含磚塊水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層耐久性研究

齊琳　于保陽　趙鋒

關(guān)鍵詞：道路工程;基層;建筑垃圾;耐久性;磚塊含量;凍融循環(huán);SEM 電鏡

中圖分類號：U414;X734 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx01008

中國正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，公路路面建設(shè)需要消耗大量碎（礫）石材料，從而導(dǎo)致天然石料過度開采[1-2]。目前中國實施“三改一拆”等措施，房屋建筑的拆除會產(chǎn)生大量建筑垃圾，而這些建筑垃圾通常采用露天堆放或者填埋的處理方式，不僅占用大量土地，還會引起土壤、水體和空氣污染等問題。如何合理利用并提高建筑垃圾的利用率已成為研究熱點。本文將建筑垃圾應(yīng)用于路面基層當(dāng)中，既能減少天然石料的過度開采，也能變廢為寶，具有十分重要的工程意義。

國內(nèi)外已對建筑垃圾用于道路基層或底基層進(jìn)行了大量研究[3-4]，建筑垃圾包括廢棄混凝土及碎磚塊。1）在建筑垃圾的利用方面：XUAN 等[5]研究水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層性能，通過降低建筑垃圾質(zhì)量摻量、增加水泥劑量和提高壓實度等方法使抗壓強度、抗壓回彈模量滿足要求。POON 等[6]通過調(diào)整建筑垃圾混合料的級配、含水量，優(yōu)化混合料的穩(wěn)定性、抗剪強度、彎拉強度和抗壓強度等，其結(jié)果顯示路面基層和底基層選用建筑垃圾代替天然石料能夠滿足使用要求。紀(jì)小平等[7]將建筑垃圾按0，30%，60%，100%質(zhì)量摻量代替天然碎石，研究發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定建筑垃圾的最大干密度隨建筑垃圾增加而降低，強度和剛度隨建筑垃圾質(zhì)量摻量增加而減小，干縮性能、水穩(wěn)定性隨建筑垃圾質(zhì)量摻量的增加而降低。劉克非等[8]將建筑廢料用做道路基層材料，并進(jìn)行力學(xué)與干縮性能試驗，測試了不同質(zhì)量摻量建筑廢料、不同水泥劑量對無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和干縮應(yīng)變的影響。二級及二級以下公路采用建筑廢料作為基層材料時，建筑廢料質(zhì)量摻量控制在粗骨料總量的50%以內(nèi)，水泥劑量不超過5%。由于水穩(wěn)建筑廢料基層材料干縮性能較差，在工程中需注重工程初期的養(yǎng)生措施，防止產(chǎn)生大量的干縮裂縫。郭立成等[9]研究了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的力學(xué)性能與耐久性能，研究表明較高強度的廢舊混凝土可以有效提高水泥穩(wěn)定再生基層材料的力學(xué)性能，包括無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量，在耐久性能中可以減弱干縮性能。2）在碎磚塊的利用方面：余紅明[10]利用磚混骨料制作再生水泥穩(wěn)定材料，研究了水泥摻量、骨料級配類型及養(yǎng)護(hù)齡期對磚混骨料再生水泥穩(wěn)定材料的力學(xué)、變形及耐久等各項性能的影響，并通過XRD/MIP/SEM 等微觀技術(shù)手段探究了強度形成機理。孟欽龍[11]用破碎的廢棄黏土磚集料代替天然碎石，并通過摻加玄武巖纖維提升水穩(wěn)基層材料的性能，研究表明玄武巖纖維可以改善由于磚塊含量增加對水穩(wěn)基層材料耐久性的不利影響。

上述研究中將建筑垃圾應(yīng)用在了道路基層中。但建筑垃圾的成分復(fù)雜，主要為舊混凝土塊與磚塊，磚塊在建筑垃圾中的含量不可忽略，磚塊的物理性能相比較天然集料與舊混凝土塊差距很大，磚塊的含量影響著水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的性能。建筑垃圾中磚塊與舊混凝土塊摻雜，單獨挑選磚塊費時費力，如果不將磚塊有效利用，建筑垃圾就無法充分利用，因此磚塊對水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的影響不可忽略。

由于水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的材料特性，以及在使用過程中還受到溫度、濕度變化的影響，因此需要檢驗水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的耐久性。本文主要以不同磚塊含量的建筑垃圾研究水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的抗凍性能以及收縮性能，并從微觀角度觀察水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化、細(xì)微裂縫的積累、水化物的產(chǎn)生等。將宏觀與微觀相結(jié)合分析磚塊含量對水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的耐久性的影響。

1 原材料

1）采用山水牌32.5級粉煤灰硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表1，性質(zhì)符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034—2000）的要求[12]。

2）建筑垃圾取自沈陽李相固廢回收站，其中磚塊含量為18.18%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），由于建筑垃圾中的磚塊含量存在一定的離散性，并且考慮到本研究對不同來源建筑垃圾的普適性，決定擴大建筑垃圾中磚塊含量的取值范圍，分別取建筑垃圾中磚塊含量為0，10%，20%，30%共4組進(jìn)行試驗。

3）天然集料為石灰?guī)r。按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（ JTG E42—2005）的相關(guān)試驗方法進(jìn)行試驗[13]，得出集料技術(shù)指標(biāo)（如表2所示）。由表2可以看出，建筑垃圾與天然集料相比其吸水率大、壓碎值大、表觀密度小，并且磚塊的吸水率、壓碎值最大。建筑垃圾中舊混凝土與磚塊的壓碎值均不滿足《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）中高速公路或一級公路壓碎值不大于30%的要求[13]，需摻配天然集料滿足水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的強度要求。

在水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層組成設(shè)計中，通過篩分試驗得到建筑垃圾破碎后的粒徑為2.36～20 mm，加入天然集料后合成為骨架密實型混合料。在粒徑為0～5 mm，20～40 mm 的集料中摻入天然碎石，其質(zhì)量占混合料總質(zhì)量的40%。混合料中粒徑為0～5 mm的建筑垃圾的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.5%，粒徑為5～20 mm的建筑垃圾質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.5%;粒徑為0～5 mm的天然碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.8%，粒徑為20～40 mm的天然碎石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.2%。其級配采用骨架密實型級配（如表3所示）[14]。

2 試件制備及試驗方案

為確定磚塊含量對水泥穩(wěn)定建筑垃圾耐久性的影響，對磚塊含量分別為0，10%，20%，30%的建筑垃圾制成的試件進(jìn)行抗凍性試驗、干縮試驗、溫縮試驗，每項試驗為4組。同時，對不同含量的磚塊試件進(jìn)行SEM 掃描電鏡（S-3400N Ⅱ型掃描電子顯微鏡，日本日立公司提供）分析，觀測其凍融循環(huán)前后、干縮試驗后的界面微觀結(jié)構(gòu)，試驗場景見圖1。

試驗過程依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）進(jìn)行[15]。水泥劑量為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），最大干密度和最佳含水率見表4，該配合比下不同磚塊含量的水泥穩(wěn)定建筑垃圾的各項力學(xué)性能見表5。

1）抗凍性能是影響基層穩(wěn)定性的重要因素，建筑垃圾吸水率高，經(jīng)過低溫后易發(fā)生凍脹，繼而引起結(jié)構(gòu)性破壞。按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）[15]的方法制作18個150 mm×150 mm 的圓柱體試件進(jìn)行抗凍性試驗，其中9個為凍融試件，9個為非凍融試件，凍融試件在-18 ℃溫度下冷凍16 h，放入20 ℃ 水中融化8 h，共進(jìn)行5次凍融循環(huán)。

2）干縮是由水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層內(nèi)部水分損失導(dǎo)致材料體積收縮，干縮的發(fā)生基層結(jié)構(gòu)宏觀上會表現(xiàn)收縮開裂，研究干縮性能可以防止基層的開裂。不同磚塊含量的試驗組每組制作6個試件，采用靜力法制作50 mm×50 mm×240 mm 梁式試件，放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溫度為（20±1）℃，濕度為90%以上，養(yǎng)生齡期為7 d，最后一天在（20±1）℃水浴中飽水24 h。3個試件用于測干縮性能，3個試件用于測試件失水率，前7天每天記錄1次千分表讀數(shù)，7 d以后每2 d記錄1次千分表數(shù)據(jù)，共觀測29 d。

3）溫縮是由于材料在較大的溫度和濕度反復(fù)作用下產(chǎn)生的體積收縮，在溫度變化的作用下，基層產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，當(dāng)溫度變化時基層材料產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過基層材料的抗拉強度時，導(dǎo)致基層產(chǎn)生溫縮裂縫。試驗溫度模擬沈陽地區(qū)的環(huán)境溫度，溫度區(qū)間設(shè)為-30～20 ℃，每10 ℃為一個溫度梯段，每個溫度梯段恒溫3 h，在保溫結(jié)束前的5 min內(nèi)讀取溫縮應(yīng)變值。

對經(jīng)受凍融循環(huán)后的試件在界面處取1 cm3 試樣進(jìn)行SEM 掃描電鏡分析。用無水乙醇將試樣充分浸泡結(jié)束其水化反應(yīng)，再將試樣烘干進(jìn)行SEM掃描電鏡分析。

3 宏觀試驗結(jié)果及分析

參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）進(jìn)行水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層材料的抗凍性試驗、干縮試驗、溫縮試驗，殘留強度比、質(zhì)量變化、干縮量、累計干縮應(yīng)變、失水率、干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)等各項指標(biāo)的試驗結(jié)果均依據(jù)該規(guī)范進(jìn)行計算[15]。

3.1 抗凍性能

無機結(jié)合料穩(wěn)定材料基層的抗凍性以凍融循環(huán)后殘留強度比（抗壓強度損失）BDR、質(zhì)量變化率Wn 進(jìn)行評價，BDR 計算如式（1）所示，Wn 計算如式（2）所示。

半剛性材料抗凍性指標(biāo)BDR：

試件經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，對試件外觀進(jìn)行檢查，記錄是否有破損的情況，然后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，測定試件強度RDC。

所得凍融循環(huán)后殘留強度比及質(zhì)量變化率見圖2。

由圖2可知：1）當(dāng)磚塊含量從0增加至30%，5次凍融循環(huán)后殘留強度比降低6.78%。當(dāng)建筑垃圾中磚塊含量從10%增加到20%，以及從20%增加到30%時，凍融循環(huán)后殘留強度比分別降低了3.20%，2.25%。2）隨著建筑垃圾中磚塊含量的增加，5 次凍融循環(huán)后，質(zhì)量變化率逐漸增大，約為0.47%。磚塊含量由0增加到10%時，質(zhì)量變化率增加了0.09%，由10%增加至20%時質(zhì)量變化率增加了0.18%，由20%增加至30%時質(zhì)量變化率增加了0.20%。

另外，經(jīng)過凍融試驗的試件外表存在破損情況，破損的集料主要是磚塊，其他的建筑垃圾破損較少，天然碎石基本完整。磚塊含量越多，破損越嚴(yán)重。不含磚塊時，破損主要方式是試件表面集料整塊掉落;建筑垃圾中含有磚塊時，破損有2種方式：試件表面集料整塊掉落以及試件表面的磚塊破碎。

建筑垃圾中磚塊含量增加，水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層材料的抗凍性能減弱。由于磚塊吸水率>其他建筑垃圾吸水率>天然碎石吸水率，隨著建筑垃圾中磚塊含量的增加，吸水率也就越大，集料中蘊含的自由水越多。水泥穩(wěn)定碎石基層的凍融損傷主要由孔隙水發(fā)生凍脹造成集料破損，強度降低。建筑垃圾經(jīng)過吸水、冰凍后，試件發(fā)生劣化。所以經(jīng)過相同的凍融循環(huán)次數(shù)后，磚塊的含量越大，抗壓強度就越低。

由圖3可知，試件在進(jìn)行干縮試驗的前7天的失水率、干縮應(yīng)變、干縮量變化最大，之后的變化幅度逐漸減小，趨于平緩。隨著磚塊含量的增加，失水率、干縮應(yīng)變、干縮量都相應(yīng)增加。與磚塊含量為0時相比，磚塊含量為30%時試件的失水率增加了1.39%，干縮應(yīng)變增加了100×10^-6，干縮量增加了0.024 mm。磚塊含量的增加會使混合料的抗干縮性能降低，增加干縮裂縫的數(shù)量，降低后期路面的使用性能。

含建筑垃圾的混合料的干縮變化主要發(fā)生前7天，在觀測的第7天時，干縮失水率、干縮量已達(dá)到總變化量的70%，干縮應(yīng)變已達(dá)到總應(yīng)變的76%;在觀測的第7天至第23天，失水率、干縮應(yīng)變和干縮量增長速度逐漸放緩，增長速度明顯小于前7天;在觀測期第23天以后，失水率、干縮應(yīng)變和干縮量基本不再增長。隨著建筑垃圾中磚塊含量升高，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的干縮應(yīng)變、干縮量、失水率增大。干縮系數(shù)在前期與后期差別不大，在第10天至第15天時磚塊含量越高干縮系數(shù)越大。因此，為減小基層干縮性能的影響，需要注意在路面基層鋪筑完成后及時采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施。

水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層干縮性能較差，主要是因為混合料中摻加了建筑垃圾，由于建筑垃圾孔隙率較大的特性，混合料內(nèi)部的孔隙率相比于天然碎石的混合料大，吸水率高，導(dǎo)致混合料失水率大，可收縮變形的空間也越大。磚塊相比于其他建筑垃圾吸水率大，隨著建筑垃圾中磚塊含量的增加，混合料的含水量增加，失水率增加、干縮量增大，進(jìn)而導(dǎo)致其干縮應(yīng)變增大。

3.3 溫縮性能

基層材料的溫縮性能主要以溫縮系數(shù)αt 來衡量，計算公式如式（8）所示。

由圖4、圖5可知，隨磚塊含量的增加，溫縮系數(shù)、溫縮應(yīng)變均是先減小后增大。由圖6可知，與磚塊含量為0時相比，磚塊含量30%時的累計溫縮應(yīng)變增大了16.9%，平均溫縮系數(shù)增大了16.6%;溫度降到0 ℃以下，自由水結(jié)冰膨脹抵消了部分收縮變形，表現(xiàn)為10 ℃→0 ℃溫縮系數(shù)達(dá)到最小值。

由于磚塊的孔隙率大，當(dāng)建筑廢料總量一定時，隨著磚塊含量的增加，混合料內(nèi)部的孔隙率增加，供收縮變形的空間增加。因此，導(dǎo)致累計溫縮應(yīng)變和平均溫縮系數(shù)均隨著磚塊含量的增加而變大。

4 微觀試驗分析

SEM 掃描電鏡可以對水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的界面過渡區(qū)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，并將微觀結(jié)構(gòu)與宏觀分析相結(jié)合，定性分析水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層耐久性劣化機理。分別取凍融試驗前后不同磚塊含量的界面試樣，放大500倍作SEM 掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖7所示。取干縮試驗后不同磚塊含量的界面試樣，放大2 000倍進(jìn)行SEM 掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖8所示。

由圖7可知，未經(jīng)凍融循環(huán)時不同磚塊含量的水穩(wěn)建筑垃圾界面的密實度不同，當(dāng)磚塊含量為30%時較磚塊含量為0時表面結(jié)構(gòu)松散，并有不規(guī)則的孔洞，造成試件的孔隙率增大，這是由于磚塊含量的增加使混合料的吸水性增加，集料中含有的自由水較多，使水泥顆粒分散，導(dǎo)致有不規(guī)則的孔洞產(chǎn)生。當(dāng)凍融循環(huán)時孔隙中的水發(fā)生凍脹，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，集料產(chǎn)生更大的膨脹，產(chǎn)生裂紋，強度降低。隨著磚塊含量的增加，試件中濕擴散率以及試件內(nèi)部的潮濕密度也隨著孔隙率增加而相應(yīng)增大[16]，試件中有更多的自由水參與凍融循環(huán)過程，加劇水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的凍融破壞。從圖7中可以看出，凍融循環(huán)后的試件界面變得更加松散，并有微裂紋產(chǎn)生，界面的穩(wěn)定密實是水穩(wěn)建筑廢料基層穩(wěn)定的基礎(chǔ)，界面穩(wěn)定主要靠化學(xué)作用、機械作用、分子間作用力（范德華力），集料與水泥漿的黏結(jié)主要靠分子間作用力[16]，此時在宏觀上會發(fā)生試件表面的集料整塊掉落。

由圖8觀察可得，經(jīng)2 000倍電鏡掃描，界面中布滿了絮狀的水化產(chǎn)物水化硅酸鈣（C—S—H）以及少量的針狀的鈣礬石，C—S—H 是水化產(chǎn)物的主要生成物，占水化產(chǎn)物的70%。由圖8可知，當(dāng)磚塊含量增加時，由于集料中的水分增加，水化反應(yīng)更徹底，但由于水分過多導(dǎo)致水泥顆粒分散水化產(chǎn)物由致密變得疏松，此時經(jīng)水化反應(yīng)后剩余的水在干縮試驗過程中會以自由水的形式揮發(fā)，在宏觀干縮試驗時體現(xiàn)為失水率高，由于水分揮發(fā)后試件內(nèi)可收縮變形的空間增大，從而導(dǎo)致試件的干縮量大、累計干縮應(yīng)變大。

5 結(jié)語

本文通過抗凍性試驗、干縮試驗、溫縮試驗，以及SEM 掃描電鏡分析，研究了建筑垃圾中不同磚塊含量對水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層耐久性能的影響，得出以下結(jié)論。

1）當(dāng)建筑垃圾中磚塊含量從0增加至30%，5次凍融循環(huán)后殘留強度比降低6.78%，質(zhì)量變化率增加0.47%。

2）隨著磚塊含量的增加，失水率、干縮應(yīng)變、干縮量都呈現(xiàn)增加趨勢，而溫縮系數(shù)、溫縮應(yīng)變則均是先減小后增大。

3）隨著磚塊含量的增加，相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)孔隙率增大，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，界面與集料間范德華力減小使水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的耐久性劣化。

4）考慮到建筑垃圾磚塊含量的離散性，以及對不同來源建筑垃圾磚塊含量的普適性， 本文研究結(jié)果可以為磚塊含量0～30%的建筑垃圾再生水泥穩(wěn)定基層提供理論支持。

在今后的研究工作中，還需要進(jìn)一步考察疲勞性能、抗沖刷性能等性能參數(shù)與不同磚塊含量的關(guān)系，以更加全面地了解水泥穩(wěn)定建筑廢料基層的耐久性能。