建筑垃圾废弃混凝土再生集料 应用于路面基层材料的可行性分析

黄朝广

摘 要：为适应节能减排和海绵城市建设的多重需求，文章将探究建筑垃圾废弃混凝土再生集料的组合设计方法、路用性能。通过试验方法，以不同掺量的建筑废弃混凝土再生集料进行透水混凝土的组合设计，成型试件放置规定龄期，测定排水、压缩强度、抗冲刷等性能。结果表明，同等级配和实验条件下，建筑垃圾废弃混凝土再生集料较天然集料的路用性能更优，随着掺量增加，其排水性能增加，但7d无侧限压缩强度、抗冲刷等性能随着再生集料掺量增加存在既定峰值，在40%掺量以下，各性能较优，所以，合理控制掺量可提升再生集料的路用可行性。

关键词：建筑垃圾;再生集料;路用性能;掺量

中图分类号：U414        文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0115-05

Feasibility analysis of Recycled Aggregate of Construction Waste Concrete Applied to Pavement Base Material

Huang Chaoguang

（Hubei Industrial Polytechnic， Shiyan 442000， China）

Abstract：In order to meet the multiple needs of energy conservation and emission reduction and sponge city construction， this paper will explore the combination design method and road performance of recycled aggregate of construction waste concrete. Through the test method， the composite design of pervious concrete is carried out with recycled aggregate of building waste concrete with different content. The age of formed test piece is specified， and the properties of drainage， mechanics， shrinkage， anti scour， etc. are measured. The results show that under the same grade and experimental conditions， recycled aggregate of construction waste concrete has better road performance than natural aggregate. With the increase of the amount of recycled aggregate， its drainage performance increases， but with the increase of the amount of recycled aggregate， the 7d unconfined compressive strength， erosion resistance and other properties have a set peak value. Under 40% of the amount of recycled aggregate， the performance is better. Therefore， reasonable control of the content can improve the road use feasibility of recycled aggregates.

Key words：construction waste; recycled aggregate; road performance; dosage

0 引言

建筑垃圾廢弃混凝土是建筑拆迁、构建、维修过程中产生的废弃物，城市化建设加速、不可抗力摧毁、供需调配失当下，使得建筑废弃混凝土的总量日渐增多，据数据统计，我国每年建筑垃圾达6亿t，其中60%以上的为混凝土，废弃混凝土占据相当大的比例。但是，以往粗放式的填埋或堆放处理方式，耗费人工、财力，占用土地资源、容易造成水土、空气等污染，而且，大规模公路建设的高耗需求下，天然集料短期内无法再生，资源短缺问题较为凸显，此种形势下，建筑废弃混凝土的再生利用、资源化，成为破解这些问题的关键。

建筑废弃混凝土通过裂解、破碎、筛分、清洗等处理工艺，可生成再生集料，部分或全部替代天然集料，用作路面基层材料，如此，不仅可以节约清运、填埋成本，而且，还能够环节高耗、高污染问题，具有经济、环保、社会等多重效益。尤其节能减排+海绵城市的双重目标驱动下，再生集料的循环再利用成为必然，为此，本文着眼于建筑垃圾废弃混凝土的路用方法及性能，针对海绵城市下高透水性，及中、轻公路中行车承重负荷下较优压缩强度的设计需求，围绕再生集料的不同掺量，在不同级配、水泥砂浆用量下探究其在透水路面基层材料中应用性能的演变规律，以便根据路用工况条件，灵活进行再生集料的组合设计，达到规范要求的路用性能。

1 材料与方法

1.1 试验原材料

试验所用的再生集料是框架结构的房屋、桥梁、水泥路面拆除过程中产生的废弃混凝土，利用破碎、筛分、磁吸分类、风选除杂等设备，通过人工分拣→破碎→风、水、磁选→筛分→各档再生集料等处理工艺，生成再生集料，采用31.5mm筛剔除超粒径集料[1]。再生集料制备过程中，因反式破碎机可选控出料粒径，减少出料的针片状含量，使其形状趋近规则圆形，故而，选用该设备进行破碎处理。同时，因海绵城市路面基层材料的透水性需求，将根据《公路工程集料试验规程JTEE42—2005》规定的试验方法[2]，检测再生集料的吸水性技术指标均达到了规程要求，如表1所示。

由表1可知，与天然集料相比，建筑垃圾废弃混凝土再生集料的密度偏小、吸水率、压碎值偏高，该差异源于再生集料表层包裹了硬化的水泥砂浆和显著的表观开口孔隙，该特性对于透水混凝土路面基层材料的空隙率、渗透性具有重要影响。

1.2 基层材料组合设计

透水混凝土路面基层材料要求兼顾透水性、力学性能，而结合上述分析可知，再生集料的吸水率高、强度低，一定程度上影响了路面透水混凝土基层材料的强度和抗裂变性，为弥补该缺陷，本文参照《公路沥青路面设计规范 JTG D50—2006》（JTG D50 规范），选用骨架密实型结构，以粗集料构建彼此嵌挤的骨架，以细集料填充骨架孔隙，以此优化压缩强度、抗冲刷性[3]。同时，参照最大密度理论的Tabol公式，以粗集料摩阻力较大、细集料含量较少为原则，进行级配设计，最大密度曲线为n次幂的通式，也即[4]：

式中，D为最大粒径，mm，P利用筛孔的集料百分数，%，d为筛孔孔径，mm，n为试验指数，此处n取值0.3～0.6，同时，结合美国AASHTO推荐的水泥稳定碎石排水基层No.56、No.57级配，使用31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm分别筛选，分为8档料、4级配备用，如表2所示。

在相同级配下，采用体积法进行配合比设计，以0%、25%、50%、75%、100%等不同掺量的再生集料，规范推荐的天然集料水灰比应在0.25～0.35之间，过稠无法充分包裹集料，过稀则会出现漏浆问题，故而，选定在0.3～0.80范围内，并通过试拌试验得出水灰比及水泥用量经历“水灰比偏小，水泥用量偏大→水灰比最佳，两者俱佳→水灰比偏大，水泥用量偏小”3个阶段，第2阶段下路面基层材料的强度最优，基于路用成本、施工和易性的考量，最终选用水灰比 0.55、水泥用量 214.0kg/m3作为最佳配合比成型试件，进行路用性能测试。

1.3 性能测试

透水混凝土路面基层材料对于排水性和力学强度均有要求，结合实践，排水性由空隙率、渗透系数决定，力学强度则是7d浸水无侧限压缩强度，可以此作为再生集料路用可行性的评价指标。空隙率指标，目前国内外尚無统一定论，依工程实践，水泥稳定碎石排水基层的最小孔隙率为15%～25%，而RG理论指出级配混合料临界孔隙率为17.33%，小于该值，则透水率显著降低，且《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T135-2009）规定面层透水混凝土的有效孔隙率应在10%以上[5]，路面基层更应大于该指标，试验将有效孔隙率设定在15%～30%。《公路排水设计规范》（JTG/T）、《透水水泥混凝土路面技术规程》中（CJJ/T135-2009）中分别规定基层渗透系数应大于0.35cm/s、0.05cm/s[6]，试验渗水系数设定在0.35cm/s以上。同时，依据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF20-2015）规定，以7d龄期无侧限压缩强度作为力学测定指标，且因透水混凝土多用于中、轻交通，指标值应在3MPa以上。性能测试指标如表3所示。

全孔隙率是混合料总体积中全部孔隙率占比，而有效孔隙率是混合料总体重有效孔隙率的占比，为此，本文以此计算再生集料路用材料的空隙率，并根据《土木工程师用水泥化学与物理性质》水泥可与占其质量1/4的水成为化学上持久的结合状态，而除去该部分化学结合水外，其他自由水仅将在水泥完全水化过程中收缩、消散。全孔隙率的计算公式为[7]：

式中，no为试件的全孔隙率，%，ρs、ρt分别为试件的毛体积密度、理论密度，g/m3。其中，ρt计算公式为：

式中，ρc为水泥与集料质量比值，ρc、ρw分别为水泥密度、水密度，试验各取值3.1g/m3、1.0g/m3。

试验中，采用重量法测定再生集料路面基层材料的有效空隙率，将试件放入烤箱在60℃温度下烘干24h后称重，而后分3层浸水称，待完全浸泡后称重，以两个重量之差，依照下式计算有效空隙率[8]：

式中，m1、m2分别为试件浸水、烘干后的质量，g;V为量体积法测得的试件体积，cm3。

渗水系数试验中，为确保再生集料路面基层材料处于稳定的透水状态，选用的是常水头法，在实验前将试件浸水24h，使其处于保水状态，而后进行试验，根据下式计算试验水温T下的渗水系数[9]：

式中，Q为单位时间内水流体的体积，A为恒定的横截面积，h1～h2为水头差，L为试件长度，t为渗流时间。

抗冲刷试验中，行车荷载作用下，路面冲刷基层的细浆在水压力下容易引致唧泥、网裂、板底脱空、断裂等问题，将参照JTGE51规程中T 0860—2009 方法进行抗冲刷试验，采用不同掺量的再生集料制备透水混凝土后，养至龄期28h后，采用广西大学建材试验室的NYL-60型压力测试仪进行试验。试件冲刷质量损失根据下式计算[10]：

式中，mf、m0分别为冲刷物质量、试件质量，单位均为g。

2 结果与分析

2.1 再生集料路用排水性能分析

根据上述测试方法，可得透水路用基层材料的空隙率与再生集料掺量关系如图1所示。相同级配条件下，随着再生集料掺量的增加，不同透水路面基层材料的空隙率、渗水系数均在增加，这是因为再生集料表面附带水泥沙，在破碎过程中，冲击作用使其表层产生裂缝，且与天然集料相比，其密度更低、吸水率较大。在水泥浆用量不变的条件下，试件的理论密度与毛体积密度均为确定值，全孔隙率亦可确定，有限水泥浆用量下，其包裹、填充集料间的空隙既定，随着再生集料掺量的增加，即便水灰比增大，再生集料路面基层材料和易性再好，水泥浆体“漏浆”堵塞的试件空隙也有限，开放空隙随之增加，其连通的有效空隙率比值也将增大，继而让渗透系数也得以显著增长。而为探究空隙率对渗水系数的影响性，取设计空隙率为15%、20%、25%、30%，水灰比为0.55，分别成型再生集料路面基层材料试件，进行试验，结果如图2所示，随着设计空隙率的增加，其连通的有效空隙比值增大，使得材料的渗水系数呈明显递增趋势。

2.2 再生集料路用压缩强度分析

为探究再生集料不同掺量下路面基层材料的压缩强度，在3%、4%、5%、6%水泥掺量下，进行混合料的组合设计，而后，将试件置于标准养护箱养护7d后测定其压缩强度，所得结果如图3所示。

结合图3可知，不同掺量再生集料的路面基层材料7d无侧限压缩强度，基本均能够达到3MPa的下限要求，水泥用量3%、4%、5%、6%时再生集料的7d无侧限压缩强度范围分别为2.9～4.3.0MPa、3.1～5.0MPa、4.2～4.5.8MPa、2.9～4.3.0MPa、5.2～6.5MPa，显然，3%、4%低水泥用量、5%、6%高水泥用料下，试件的压缩强度变化规律存在一定差异。低水泥用量下，水泥砂浆强度和粘结力较强，此时，再生集料掺量增加时，因其密度低，集料自身的整体强度将降低，但再生集料表面粗糙，在水泥砂浆包裹下容易形成更强的粘结力，进而提升试件的压缩强度;随着再生集料掺量的增加，虽然其与水泥砂浆的粘结力增强，但集料自身强度的大幅下降，也会降低试件的压缩强度。在高水泥用量下，水泥砂浆自身的强度和粘结力已经足够强，再生集料的掺量增加虽可提升其与水泥砂浆的粘结力，但效果并不显著，相反对集料强度下将的影响更为凸显，从整体上拉低试件的压缩强度。而从图3可知，无论水泥砂浆用量高低，再生集料掺量在50%以内时，试件的压缩强度基本均处于上升趋势，超出50%以后则呈下降趋势，为此，为确保再生集料透水混凝土路面基层材料的可用性，需合理把控再生集料的掺量。

2.3 再生集料路用抗冲刷性分析

以冲刷质量损失为测评指标，通过试验测得，再生集料透水路面基层材料的抗冲刷性如图4所示，可见，随着再生集料掺量的增加，试件的冲刷质量损失呈逐渐递增趋势，也即抗冲刷性能有下降趋势。这是因为建筑垃圾废弃混凝土再生集料以粗集料为主，其表层大而多的空隙可有效吸附一些细集料，由此，随着再生集料掺量的增加，路面基层材料的空隙率不断增大，而较大的孔隙率会吸收过多水分，造成冲刷过程中基层材料含水量的大幅增加，进而让细集料遭受更大的冲刷作用，使得基层材料的抗冲刷性显著下降。而且，再生集料不同掺量下，与0%对比，25%、50%、75%、100%时，冲刷质量损失增加了26.67%、203.33%、450%、793.33%，可见，随着再生集料掺量的增加，路面基层材料的抗冲刷性能下降趋势明显，为优化该性能，再生集料路用设计时应合理控制掺量比。

3 结语

（1）在水泥用量既定的情况下，随着建筑垃圾废弃混凝土再生集料掺量的增加，路面基层材料的全空隙率和有效空隙率均呈现逐渐递增趋势，且空隙率的增加对于渗水系数的增加具有正向影响性，实际路面工程建设中，若仅考量透水性，则再生集料掺量在100%、75%左右，此时，可最大限度发挥再生集料的路用排水性优势，节省天然集料的耗费，并降低建筑垃圾废弃混凝土的排放，以此实现节能减排的效应。

（2）不同水泥用量工况下，随着再生集料掺量的增加，路面基层材料的压缩强度因水泥用量而呈现差异化特质，总体来讲，并非掺量越多越好，在50%左右试件的压缩强度达到限值，在该值以内，再生集料与水泥砂浆的粘合力和强度，尚能够弥补再生集料掺量增加下自身强度下降的不足，但是超过50%以后，因再生集料掺量过多，自身强度下降明显，其与水泥砂浆的粘合力和强度无法予以补足，故而，试件的压缩强度将显著下降。所以，行车动态承重负荷下，为达到压缩强度要求，应合理调控再生集料的掺量，以确保路面基层材料的实用性。

（3）同等级配、相同水泥用量下，随着再生集料掺量增加，路面基层材料的抗冲刷性能有递减趋势，这是因为与天然集料相比，再生集料的密度低、吸水率高，在掺量不断增加的情况下，其空隙率及空隙的吸水含量不断增加，在冲刷过程中因行车载荷，基层材料会产生动水压力冲刷再生集料表层的细集料，由此造成唧泥，使得基层与面层脱离，破坏路面承压结构，进而引致开裂或沉陷，让基层材料的抗冲刷新显著下降。可见，因路面基层材料的应用工况条件不同，其所受冲刷作用各异，需针对具体情况，选用适宜掺量的再生集料，以达到物尽其效的目的。

参考文献

[1]孙冰，陈国梁，张宏龙，等.再生混凝土變形性能研究进展[J].混凝土，2019（09）：39-42+51.

[2]贾学涵.绿色环保型再生混凝土在道路工程的应用研究[J].粘接，2019，40（08）：43-46.

[3]李伟.绿色环保型再生混凝土在道路工程的应用研究[J].节能，2019，38（04）：33-34.

[4]顾万，肖鹏，杨宇轩，等.再生水泥稳定碎石基层材料收缩及疲劳性能试验研究[J].混凝土与水泥制品，2018（12）：95-100.

[5]张向冈，邝肖梅，牛海成，等.废橡胶改性再生混凝土材料性能研究进展[J].硅酸盐通报，2017，36（12）：4050-4059.

[6]梁勇.建筑垃圾再生混凝土在道路工程中的应用技术研究[J].城市建设理论研究（电子版），2017（10）：204-206.

[7]李文贵，龙初，罗智予，等.再生骨料混凝土破坏机理与改性研究综述[J].建筑科学与工程学报，2016，33（06）：60-72.

[8]张鸿儒，赵羽习，李智慧.再生骨料混凝土在某框架结构中的应用及长期应变监测[J].建筑结构学报，2016，37（05）：177-184.

[9]王军强.再生骨料透水混凝土的收缩和抗冻性试验研究[J].工业建筑，2016，46（02）：103-106.

[10]文华，李晓静.建筑垃圾在道路工程领域的研究现状及发展趋势[J].施工技术，2015，44（16）：81-84.