旧水泥混凝土再生集料技术评价

周 铮

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

旧水泥混凝土再生集料技术评价

周 铮

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

为解决旧水泥混凝土破碎再生为集料的应用问题，文章通过试验研究了旧水泥混凝土再生集料的物理力学性能、颗粒形状、级配等固有特性和路用性能，以及不同岩性的再生集料的差异性。研究表明，旧水泥混凝土再生集料的物理力学性能、颗粒形状和级配良好，满足骨架密实型水泥稳定碎石的物理力学性能指标要求，可应用于水泥稳定碎石，为全面开展破碎加工旧水泥混凝土再生集料应用于水泥稳定碎石提供了技术支撑。

旧水泥混凝土再生集料；水泥稳定碎石；物理性能；力学性能；技术评价

0 引言

广西的水泥资源丰富。在2005年以前的高等级公路中，以水泥混凝土路面为主。水泥路面的养护和改造，会产生废旧混凝土。据调查，100 km的高速公路，在建成通车12年内，有约2%的水泥混凝土面板更换。按24 cm厚度计算，产生约10 800 m3的废旧混凝土。同时随着水泥路面使用年限的延长，路面病害会不断发展，由此产生的废旧混凝土更多。

目前对于废旧混凝土基本是露天堆放或填埋，耗用土地、清运等经费，对环境和生态有影响。将废旧混凝土破碎加工再生成碎石集料，重新配制为级配碎石、水泥稳定碎石或水泥混凝土，合理用于新建或改建路面的结构层，可避免废料弃运，降低环境污染，节约天然集料，达到资源再利用、节能减排、环境友好、经济和社会效益明显的功效。

再生集料的物理和力学性能是再生利用的关键技术之一。为此，本文对旧混凝土破碎加工再生成碎石集料应用于水泥稳定碎石，开展其集料性能技术评价研究。

1 研究现状

在我国，旧水泥混凝土的再生利用研究和应用仅处于研究、探讨及试用的初级阶段。国内对旧混凝土再生集料的研究基本集中于生产工艺，再生集料的密度、吸水率、压碎值、含泥量等性质指标。对再生集料的岩性、差异性和全面的性能缺少总体研究。

2 旧混凝土破碎加工再生集料

考虑加工设备的简便易行、可操作性和推广性以及目前碎石加工场一般还是采用颚式破碎机的现状，为尽量与大规模的生产保持一致，室内试验采用颚式破碎机破碎旧混凝土板。对水泥混凝土路面更换出来的废弃混凝土块收集并解小至30 cm，采用普通颚式破碎机进行初破碎和二次破碎后，用4.75 mm、9.5 mm、31.5 mm的筛孔筛分，得到4.75 mm以下的再生细集料，4.75～9.5 mm的再生粗集料，9.5～31.5 mm的再生粗集料和31.5 mm以上的再生粗集料。粒径31.5 mm以上的粗集料再次加工破碎，使其满足粒径的要求。如有超出31.5 mm粒径的再进行第四次破碎。对破碎好的集料进行筛分，筛分结果与《公路沥青路面设计规范》(JTG D40-2006)中骨架密实型水泥稳定碎石的级配对比，研究再生集料的性能。

3 再生粗集料的性能评价

再生粗集料是由硬化的水泥砂浆体、表面包裹一定数量砂浆的碎石以及与砂浆完全脱离的碎石组成。再生粗集料的轮廓边界较明显，棱角多，表面较粗糙，表面积较大。结合原水泥路面施工采用的碎石场在目前保存开采应用的情况，对旧水泥混凝土板再生集料和对应的原碎石料场取样，进行物理和力学性能试验，并与原料场的指标对比分析评价。

3.1 物理性能评价

粗集料的物理性能指标主要有：视密度、吸水率、含泥量和针片状。根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)相关方法来测定。再生粗集料物理性能试验结果如表1所示。我国现行的《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)对于水泥稳定碎石集料的吸水率无标准要求。

表1 再生粗集料物理性能试验结果表

试验结果表明：

(1)整体而言，旧混凝土再生粗集料的物理性能满足水泥稳定碎石的要求。说明再生粗集料的物理性能良好。

(2)再生粗集料的吸水率比天然集料的大，且较天然集料的吸水率高达约5倍之多，这是因为再生粗集料的表面包裹着一定数量的质量较轻、比表面积大且空隙率较大、吸水率高的砂浆。这意味着在配制水泥稳定碎石时，需要较高的含水量和略高些的水泥剂量。

(3)再生粗集料的针片状比天然集料的大。这是由于在旧混凝土破碎加工时，部分碎石被再次破碎，以及存在着部分包裹有水泥石的棱角较多、表面粗糙的粗集料。针片状值最大为13%，远小于规范要求的25%，说明再生集料的颗粒形状不会对再生水泥稳定碎石的性能产生较大的不良影响。再生石灰岩的针片状颗粒含量均比再生花岗岩的大，这说明再生集料中有部分碎石存在被再次破碎的机率，且强度低些的石灰岩碎石出现了碎石被再次破碎的程度大于花岗岩碎石。

(4)再生粗集料的含泥量比天然集料的大。说明在旧混凝土挖除、解小、装卸以及破碎为再生集料时，会掺夹到一些泥土和泥块。这些泥土和泥块不仅会增加水泥稳定碎石的用水量，而且会降低其强度和水稳定性，增加其温缩和干缩率。所以，应严格控制再生集料的含泥量。

(5)石灰岩碎石的强度通常比花岗岩碎石的强度低，在破碎加工中，强度低些的石灰岩碎石出现碎石被再次破碎的程度大于花岗岩碎石，并造成包裹在石灰岩碎石的砂浆也被破碎剥离出来。于是在所获得的集料中，包裹有砂浆的石灰岩碎石比包裹有砂浆的花岗岩碎石少。为此，石灰岩再生集料的针片状颗粒含量比花岗岩再生集料的大，花岗岩再生集料的吸水率大于石灰岩再生集料的吸水率。

3.2 力学性能评价

粗集料的力学性能指标主要有：强度指标采用压碎值表示；硬度指标采用磨耗损失率表示；坚固性指标采用坚固性表示。采用《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)相关试验方法进行检测评价。再生粗集料力学性能试验结果如表2所示。

表2 再生粗集料力学性能试验结果表

试验结果表明：

(1)再生粗集料的力学性能：压碎值、磨耗损失率和坚固性均满足相关规范的技术指标要求。说明再生粗集料的力学性能是较好的。

(2)再生粗集料的压碎值比天然集料的大1倍之多。说明再生集料的棱角较多且集料中有一定量的碎石表面粘附着一定量的砂浆，以及在旧混凝土破碎加工再生集料时，部分碎石可能因被再次破碎而出现一定的裂纹，在外荷载的作用下，砂浆脱落、碎裂以及部分碎石的破碎，还会造成再生集料的压碎值较天然集料的大。

(3)由于再生粗集料中存在着一定量的砂浆，所以其磨耗损失率和坚固性均比天然集料的大；花岗岩再生集料的砂浆量比石灰岩再生集料的大，所以其磨耗损失率较天然集料的增量值(6.4%)比石灰岩再生集料的(4.1%)增大。由于天然花岗岩集料的磨耗损失率比天然石灰岩集料的小，所以总体上再生花岗岩集料的磨耗损失率比再生石灰岩集料的小，但相差不大。

3.3 颗粒形状

我国尚缺粗集料形状特征的试验方法和指标。美国(ASTM)D3398-97试验方法提出了表征粗集料轮廓形状、棱角性和表面纹理的颗粒指数Ia。为综合反映不同组合状态下的粗集料形状特性，刘振清等采用间隙率试验与计算方法表征粗集料形状特性时，考虑自然堆积状态下的粗集料间隙率来改进计算粗集料颗粒指数。结合粗集料颗粒指数Ia计算公式，提出改进表征法的粗集料颗粒指数Iap计算式为：

Iap=2.5V0-1.25V10-0.25V50-0.32

(1)

式中：V0、V10、V50分别为自然堆积、捣实10次、50次状态下的粗集料间隙率。

采用公路工程集料试验规程(JTGE42-2005)中的T0309-2005(粗集料堆积密度及空隙率试验)和刘振清等改进的粗集料颗粒指数Ia试验和计算方法，对天然集料和再生集料分别进行自然堆积、捣实10次和捣实50次状态下的堆积密度试验，计算这3种状态下粗集料的间隙率，再按式(1)计算粗集料颗粒指数Iap。具体的数据结果如表3所示。

表3 粗集料颗粒指数Iap表

数据表明：再生集料的粗集料颗粒指数Iap比天然集料的略大些，这是缘于再生集料中包裹有一定数量的砂浆或是有部分集料被再次破碎，使再生集料的表面粗糙度比天然集料的大些，同时在破碎时，部分石子因受力而沿纹理开裂，增加了新的粗糙表面和棱角效应。再生花岗岩的粗集料颗粒指数Iap比再生石灰岩的小些，这也说明了强度低些的石灰岩碎石出现了碎石被再次破碎的程度大于花岗岩碎石。再生粗集料呈现出较多的棱角和较粗糙的表面。

4 再生细集料的物理和力学性能评价

再生细集料主要包括砂浆体破碎后形成的表面附着水泥浆的砂砾、表面无水泥浆的砂砾、水泥石颗粒及破碎过程中产生的少量石屑。废旧混凝土在破碎中往往会混入一些粘土、尘屑等杂质，这些杂质妨碍水泥与再生集料的粘结，降低水泥稳定再生集料的强度，增加用水量，增大温、干缩，降低水稳定性和抗冻性能。所以必须控制细集料中有害杂质的含量。依据《公路工程集料试验规程》(JTGE42-2005)相关试验方法检测评价细集料的物理力学性能，试验结果见表4。我国对再生细集料的吸水率没有具体要求。

表4 再生细集料物理力学性能试验结果表

试验结果表明：

(1)再生细集料的视密度、含泥量和坚固性、砂当量、棱角性(流动时间)均满足相关规范的要求，说明再生细集料物理力学性能良好。

(2)再生细集料的含泥量和砂当量与规范要求的指标差别不大，说明再生细集料的粘土、尘屑等杂质还是存在着相当的数量，在生产加工时应加以注意。

(3)由于再生细集料主要包括砂浆体破碎后形成的表面附着水泥浆的砂砾、表面无水泥浆的砂砾、水泥石颗粒及破碎过程中产生的少量石屑，所以其坚固性比再生粗集料的大。

(4)再生粗集料的吸水率约为3.4%，再生细集料的吸水率约为9.0%，增大约为2倍。这是缘于再生细集料中的水泥砂浆的数量相比再生粗集料的多，且水泥砂浆、表面附着水泥浆的砂砾在再生细集料中占相当部分。再生细集料中的水泥砂浆的含量大于再生粗集料中的水泥砂浆的含量，再生细集料的比表面积和表面孔隙较大。

(5)细集料棱角性是评定细集料颗粒的表面构造和粗糙度，预测细集料对混合料的内摩擦角和抗流动变形性能的影响。再生粗集料的棱角性达到约38s，说明其颗粒的表面构造和粗糙度较好，多棱角且表面粗糙。

5 级配

分别对第二次、第三次加工破碎后的再生集料进行筛分试验，筛分结果与《公路沥青路面设计规范》(JTGD40-2006)中骨架密实型水泥稳定碎石的级配要求进行比较，以确定再生集料破碎加工的次数。具体结果详见表5。

表5 旧混凝土板再生集料级配表

图1 碎石级配曲线图

由图1及表5可得：旧混凝土板经过三次破碎加工后所得到的集料，满足《公路沥青路面设计规范》(JTGD40-2006)中骨架密实型水泥稳定碎石的级配要求，集料级配组成偏粗，处于级配范围要求的下限范围，试验结果与以上分析的结果一致：再生破碎旧混凝土板，是把砂浆从碎石中剥离出来，而得到局部有砂浆包裹的满足粒径要求的碎石和成为石屑的包裹砂粒的砂浆，级配组成偏粗，细集料较少。从图1的9.5mm以上集料的通过率曲线图差距可看出，再生花岗岩集料级配比再生石灰岩的要粗，这说明石灰岩碎石的强度通常比花岗岩碎石的强度低，在破碎加工中，强度低些的石灰岩碎石出现了碎石被再次破碎的程度大于花岗岩碎石，并造成包裹在石灰岩碎石的砂浆也被破碎剥离出来。于是在所获得的集料中，包裹有砂浆的石灰岩碎石比包裹有砂浆的花岗岩碎石少，石灰岩碎石集料的级配比花岗岩碎石集料的级配细。

以上研究表明，试验室内采用颚式破碎机经三次破碎加工旧混凝土所得的再生集料，级配方面是可满足《公路沥青路面设计规范》(JTGD40-2006)中骨架密实型水泥稳定碎石的要求。

6 结语

(1)旧混凝土板再生集料的物理力学性能、颗粒形状和级配良好，满足《公路沥青路面设计规范》(JTGD40-2006)中骨架密实型水泥稳定碎石的物理力学性能指标要求，可应用于沥青路面的水泥稳定碎石。

(2)由于再生集料的多棱角性且集料中有一定量的碎石表面粘附着一定量的砂浆，所以其压碎值、磨耗损失率、坚固性、针片状和吸水率的指标均大于天然集料的指标，但均满足规范的要求。再生集料中的砂浆量直接影响了吸水率，再生集料的吸水率较天然集料的吸水率高达约5倍之多，再生粗集料的吸水率比再生细集料的吸水率增大约为2倍。

(3)由于花岗岩碎石的强度通常比石灰岩碎石的强度高，所以花岗岩再生集料的压碎值、磨耗损失率、坚固性、针片状的指标均小于石灰岩再生集料。

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Technology Assessment of Old Cement Concrete Recycled Aggregate

ZHOU Zheng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

To solve the application problem of old cement concrete being crushed recycled into the aggregate，this article studied the physical and mechanical properties，particle shape，gradation and other inherent characteristics and road performance of old cement concrete recycled aggregates，as well as the differences of recycled aggregates with different lithology.The study showed that the old cement concrete recycled ag-gregate has excellent physical and mechanical properties，particle shape and grading，which can meet the physical and mechanical performance requirements of skeleton dense-type cement stabilized gravel，able to be used in cement stabilized gravel，thus it provides the technical support for fully applying the crushed pro-cessing of old cement concrete recycled aggregate in cement stabilized gravel.

Old cement concrete recycled aggregate；Cement stabilized gravel；Physical properties；Mechan-ical properties；Technology assessment

U418.8

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.001

1673-4874(2015)04-0001-04

2015-03-05

周 铮，高级工程师，从事道路工程勘察设计研究及管理工作。