膨脹劑對再生骨料基層力學與干縮性能的影響★

曹 慧，沈菊男

(蘇州科技大學 江蘇省生態道路產業化工程研究中心，江蘇 蘇州 215000)

1 概述

隨著我國城市化的進程不斷加快，基礎建設的飛速發展，伴有大量的老舊建筑物以及廢棄公路被拆除，產生了大量的建筑垃圾，對于這些建筑垃圾的處理成了我們面臨的難題，目前的解決方法是簡單的堆放或者掩埋[1-2]，但混凝土很難自然降解，這樣處理不僅會造成資源的浪費，而且會嚴重影響生態環境。同時隨著對天然骨料的需求日益增加，過度開采導致天然砂石資源短缺，建筑垃圾相比于生活垃圾具有更好的再生利用價值，因而被譽為“放錯了地方的資源”[3-4]，所以對于建筑垃圾的再生利用成為了當前學者研究的熱點。已有研究表明，廢棄混凝土制備成再生骨料能夠重新應用于工程中，并且由其制備的再生混凝土能夠取代普通混凝土[5-7]。與天然碎石相比，再生骨料具有吸水率高、壓碎值高、密度低等缺點，但基本能夠滿足相應公路基層規范的要求[8]。我國的道路工程主要采用半剛性基層，且結構厚度較大[9]，對集料需求量大，相較于面層集料，半剛性基層集料質量要求較低，是建筑垃圾再生集料的主要應用方向之一。國內外大量試驗研究發現，再生骨料具有良好的路用性能，然而再生骨料存在大量的水泥砂漿和微裂縫，其物理力學性能與天然骨料存在較大差異，這將對路面基層材料的物理力學性能及干縮性能產生不利影響[10-12]。

故通過對摻入不同比例再生骨料的混合料的力學特性和干縮特性進行研究，有研究表明，加入UEA(United Expansion Agent，U型膨脹劑)能夠提高混凝土的密實度，使其產生適度膨脹，克服混凝土的干燥收縮[13]。所以我們在實驗中加入不同比例的膨脹劑對其進行改性，以期在滿足力學性能的同時減少基層的干燥收縮，便于水泥穩定再生骨料更好的應用于基層中。

2 原材料及實驗方法

2.1 天然骨料

本實驗所用的天然骨料是石灰巖，取自蘇州三創路面工程有限公司，其中把天然骨料分為四個粒徑，分別為1號(19 mm～31.5 mm)、2號(13.2 mm～19 mm)、3號(4.75 mm～13.2 mm)與4號(0 mm～4.75 mm)，記為天然粗(19 mm～31.5 mm)、天然中(13.2 mm～19 mm)、天然次細(4.75 mm～13.2 mm)和天然細(0 mm～4.75 mm)。主要技術指標見表1。

表1 天然集料性能實驗結果

2.2 再生骨料

本實驗所用的再生骨料取自蘇州建筑垃圾再生利用有限公司，其中把再生骨料分為三種粒徑，分別為再生粗(10 mm～26 mm)、再生中(5 mm～10 mm)、再生細(0 mm～5 mm)。主要技術指標見表2。

表2 再生集料性能實驗結果

2.3 水泥

此次實驗選用蘇州達岷建筑材料有限公司生產的天山牌P.O42.5緩凝型普通硅酸鹽水泥，各項性能指標經檢測如表3所示。

表3 水泥性能指標檢測

2.4 膨脹劑

本實驗選用的膨脹劑為萊陽市宏祥建筑外加劑廠生產的UEA型膨脹劑，主要成分硫酸鋁、氧化鋁、硫酸鋁鉀等。自應力值0.2 MPa～0.8 MPa，水中7 d限制膨脹率不小于0.025%，可抵消混凝土硬化過程中形成的收縮力，半剛性基層開裂主要是由干燥收縮和溫度收縮產生。干燥收縮是指混合料因內部含水量發生變化而引起的收縮變形的現象，摻入膨脹劑的混凝土與普通混凝土相比，能夠提高混凝土的密實度，使其產生適度膨脹，克服混凝土的干燥收縮，提高抗裂和抗滲性能。

3 配合比設計

根據規范JTG/T F20—2015公路路面施工技術細則[14]中水泥穩定級配碎石推薦級配，按照高速公路和一級公路基層和底基層的要求選擇了C-B-3級配，在實驗中選擇了三種級配的混合料，水泥穩定再生骨料取代天然骨料的比例分別是45%，75%，100%。通過擊實試驗確定其最大干密度和最佳含水率。

3.1 合成級配

天然骨料和再生骨料的級配如表4所示。

表4 骨料級配

在水泥穩定再生骨料基層的合成級配中，級配一：摻入45%再生骨料的混凝土中各骨料的比例為再生粗∶再生中∶再生細∶天然粗∶天然中∶天然次細∶天然細=10∶15∶20∶22∶8∶8∶17。級配二：摻入75%再生骨料的混凝土中各骨料的比例為再生粗∶再生中∶再生細∶天然粗∶天然中∶天然次細∶天然細=27∶25∶23∶7∶6∶5∶7。級配三：摻入100%再生骨料的混凝土中各骨料的比例為再生粗∶再生中∶再生細=32∶30∶38。各篩孔的通過率見表5。

表5 再生骨料基層混合料合成級配

3.2 擊實試驗

為了確定混合料的最大干密度和最佳含水率，根據規范JTG E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[15]要求，對表6中四個級配的混合料進行擊實試驗。水泥劑量分別取2.5%，3.5%，4.5%，得出的擊實數據如表6所示。

表6 擊實試驗結果

從表6中數據可以看出，隨著再生骨料的取代率增加，最佳含水率逐漸增大，最大干密度出現下降的趨勢。隨著水泥摻量的增加，最佳含水率和最大干密度均隨之增加。這是由于相較于天然骨料，再生骨料的吸水率比較高，在拌合過程中需要吸收更多的水，且再生骨料表面附著有舊水泥砂漿，這會導致在相同水泥劑量的情況下，再生骨料摻量高的混合料水泥水化需要消耗更多的水，這都會導致最佳含水率上升，且再生骨料密度小于天然骨料，所以隨著再生骨料取代率的增加，最大干密度隨之下降。此外，由于水泥水化需要吸收更多的水，且水泥在拌合物中可以起到填充縫隙的作用，使混合料更加密實，從而增大其干密度。

3.3 7 d無側限抗壓強度

依照上述數據配料，根據規范JTG E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程做7 d無側限抗壓強度實驗，試件尺寸為150 mm×150 mm,制件后在標準養護條件下養護6 d,然后浸水1 d后取出，進行無側限抗壓強度實驗，實驗結果如表7所示。

表7 7 d無側限抗壓強度實驗結果

由表7中數據可知，在養護齡期和水泥劑量相同時，隨之再生骨料的取代率增加，無側限抗壓強度呈現上升的趨勢，這說明再生骨料中附著的舊水泥砂漿對于強度的發展而言是有利的，而且由于再生骨料相較于天然骨料吸水率比較高，可以吸收拌合過程中多余的水，降低拌合物的水灰比，達到提高混凝土強度的效果。當水泥含量不小于3.5%時，各級配混合料的無側限抗壓強度均滿足規范JTG/T F20—2015公路路面施工技術細則中高級公路和一級公路對于基層和底基層的強度要求，故將水泥含量定為3.5%來進行后續的研究，一方面滿足經濟性的要求，另一方面隨著水泥含量的減少，水泥水化產生的體積收縮也會減少，從而達到提高混凝土的干縮性能的目的。

4 對膨脹劑的基層力學性能研究

由上述研究可知，當水泥劑量為3.5%時，7 d無側限抗壓強度實驗結果基本滿足規范要求，但根據已有大量實驗結果表明，隨著再生骨料取代率的增加，干燥收縮相比于天然骨料明顯增加，這是因為再生骨料的吸水率遠大于天然骨料，在拌合過程中需要吸收更多的水，在混凝土干燥時會失去更多的吸附水，致使硬化混凝土的干燥收縮增加。且再生骨料表面附著有舊水泥砂漿，這會導致在相同水泥劑量的情況下，再生骨料摻量高的混合料水泥水化產生的體積收縮會更大。而有研究表明，加入UEA型膨脹劑能夠提高混凝土的密實度，使其產生適度膨脹，克服混凝土的干燥收縮。但膨脹劑對于力學性能的影響并不明朗，故通過實驗探究不同摻量的膨脹劑對于基層力學性能的影響。

4.1 膨脹劑對不同級配試件無側限抗壓強度的影響

實驗選取五個不同比例的UEA型膨脹劑摻量制作無側限抗壓強度試件，選用外摻法，摻量分別為水泥用量的0%，2.5%，5%，7.5%，10%。養護后測量其7 d無側限抗壓強度，實驗強度數據如圖1所示。

由圖1中數據可知，三種級配混合料的7 d無側限抗壓強度均隨著膨脹劑摻量的增加出現先增大后減小的趨勢，但抗壓強度峰值對應的膨脹劑摻量有所不同，再生骨料取代率為45%的混合料，當膨脹劑摻量為5%時抗壓強度達到最大值3.84 MPa，相較于無膨脹劑添加的混合料強度提升了8.2%。再生骨料取代率為75%的混合料，當膨脹劑摻量為5%時抗壓強度達到最大值4.4 MPa，相較于無膨脹劑添加的混合料強度提升了7.3%。再生骨料取代率為100%的混合料，當膨脹劑摻量為2.5%時抗壓強度達到最大值5.0 MPa，相較于無膨脹劑添加的混合料強度提升了6.3%。這是由于適量的膨脹劑加入混凝土中，遇水后形成膨脹性結晶水化物，使體積產生膨脹，起到補償收縮，使混凝土更加密實的作用，能夠提高混凝土的強度。但是過量的膨脹劑會使混凝土過度膨脹，產生膨脹性裂縫，削弱混凝土強度，甚至使混凝土開裂，所以在使用過程中要控制好膨脹劑的摻量。

4.2 劈裂抗拉強度實驗

實驗選取五個不同比例的膨脹劑摻量制作劈裂抗拉強度實驗，選用外摻法，摻量分別為水泥用量的0%,2.5%,5%,7.5%,10%。養護后測量其劈裂抗拉強度，實驗結果如圖2所示。

由圖2中數據可知，隨著膨脹劑摻量的增加，不同級配混合料的7 d劈裂抗拉強度均出現小范圍上升的趨勢，說明摻入膨脹劑對于混合料劈裂強度的發展是有利的，主要是由于適量的膨脹劑遇水可產生膨脹性水化物，和水泥水化產生的水化硅酸鈣凝膠能夠緊密的黏結在一起，使混凝土更加密實，增強了水泥與骨料之間的摩擦力，使水泥能夠更好地附著和黏結在骨料表面，宏觀性能表現為混合料的劈裂抗拉強度提高。此外，對于10%膨脹劑摻量的混凝土試件，在再生骨料取代率為75%時，7 d劈裂抗拉強 度相比于45%再生骨料取代率的混合料下降34%左右，在再生骨料取代率為100%時，7 d劈裂抗拉強度相比于45%再生骨料取代率的混合料下降17%左右。可見隨著再生骨料取代率的增加，劈裂抗拉強度先下降后上升，但總體呈現下降趨勢。而隨著膨脹劑摻量的增加，劈裂抗拉強度總體呈上升趨勢。可見過量摻入再生骨料會降低混合料的劈裂強度，而膨脹劑對于劈裂抗拉強度的發展有正向作用，故在應用中應注意混合料中再生料的摻量以及適當的使用膨脹劑。

5 干燥收縮

為了研究膨脹劑摻量對不同級配混合料的干縮性能影響，對三種級配混合料摻入五種不同比例的膨脹劑進行28 d干燥收縮試驗，依據規范JTG E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，實驗結果如圖3～圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，適當的摻入膨脹劑能夠提高基層的干縮性能，在三種級配的情況下5%摻量的膨脹劑均能夠較為有效的降低基層的干燥收縮。對于45%再生骨料取代率的混合料，降低了約15%的干縮應變，對于75%再生骨料取代率的混合料，降低了約20%的干縮應變，對于100%再生骨料取代率的混合料，降低了約23%的干縮應變。2.5%和7.5%的膨脹劑摻量對干燥收縮有一定的作用，但是總體來說沒有摻5%膨脹劑減少收縮的效果明顯，而10%的膨脹劑摻量則會增加基層的干燥收縮，所以在工程應用中要注意控制膨脹劑的摻量。

6 結論

通過研究膨脹劑對水泥穩定再生骨料基層力學性能的影響，可以得出以下結論：

1)三種不同再生骨料取代率的混合料抗壓強度隨著膨脹劑摻量的增加均出現先上升后下降的趨勢，但不同再生骨料取代率的混合料抗壓強度峰值對應的膨脹劑摻量有所不同，膨脹劑大于峰值摻量時會降低混合料的無側限抗壓強度，當膨脹劑摻量小于7.5%時，三種級配的混合料均能滿足基層的強度要求，應用時應根據再生骨料的取代率來控制膨脹劑的摻量。

2)隨著膨脹劑摻量的增加對三種級配混合料的劈裂抗拉強度均有少量提高。劈裂抗拉強度與試件的密實程度有關，除了外加劑的影響，還受到再生骨料的取代率以及最大干密度的影響，當試件的干密度更大時，由于骨料和水泥之間接觸更為緊密，會增大兩者之間的摩擦力，從而使劈裂強度增加，而加入膨脹劑可以使試件更加密實，也可以使試件的劈裂強度提高。

3)適量的摻入膨脹劑能夠提高基層的干縮性能，當膨脹劑的摻量為5%時，對三種不同級配的混合料減少干燥收縮的效果最為明顯，對再生骨料取代率為45%,75%,100%的混合料干縮應變相比于不摻膨脹劑的干縮應變分別降低了15%,20%,23%，效果較為顯著。當膨脹劑摻量為5%時，針對三種不同級配的混合料，均可以在滿足基層強度要求的同時，最大程度減少基層的干燥收縮應變，社會效益、環境效益、經濟效益顯著。