旧水泥混凝土再生集料作水稳基层路用性能改善研究

吴志刚，刘晓姗，汪怡然，丛铖东

（北京工业大学交通研究中心，北京 100124）

0 引言

旧水泥混凝土的回收利用是发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型社会的要求。研究一致认为，再生骨料表面由于包裹着部分硬化水泥砂浆，许多性能与天然骨料存在一定的差异，其差异主要表现在表观密度、堆积密度、孔隙率、吸水率、洛杉矶磨耗值和压碎值指标等方面[1]。有必要对我国的再生混凝土的性能进行分析，并有针对性的进行相关性能改善的研究。

1 再生集料研究方案及其基本性能

1.1 再生集料分级及改善方案

本次研究将工程生产得到集料过筛，重新进行筛分（分别通过26.5mm、19mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.6mm的筛子）。然后将得到的7档料（0.6mm以下的都归为底料）分为1#、2#、3#、4#料。每号料的具体级配范围如下：1#粒径范围为26.5～19mm；2#粒径范围为9.5～4.75mm；3#粒径范围为2.36～0.6mm；4#粒径范围为0.6mm以下。

废弃混凝土中旧砂浆的存在是影响再生集料工程使用性能的一个十分关键的因素。其中最明显的就是吸水率问题，本论文参阅大量文献结合工程经验提出以下几点改善方案：

a）通过球磨改善再生集料的品质，去除其表面覆盖的旧水泥砂浆；

b）使用再生集料（普通和球磨改善）替换混合料中相应级配的天然集料，研究其改善性能；

c）针对结合料最佳含水量受旧砂浆中结晶水含量影响问题[3]，在击实试验前将所有再生集料（普通和球磨改善）进行预烘干。

1.2 再生集料（普通和球磨改善）基本性能研究

废弃混凝土经过破碎、除杂，按不同粒径可筛分出再生粗骨料和再生细骨料，粒径大于4.75mm（方孔筛）的颗粒为再生粗集料，再生细集料的粒径尺寸范围为0.15～4.75mm（方孔筛）。再生粗集料一般棱角较多，且表面较粗糙、空隙较多；再生细骨料主要包括砂浆体破碎后形成的表面附着水泥浆的砂粒、表面无水泥浆的砂粒、水泥石颗粒及少量破碎石块。

根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）相关要求进行试验，再生混凝土（普通和球磨改善）的具体性能指标见表1。

表1 基层用集料技术指标

从表1可以得到以下结论：

a）球磨再生集料比普通再生集料的表观密度有所增大，而吸水率却发生下降；

b）再生集料（普通和球磨改善）的针片状含量都符合规范要求，球磨再生集料针片状含量有所降低；

c）球磨再生集料的磨耗率明显比普通再生集料低；

d）球磨再生集料的压碎值比普通再生集料低。

综合以上研究结果，可以说明再生集料经过球磨改善后性能有了比较全面的提升。

2 水稳再生集料的抗压强度试验

水泥稳定集料采用以下五种对比试验方案：

a）方案一为全普通再生集料；

b）方案二为全天然集料；

c）方案三为全球磨再生集料；

d）方案四为1#天然料+2#普通再生料+3#普通再生料+4#普通再生料；

e）方案五为1#球磨再生料+2#球磨再生料+3#球磨再生料+4#天然料。

本次研究的结合料按照规范的中值级配进行配制，各档料的具体用量见表2。

表2 级配设计

2.1 击实试验

进行击实试验的目的是绘制稳定材料的含水量—干密度关系曲线，以此确定其最佳含水量和最大干密度，为后续的无侧限抗压强度试验等提供理论依旧和数据支持。根据设计的集料级配曲线，水泥剂量按3.6%、4.2%添加，每个方案每种水泥剂量做五个平行试验。击实试验后绘制干密度和含水量的曲线图，从而得到最佳含水量和干密度。在研究过程中，将所有再生料进行预烘干，在105℃的烘箱内，烘一夜的时间再进行试验，以此减少旧砂浆中结晶水的影响。

各种不同方案的击实试验结果归总如下表。

表3 各种方案的击实试验结果

由表3可得到以下几个结论：

a）各种集料掺配方案的最佳含水量都比天然料大，基本都在5.5%以上；

b）方案三（全球磨再生）的最佳含水量和方案一（全普通再生）的差别并不是很大，而方案五（使用天然细集料替换再生细料）最佳含水量相对方案一和方案三降幅很大，这说明，再生料需水量异常的主要原因在于细集料。

2.2 无侧限抗压强度试验

2.2.1 无侧限抗压强度试验方案

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ 057—94）的要求，制150mm×150mm的圆柱体试件，试件所需干土重约5700～6000g[4]。试件采用压实成型，成型后放入恒温养护室养护6d，第7d浸水养护。最后测其抗压强度，使之与规范要求强度进行对比。《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[5]要求的7d无侧限抗压强度见表4。

表4 规范要求的7d无侧限抗压强度

2.2.2 无侧限抗压强度试验结果

表5 各种集料的7d强度试验结果

图1 五种不同水泥剂量的7d抗压强度

由表5和图1的试验结果分析可知：

a）水泥剂量是影响结合料强度的一个关键因素，短期来看，4.2%水泥剂量的结合料普遍高于3.6%水泥剂量的短期强度；

b）天然集料和普通再生集料的7d抗压强度差别不是很大，基本符合轻交通路段的强度要求，方案三、四、五的强度明显增大，达到重、中交通等级的要求，这充分说明，试验中的改善方案达到既定效果；

c）方案五的7d抗压强度最大，说明了球磨再生集料作水稳基层的路用性能显著改善，在旧水泥混凝土回收利用中应重点考虑回收利用粗集料并且进行机械化处理再投入使用。

3 水泥稳定再生集料的干燥收缩研究

反射裂缝是半刚性基层最容易出现的病害。基层由于干缩开裂向路面层反射，从而导致路面结构发生破坏。所以收缩率是评价结合料耐久性的一个重要指标。

3.1 干缩试验设计

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ 057—94）的要求，本次试验进行前四个方案的试验对比。采用压实成型的方法制作4组10cm×10cm×40cm的中梁试件，每个方案的每种水泥剂量做两个试件，其中一个试件测干缩变形，一个测失水量。试件成型好后，放入标准养护室养护7d取出，放在试验专用架子上，通过千分表读取不同时间试件的干缩量，在读取干缩量的同时测定另一个试件在相同自然环境下的平均水分蒸发损失量，以此作为干缩试件的平均水分蒸发损失。测定过程中直至试件含水量不再减少，千分表的度数不变化为止。

3.2 干缩试验数据分析

混合料的干缩性能与水密切相关，评价半刚性材料干缩性能不仅要注意其干缩应变，而且要考察其干缩应变和平均干缩系数随含水量的变化情况如图2、图3所示。

图2 四种方案干缩应变随时间发展变化的关系

图3 四种方案干缩应变和失水率的关系曲线

图2、图3分别考察了时间和失水率对干缩应变和平均干缩系数的影响。具体分析如下：

a）时间对干缩的影响 从图2、图3可以看出，四种方案的干缩应变随时间都是增大的，直到最大失水率时逐渐平缓；普通再生集料与天然集料的干缩性能差别不是很大，方案四的收缩最小，这充分说明了替换部分再生料方案的可行性，验证了实际达到的改善效果；

b）失水率对干缩的影响 从图3可以看出，随着失水率的增大，干缩应变逐渐增大，直至达到各自最大失水率。

从干缩试验结果可知，就最大平均干缩系数指标来看，本实验中普通再生集料的干缩应变略大于天然集料，但两者并无明显的区别。而本试验中的球磨处理过的再生集料干缩比较异常，推断可知，是球磨细集料中旧砂浆含量增多引起，所以球磨细集料应该考虑用天然集料替换。综上可以认为，再生集料经过一些改善措施完全可以满足公路半刚性稳定集料基层的干燥收缩性能的要求（如表6所示）。

表6 四种方案干缩试验结果总结

4 结论

根据以上分析，得出如下结论：

a）旧水泥混凝土再生集料性能与天然集料性能相比有所降低，其中再生集料吸水率与天然集料差异比较大，但整体仍符合工程用指标，应该回收利用；

b）对再生集料回收应重点利用粗集料，并进行相应机械化处理，研究表明球磨改善再生集料的路用性能有显著改善；

c）适当使用天然集料替换再生集料中弱势的级配可以达到更优的路用性能。

[1]付佳丽.废旧水泥混凝土路面再生利用技术的试验研究[D].合肥：合肥工业大学，2007.

[2]张超，徐桂萍.废弃水泥混凝土再生集料需水量问题分析[J].公路，2004，（12）：182-185.

[3]JTJ 058—2000，公路工程集料试验规程[S].

[4]JTG E51—2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].