再生集料級配碎石力學性能研究

宋汶宏 閆吉成 孫欣

收稿日期：2023-11-10

作者簡介：宋汶宏（1990—），男，工學碩士，工程師，研究方向：道路橋梁。

摘要 為了探討再生集料作為級配碎石基層骨料的可能性，文章研究了再生混凝土集料和再生建筑垃圾集料制備級配碎石的擊實特性、加州承載比、抗壓強度和膨脹率，并與天然集料進行對比。結果表明：再生集料因其低密度和干吸水率，導致其制備的級配碎石最大干密度減小，最佳含水率增大；再生集料中具有尚未水化的水泥顆粒，浸水一段時間后承載比逐漸提升，再生混凝土級配碎石在浸水28 d后承載比超過天然集料；再生建筑垃圾中的磚粉和陶瓷粉發生的火山灰反應可以有效提升級配碎石的抗壓強度，但對膨脹率產生較大影響，限制了再生建筑垃圾級配碎石的應用。

關鍵詞 再生集料；廢棄混凝土；級配碎石；力學強度；火山灰反應

中圖分類號 U213.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0095-03

0 引言

級配碎石是道路路基的常用材料，絕大部分是由破碎的開山礦石、砂礫石或天然卵石經篩選而得到的，其具有良好的應力分散能力，可以有效地降低路基因車輛動荷載作用導致的殘余變形，提高路基的穩定性及承載能力[1-4]。但近年來道路等基礎設施建設對砂石材料的需求不斷增長，很多地方已面臨優質砂石嚴重短缺、價格畸高的問題，而且砂石材料開采破壞了生態環境、造成了環境污染，道路交通可持續綠色高質量發展與砂石材料短缺矛盾日益突出，因地制宜地選擇可代替的道路材料成為學者們關注的重大課題[5-6]。與此同時，土木工程中建筑和拆除廢物日漸增多，經過分揀破碎篩分后獲得的再生集料具有良好的顆粒形狀和力學性質，因此在道路建設中利用再生集料替代砂石材料是緩解日益突出的砂石材料供需矛盾的有效途徑[7]。鑒于此，該文對比研究了天然骨料、再生混凝土骨料和再生建筑垃圾骨料制備級配碎石力學性能的差異，明確再生集料級配碎石的可行性，具有顯著工程效益。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

該研究使用了三種類型的骨料：天然集料、再生混凝土集料和再生建筑垃圾集料。天然集料采用石灰巖碎石；再生混凝土骨料中的主要材料是廢棄混凝土破碎篩分后得到的再生集料；再生建筑垃圾骨料為未經分揀的建筑垃圾破碎得到的集料，其中包括混凝土、磚塊、瓷磚、銑刨瀝青路面等材料的混合材料。三種集料的技術特性見表1。

1.2 試驗方法

為了研究再生混凝土骨料和再生建筑垃圾骨料的短期和長期力學性能，以及評估其路用價值，進行了以下試驗測試。

1.2.1 擊實試驗

對不同壓實含水率下級配再生骨料的壓實特性進行了分析，試模為直徑152.5 mm、高129.8 mm的圓柱體，將集料拌和均勻后分五層壓實，每層60次擊實，得到的含水率—干密度曲線，曲線上最大干密度所對應的含水量百分比即為最佳含水率。

1.2.2 加州承載比（CBR）測試

CBR試驗是對剪切強度的間接測量，將三種材料制備的級配碎石樣品分別浸泡3 d、28 d、60 d或90 d，然后根據試驗規程測試其CBR值。

承載比按式（1）、（2）計算：

（1）貫入量為2.5 mm時：

（1）

式中，CBR2.5——貫入量2.5 mm時的承載比（%），計算至0.1%；p——貫入量2.5 mm時的荷載強度（kPa）。

（2）貫入量為5.0mm時：

（2）

式中，CBR5.0——貫入量5.0 mm時的承載比（%），計算至0.1%；p——貫入量5.0 mm時的荷載強度（kPa）。

（3）加速膨脹試驗。將三種材料制備的級配碎石樣品在濕度95%、溫度20 ℃的養護室中養護3 d，然后在40 ℃下浸入水中7 d，取出樣品擦干水后測試樣品的抗壓強度和膨脹率。

2 試驗結果與討論

2.1 擊實試驗結果

如圖1所示，顯示了不同集料級配碎石的干密度隨含水率的變化曲線。

根據圖1試驗結果計算三種級配碎石干密度的含水率，此時干密度對應的含水率則為此種級配碎石的最佳含水率。

如圖1、表2所示，三種級配碎石的干密度均隨著含水率的增大先增大后減小，并分別在含水率為6%、10.0%和12%處達到最大干密度。密度—含水率曲線拋物線凹凸程度表示材料干密度對含水率變化的敏感性，圖中可以看出天然集料和再生混凝土受含水率變化更敏感，分析原因可能在于再生建筑垃圾中的磚集料具有較高的吸水率，當混合料水分增大時，部分水分吸收進集料內部，因此擊實過程中混合料密度受水分影響相對較小；而天然集料和再生混凝土的吸水率較小，尤其是天然集料，密度—含水率曲線拋物線凹凸程度更明顯，說明天然集料和再生混凝土制備的級配碎石的密度受含水率影響更顯著，而已有研究結果證明干密度對級配碎石的服役性能影響顯著，密度越大級配碎石路用性能更佳，因此在施工過程中更要注重施工含水率的控制。

相對于天然集料級配碎石，兩種再生集料的最大干密度更小，而最佳含水率要更大，這與已有研究結果基本一致，再生材料的最佳壓實含水率高于天然材料。這種差異主要是由材料的密度和高吸水能力引起的，與天然集料相比，再生材料在拆除、破碎過程中會產生更多的微裂紋，同時附著在集料表面的砂漿顆粒存在較多的孔隙，再生集料整體具有更小的密度和更大的吸水率，對混合料的擊實特性存在較大的影響。尤其對于再生建筑垃圾而言，碎磚顆粒的存在極大增大了集料的整體吸水率，因而最佳含水率也更大。

2.2 CBR試驗結果

研究了三種級配碎石的CBR試驗結果，在不同的浸水條件下級配碎石的CBR測試結果如圖2～3所示。

圖2中當級配碎石剛開始浸入水中時，三種材料級配碎石的CBR值均出現不同程度的下降，其中再生建筑垃圾級配碎石的降低程度更大；與未浸水相比，天然集料、再生混凝土、再生建筑垃圾的級配碎石CBR值分別降低了5.0%、24.7%和55.0%；在未浸水和3 d浸水條件下，由天然材料制備的級配碎石表現出最高的CBR值，再生混凝土次之，再生建筑垃圾級配碎石CBR值最小。造成這種差異的可能原因在于再生建筑垃圾中的碎黏土磚的固有顆粒強度較低，導致材料的整體承載強度降低；浸水28 d之后，再生混凝土制備的級配碎石表現出最高的CBR值，天然集料次之，再生建筑垃圾最差。原因可能在于再生混凝土細集料中的活性成分在水中發生緩慢的水化反應，生成具有膠凝作用的產物對級配碎石的CBR值的提升存在積極作用。

如圖3所示，三種級配碎石的CBR值隨浸水時間的增加而提升，其中天然集料級配碎石的CBR值一直保持在較高的水平，且隨時間的推移幾乎保持不變；再生混凝土和再生建筑垃圾的CBR值隨時間有較大的增長，一直持續到浸水40 d左右；在28 d之前，再生混凝土和再生建筑垃圾級配碎石的CBR值均低于天然集料，再生混凝土級配碎石大約在浸水28 d后與天然集料達到相似的值；在90 d浸泡條件下，再生混凝土級配碎石的CBR值增加到最大值133。再生建筑垃圾級配碎石的CBR值雖然也有所增長，但仍低于天然集料。再生混凝土集料級配碎石CBR值增大的原因可能在于再生集料中殘留的未水化水泥的膠結作用，尤其是再生混凝土細集料黏附砂漿中的剩余水泥；再生建筑垃圾級配碎石承載力的增加可歸因于火山灰反應或再生混凝土骨料中所含的剩余水泥。

2.3 加速膨脹試驗

如表3所示，顯示了加速膨脹測試的試驗結果。

表3中再生建筑垃圾級配碎石顯示出最佳的抗壓強度，它比再生混凝土的抗壓強度值大兩倍，是天然集料抗壓強度的20倍。分析原因可知再生骨料抗壓強度的增加，一方面是由于兩種材料中發生的自膠結過程引起的，這種自膠結過程可能是由于殘留的未水化水泥或火山灰反應生成的凝結產物，火山灰反應主要發生在再生建筑垃圾級配碎石中，建筑垃圾中的磚粉和陶瓷細粉等顆粒材料在水的存在下，會與混凝土中的氫氧化鈣發生火山灰反應；另一方面這些材料中黏附砂漿的粗糙質地和吸收能力，這在水泥漿和回收骨料本身之間提供了更好的黏合和互鎖。盡管再生建筑垃圾的抗壓強度顯著增加，但這種材料表現出非常高的膨脹程度（4%），極大地限制了再生建筑垃圾制備級配碎石基層的可能性。綜合考慮承載力、強度和膨脹率，再生混凝土集料是一種良好的級配碎石骨料。

3 結論

該文研究了再生混凝土集料和再生建筑垃圾集料制備級配碎石的擊實特性、加州承載比、抗壓強度和膨脹率，主要結論如下：

（1）三種級配碎石的干密度均隨著含水率的增大先增大后減小，并分別在含水率為6%、10.0%和12%處達到最大干密度，再生集料因其低密度和干吸水率，導致其制備的級配碎石最大干密度減小，最佳含水率增大。

（2）當級配碎石未浸水及剛浸水時，天然材料制備的級配碎石表現出最高的CBR值，再生混凝土次之，再生建筑垃圾最小，但由于再生集料中具有尚未水化的水泥顆粒，浸水一段時間后承載比會逐漸提升，再生混凝土級配碎石在浸水28 d后承載比超過天然集料。

（3）再生建筑垃圾中的磚粉和陶瓷粉發生的火山灰反應可以有效提升級配碎石的抗壓強度，但對膨脹率產生較大影響，限制了再生建筑垃圾級配碎石的應用。

參考文獻

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