建筑废弃物再生水泥稳定基层的配合比设计与力学性能

李玉梅，栗威，王自浩

（1．河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450000；2．河南省道路材料与结构工程技术研究中心，河南 郑州 450000；3．河南交院工程技术有限公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

近年来，中国城市化进程加快，大规模旧城改造积极推进，大量废旧建筑物被拆除。据统计，由于每年工程建设、拆除旧建筑物所形成的建筑垃圾有1．6亿～2．4亿t，且随着社会进一步发展，形势将更加严峻，如何处置建筑废弃物已成为中国各大城市面临的难题之一。

国内外对建筑废弃物的再生利用均开展了一定的研究，如在建筑工程领域中应用的再生骨料混凝土、再生砂浆等，而在道路工程领域的应用也是主要的研究方向之一。武汉理工大学针对内遂高速公路建设开展了水泥稳定基层相关研究，铺筑了试验段。谭洪河等研究分析了重型击实试验与旋转压实成型方法的相关试验参数，提出采用旋转压实成型方法能够降低再生混合料的干缩变形，并提出了相应的级配设计参数［1］。胡力群等开展了废弃黏土砖再生集料基层性能研究，分析了废弃再生材料对混合料各项性能的影响，提出了废弃物再生材料的掺加控制比例［2］。高启聚、杨俊及肖杰等人均开展了废弃砖块、混凝土等材料在道路基层中的应用研究，分析了再生材料在道路基层中应用的可行性［3－5］。

综上可知，在道路工程领域，采用建筑废弃物代替适量的天然砂石材料能够有效改善“垃圾围城”现象，节约土地资源，保护环境。但目前针对这方面的研究处于初级阶段，研究成果较为单一，缺乏对建筑废弃物原材料性能与道路基层路用性能方面的系统研究。本文在相关研究成果的基础上开展室内试验，分析建筑废弃物再生骨料的基本性能，研究再生骨料粒径、掺量等因素对混合料力学强度的影响，为建筑废弃物再生骨料在道路基层中的应用提供技术支撑。

1 原材料与试验方案

1．1 原材料选择

水泥采用卫辉市春江水泥公司生产的P·O42．5水泥，主要性能指标见表1，新料采用偃师府店镇大锤石料厂生产的石灰岩，集料粒径范围包括20～30mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm，基本性能指标见表2、3；建筑废弃物再生骨料由河南盛天环保再生资源利用有限公司生产提供，通过采用反击式破碎工艺对建筑废弃物进行加工，采用10～20mm、5～10mm集料进行相关试验，主要物理性能指标见表4、5。

表1 水泥性能指标试验结果

表2 粗集料基本性能指标试验结果

表3 细集料基本性能指标试验结果

表4 再生骨料的基本性能指标试验结果

表5 新料与再生料混合后压碎值试验结果

根据表1～5可知：再生骨料的吸水率远高于天然骨料，这是由于再生骨料主要包含砖块、砂浆颗粒及混凝土颗粒等，其中砖块和砂浆颗粒的内部空隙较大，具有较高的吸水性能，且材料的强度稍低；新料与再生骨料混合后的压碎值、粗／细集料的基本性能指标均满足水泥稳定级配碎石（底）基层的技术指标要求（高速公路和一级公路底基层压碎值的上限30%）［6－8］。

1．2 试验方案

为研究建筑废弃物再生骨料用量、水泥用量等参数对水泥稳定级配碎石混合料性能的影响，结合相关文献研究成果提出了以下试验方案（为更精准地评价影响因素变化对混合料性能的影响，降低混合料级配在试验过程中的变异性，本研究采用单一粒径进行配合比设计）。

（1）建筑废弃物再生集料掺量分析。通过改变再生骨料掺量分析其对混合料力学强度的影响，提出合适的用量范围。研究采用10～20mm集料，掺量分别为28%、35%和46%。

（2）建筑废弃物再生集料类型优化选择。分析5～10mm、10～20mm两档集料掺量相同（28%）、养护条件相同时混合料的力学强度。

（3）为降低水泥稳定碎石基层的干缩裂缝，目前基层、底基层的水泥用量一般控制在3%～4%范围。本文设计水泥用量分别为3%、3．5%和4．0%，采用传统成型方法（重型击实试验）确定材料的最佳含水量与最大干密度指标，并进行7d无侧限抗压强度试验。

2 水泥稳定级配碎石的配合比设计

建筑废弃物再生水泥稳定碎石材料级配采用《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20—2015）中水泥稳定材料的推荐级配范围（C－A－1），经过筛分和配比，确定5种不同类型水泥稳定碎石材料的合成级配，见表6。

表6 5种不同类型水稳碎石合成级配结果

依据《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20—2015）中重型击实法成型试件确定不同级配类型、不同水泥含量水泥稳定碎石材料的最佳含水量及最大干密度，试验结果见表7、图1～5（文中仅给出水泥用量为4%时的最佳含水量、最大干密度的试验结果）。

由图1～5可知以下几点。

表7 最大干密度与最佳含水量结果

图1 级配1＃击实试验结果

图2 级配2＃击实试验结果

图3 级配3＃击实试验结果

（1）再生水泥稳定混合料的最大干密度低于天然骨料水稳混合料的密度，最佳含水量远高于天然骨料混合料含水量，这与原材料的密度、吸水率有关，再生骨料的密度低于天然骨料，而吸水率较高。以5～10mm再生骨料为例，与天然骨料相比，再生水泥稳定混合料的最大干密度降低了8．7%，最佳含水量提高了30．3%。

图4 级配4＃击实试验结果

图5 级配5＃击实试验结果

（2）再生骨料类型、掺量对水泥稳定混合料的密度、含水量均有一定的影响，随着再生骨料掺量的增加，混合料最大干密度降低，最佳含水量增加。以10～20mm再生骨料为例，掺量为46%时，混合料最大干密度降低了13．4%，最佳含水量提高了119．9%（掺量28%），说明再生砖块、砂浆及混凝土材料的掺入对混合料的最大干密度和最佳含水量影响较大，实体工程中应严格控制各项技术参数，降低因混合料含水量增加而产生裂缝的风险。

3 水泥稳定基层的力学强度

3．1 水泥用量的影响

表8描述了95%保证率下不同水泥用量（3．0%、3．5%、4．0%）再生水泥稳定混合料的7d无侧限抗压强度试验结果。由表8可知以下几点。

（1）水泥用量变化对7d无侧限抗压强度产生显著影响，随水泥掺量的增加，无侧限抗压强度值显著提高，且其变异性呈下降趋势。这说明水泥胶浆的增加提高了集料间的黏结作用，进而使强度值增大。以3＃级配为例，水泥用量在3．5%和4．0%时，无侧限抗压强度代表值分别提高了66．7%和85．7%，变异系数降低了42．1%和39．9%。

表8 不同水泥用量下无侧限抗压强度试验结果

（2）水泥用量对混合料无侧限抗压强度的改善程度与再生骨料掺量存在一定关联，掺加再生骨料的试件强度有所减小，且随掺量的增加而加剧劣化。再生骨料用量超过一定值时，只单独提高水泥用量并不能改善混合料的力学强度。对于4＃级配，水泥用量为4．0%时，强度代表值仅为2．7MPa，满足二级及二级以下公路的重交通（2．0～4．0MPa）和中、轻交通（1．0～3．0MPa）底基层要求，而在高速公路和一级公路中不能采用。因此，对于再生骨料水泥稳定基层，可通过稍微增加水泥用量弥补再生骨料原材料强度低的缺陷，但并不能单独依靠增加水泥用量解决上述问题，需要结合再生骨料掺量、成型方法及碾压施工工艺等技术参数综合改善其力学性能［9－12］。

3．2 再生骨料掺量的影响

图6、7显示了再生骨料掺量对无侧限抗压强度的影响。分析图6、7可知以下几点。

（1）再生骨料用量显著影响混合料的力学强度，随再生骨料掺量的增加，混合料强度值下降。再生骨料用量在28%、35%和46%时的无侧限抗压强度代表值分别为2．4、2．1、1．6MPa（水泥用量为3%）和3．8、3．9、2．7MPa（水泥用量为4%）。与天然骨料混合料强度相比，其强度代表值分别降低了40．0%、47．5%、60．0%（水泥用量为3%）和40．6%、39．1%、57．8%（水泥用量为4%）。这说明水泥用量的增加能够改善再生骨料掺入对力学强度的劣化，这与上述分析结果一致。

图6 水泥掺量变化对强度代表值的影响

（2）再生水泥稳定混合料的强度弱化，主要与再生骨料的强度、纹理结构等相关；同时，试件成型过程中再生骨料的破碎率及内部结构的损伤也高于天然骨料，从而对力学性能产生不利影响［13］。因此，导致混合料无侧限抗压强度代表值显著下降的根本原因在于废弃砖块、砂浆及混凝土块的强度低于天然骨料。

（3）再生骨料替换天然骨料增加了混合料试验结果的离散性，且随掺量的增加，其变异系数也显著提高，而水泥用量的增加能够改善试验结果的离散性。再生骨料掺量为46%时，变异系数提高了102．4%（与天然骨料相比）。这主要是因为：再生骨料含有砖块、砂浆及混凝土等材料，且各自的强度并不一致，在混合料成型、拌合过程中提高了试样内部结构强度的不均匀性，导致力学性能不稳定；随再生骨料掺量的增加，其材料组成的“团聚”现象更加明显，水泥用量提高，增加了水泥浆浆体与骨料间的黏结力，而再生骨料对黏结力的贡献处于次要地位［14］。

图7 水泥掺量变化对变异系数的影响

3．3 再生骨料类型的影响

表9描述了掺加5～10mm再生骨料和10～20 mm再生骨料时7d无侧限抗压强度值分布情况。

表9 掺加不同再生集料的无侧限抗压强度试验结果

分析表9可知：采用5～10mm再生骨料（替代5～10mm天然骨料）的混合料无侧限抗压强度代表值优于采用10～20mm再生骨料，其变异系数亦有所降低。这说明再生骨料的粒径变化对混合料强度也存在一定的影响，替代较细的骨料能够稍微减弱再生骨料对力学性能的影响。以5～10mm再生骨料为例，水泥用量在3．0%、3．5%和4．0%时，无侧限抗压强度代表值分别提高了29．2%、25．8%和23．7%，变异系数降低了－4．8%、9．4%和32．8%。

《公路路面基层施工技术细则》（JTG／T F20—2015）提出水泥稳定集料在极重或特重交通、重交通、中轻交通底基层的7d无侧限抗压强度代表值分别为3．0～5．0MPa、2．5～4．5MPa和2．0～4．0 MPa（高速公路和一级公路）。水泥用量在3．0%～4．0%范围内时，采用掺入5～10mm再生骨料的混合料7d无侧限抗压强度代表值均能满足对底基层强度的最小要求。

4 结 语

（1）再生骨料的毛体积密度低于天然骨料，吸水率远高于天然骨料，再生骨料与天然骨料按一定比例混合后，其压碎值得以合理控制，满足规范要求；随再生骨料用量的增加，混合料最大干密度呈下降趋势，最佳含水量呈线性增加趋势。

（2）随水泥用量的增加，再生水泥稳定基层混合料的7d无侧限抗压强度呈增加趋势，水泥能够改善再生骨料掺入对混合料性能劣化的影响；随再生骨料掺量的增加，混合料强度值呈衰减趋势，结果离散性增加。

（3）再生骨料粒径变化对混合料的力学性能也存在显著影响，采用5～10mm再生骨料的混合料7d无侧限抗压强度值远高于采用10～20mm再生骨料，其变异系数也显著下降。水泥用量在3．0%～4．0%范围内时，采用5～10mm再生骨料的混合料7d无侧限抗压强度代表值均能满足对底基层强度的最小要求。

（4）本文根据再生骨料原材料性能对再生水泥稳定基层进行配合比设计，对再生骨料用量及类型变化的影响进行了常规性质的试验，对7d无侧限抗压强度结果进行了分析，从而完成了对建筑废弃物再生骨料在基层应用的前期摸索，但对再生骨料的强度形成机理、混合料综合路用性能及耐久性能仍在进一步深入研究中。