方式時，隨著攪拌時間的延長，吸水率不斷降低，使更多的T?S 漿體浸入孔隙中，從而獲得了較好的強化效果.在攪拌60 min后強化效果最佳，吸水率降至7.2%.當采用負壓強化方式時，T?S 漿體能夠更好地填充集料孔隙，并且反應生成鈣礬石晶體和C?S?H 凝膠，使集料更加密實，從而有效提高集料的性能，使吸水率降至6.6%，較未強化時降低32.6%.

（2）當水膠比為1.5 時，強化BCRCA 的表觀密度達到最大值.這是由于水膠比的不同，導致漿體的稠度和流動性不同，使填充程度出現差異.攪拌時間的影響較弱，當攪拌60 min 時，漿體已經開始趨向于初凝狀態；攪拌40 min 后，BCRCA 的表觀密度已達到2.673 g/cm3.當采用負壓強化方式時，BCRCA 的表觀密度較傳統攪拌裹附強化方式有所提高，此時漿體中不僅有更多反應生成的鈣礬石晶體和C?S?H 凝膠填充到孔隙中，在集料表面也會裹附一部分漿體，在其表面形成漿體強化殼，因此負壓強化BCRCA 的表觀密度可以達到2.678 g/cm3.

（3）強化BCRCA 的壓碎值隨著水膠比的增大而減小.當水膠比為1.7 時，強化BCRCA 的壓碎值達到最優狀態，攪拌40、60 min 時的壓碎值約為28.0%；經過負壓強化后的壓碎值降低至27.5%，與原始狀態下的32.9%相比，降低了16.4%.但是，與攪拌裹附強化相比，負壓強化BCRCA 的吸水率有所減小.當選擇水膠比為1.5時，負壓強化BCRCA 的吸水率最小、表觀密度最大，并且壓碎值也變化不大.因此，在負壓強化方式下，最優水膠比為1.5.

3.2 灌入飽和度結果分析

從強化方式和孔隙特征2 方面對灌入飽和度的變化規律進行分析，結果如表3 所示.由表3 可見：

表3 灌入飽和度的變化Table 3 Variation change of filling saturation%

（1）從強化方式上來看，當采取傳統攪拌裹附強化方式時，BCRCA 的灌入飽和度隨著攪拌時間的延長而增大，但是連通孔隙的灌入飽和度僅為15.2%，開口孔隙的灌入飽和度為23.4%.經過負壓強強化后，BCRCA 的灌入飽和度有明顯提升，其開口孔隙和連通孔隙的灌入飽和度分別提高至38.3%、27.5%.由此看出，負壓強化方式可以有效提高強化材料漿體灌入集料孔隙的程度，從而提升了BCRCA的各項性能指標，使其達到使用條件.

（2）從孔隙特征上來看，BCRCA 的開口孔隙灌入飽和度比連通孔隙提升了約25.1%.因為連通孔隙中外部孔隙與內部孔隙的連接通道較為狹窄，T?S 漿體不易進入孔隙內部，從而導致灌入飽和度較差.開口孔隙具有較寬的流通通道，T?S 漿體可以更好地灌入粗集料孔隙中，從而達到密實孔隙的目的.因此，負壓強化方式能夠更好地強化BCRCA.

3.3 水泥穩定碎石混合料強化性能結果分析

級配設計采用4檔集料，分別為G1（20~30 mm）、G2（10~20 mm）、G3（5~10 mm）和G4（0~5 mm），篩分試驗后調整確定4 檔集料比例為m（G1）∶m（G2）∶m（G3）∶m（G4）=17∶23∶23∶37，級配如表4 所示.

表4 水泥穩定碎石混合料的集料級配Table 4 Grading of aggregate of cement stabilized stone mixture

采用水泥劑量為5%，含水量按8%、9%、10%、11%和12%添加，分別進行擊實試驗，得到水泥穩定碎石混合料含水量與干密度的關系，結果如圖8所示.

圖8 水泥穩定碎石混合料含水量與干密度的關系Fig.8 Relationship between dry density and water content of cement stabilized stone mixture

3.3.1 無側限抗壓強度分析

表5為不同齡期下的水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度.由表5 可見：（1）未強化集料在95%的保證率下，水泥穩定碎石混合料的7 d 無側限抗壓強度代表值僅為2.1 MPa，適合二級及二級以下中等交通基層或重交通下底基層使用；水泥穩定碎石混合料的90 d 無側限抗壓強度代表值可達到3.9 MPa.（2）對BCRCA 進行負壓強化后，在95%的保證率下，水泥穩定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度代表值為3.8 MPa，相較于未強化時提高約80.9%，可在一級公路和高速公路中用于中等交通基層或集中交通下底基層；水泥穩定碎石混合料的90 d 無側限抗壓強度代表值達到5.6 MPa，比未強化時增長了38.5%.

表5 不同齡期下的水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度Table 5 Compressive strength of cement stabilized stone mixtures at different ages MPa

3.3.2 劈裂強度分析

表6為不同齡期下的水泥穩定碎石混合料劈裂強度.由表6 可見：（1）BCRCA 未強化時，水泥穩定碎石混合料的7 d 劈裂強度代表值僅為0.30 MPa；在養護90 d 后，水化作用逐漸減緩，其劈裂強度的變化趨于穩定，達到0.45 MPa.（2）BCRCA 強化后，水泥穩定碎石混合料的7 d 劈裂強度可達到0.41 MPa，較未強化時強度增長約36.7%；養生90 d 后，水化作用完成，強度形成，此時的劈裂強度可達到0.60 MPa，比未強化時增長了33.3%.

表6 不同齡期下的水泥穩定碎石混合料劈裂強度Table 6 Splitting strength of cement stabilized stone mixtures at different ages MPa

3.3.3 疲勞性能分析

在疲勞性能試驗中，首先測定梁式試件的彎拉強度，以便確定疲勞試驗的荷載水平，再取4~6 個應力比（K）進行疲勞試驗.表7 為水泥穩定碎石混合料的疲勞性能.由表7 可見，當BCRCA 未強化時，水泥穩定碎石混合料的疲勞壽命(N)僅有約47萬次，當BCRCA 強化后，水泥穩定碎石混合料的疲勞壽命可超過62 萬次，強化后的平均疲勞壽命提高了30.8%，說明經過強化后的BCRCA 具有良好的抗疲勞性能.

表7 水泥穩定碎石混合料的疲勞性能Table 7 Fatigue properties of cement stabilized stone mixtures

3.3.4 抗沖刷性能分析

在對BCRCA 強化后的情況下，水泥穩定碎石混合料試件的沖刷質量損失為0.206%，與原始狀態下的沖刷質量損失0.242%相比，降低了大約17.5%.主要有4 種因素會影響試件沖刷質量的損失，分別是粗集料性質、養生齡期、水泥劑量以及混合料中細集料的含量.試驗中水泥劑量與養生齡期均未改變，因此集料性質和細集料含量為主要影響因素.BCRCA的表面孔隙較多，會吸附一部分粉塵，增大了混合料中細集料的含量，在動水壓力的作用下抗沖刷性能較弱.再生粗集料經過強化后，性質得到改善，孔隙得到填充，所以采用強化BCRCA 制備的水泥穩定碎石混合料具有更好的抗沖刷性能.

4 結論

（1）在負壓強化方式下，當水膠比為1.7 時，磚混再生粗集料（BCRCA）的壓碎值可降低至27.5%，較未強化時降低16.4%.為了兼顧吸水率與表觀密度的影響，選擇1.5 作為最佳水膠比，此時BCRCA 壓碎值所受的影響不大，且吸水率、表觀密度達到6.6%、2.678 g/cm3，吸水率較未強化時降低了32.6%.

（2）與傳統攪拌裹附強化方式相比，經過負壓強化方式強化后，BCRCA 開口孔隙和連通孔隙的灌入飽和度分別提高至38.3%、27.5%，并且T?S 漿體能夠更好地灌入開口孔隙，其灌入飽和度比連通孔隙提升了25.1%.

（3）強化后的BCRCA 用于水泥穩定碎石基層時，其7 d 無側限抗壓強度和劈裂強度分別為3.8、0.41 MPa，較未強化時提升了38.5%、36.7%，可以達到較好的強化效果.

（4）BCRCA 強化后，水泥穩定碎石混合料的平均疲勞壽命提高了30.8%，抗沖刷性能提升了17.5%，具有較好的耐久性能.