水泥稳定再生混合集料强度的影响因素研究

周盛树，黄建瓯，黄海滨

(1.莆田学院 土木工程学院，福建 莆田 351100；2. 福建省高速公路集团有限公司，福建 福州 350000)

建筑垃圾大量产生，它们的视觉影响往往很大，因为它们占用大量的空间，而且存放这些固废的土地十分有限[1]。如果将建筑废弃物统一收集并堆放在露天场地中，可能会占用大量的土地，污染城市环境；另外，建筑废弃物如果通过地下掩埋的方式处理，掩埋则会对地下水资源、土壤和大气造成影响。近年来，随着基础设施基建项目的增多，公路铁路等道路建设对砂石材料等天然骨料的需求增加，长期的开采造成了资源的枯竭。因此，如何妥善处理和利用这些建筑废弃物，是亟需解决的问题。

与发达国家相比，我国建筑废弃物的再利用率非常低，发达国家早已着手研究建筑废弃物的循环再生利用问题，并将其作为一种新型资源。在建筑垃圾中，存在着大量可以再生利用的固体废弃物，如混凝土块、废砖、碎石、渣土、金属等。除了回填建筑物外，将废弃的混凝土块或粘土砖块，经过碾碎、清洗、筛分等处理后制成再生集料，可用于制备混凝土、道路基层材料等。水泥稳定再生集料基层属于半刚性基层，使用水泥处理的主要优点是改善道路材料的和易性，增加混合物的强度，提高耐久性以及增加荷载扩散能力[2]。

目前，使用再生集料应用于公路工程施工的研究成果较多。Behiry[3]研究了水泥稳定再生混凝土(recycled concrete aggregate，RCA)用于路面基层的效果，随着RCA含量的增加，弯拉强度明显降低，且与天然集料相比，水泥稳定RCA的抗拉强度约为前者的70%。国外有学者进行了试验路段的现场试验，Agrela等[4]研究表明水泥稳定再生混凝土表现出足够的抗压强度、冲击荷载下较低的挠度和坚固性，各项力学性能良好，有力证明了用于建造道路底基层和基层的可行性。

胡力群等[5]评价水泥稳定再生粘土砖用于路面底基层的效果，与天然碎石相比，稳定再生材料具有较低的最大干密度和较高的最佳含水量，而且随着掺量的增加，试件的无侧限抗压强度、回弹模量、劈裂强度以及抗冻性能均降低。赵连地[6]研究了水泥稳定砖混类再生骨料(CSRA)制作的半刚性基层，在济南市某段二级公路上铺筑700 m的试验路段，沥青路面结构如下：4 cmAC-13+6 cm AC-16+18 cm 5%CSRA基层+18 cm 4%CSRA底基层+20 cm级配再生骨料垫层。

全过程跟踪检测结果表明，水泥稳定材料各项性能指标满足二级及以下等级公路基层施工要求，建议大面积推广应用。李万举等[7]认为水泥稳定混凝土类再生材料的7 d无侧限抗压强度能满足高等级公路的要求，其抗冻性能、抗弯拉性能优良，具有良好的工作性能。

尽管大量研究人员考虑使用水泥、石灰、高炉渣或者沥青稳定再生建筑废料，在实践中针对再生混凝土的研究较多，但对水泥稳定其他混合再生材料的探索则相对较少。因此，本文尝试制备废旧混凝土和粘土砖的再生混合集料，以水泥作为稳定胶结料，设计不同的影响因素分析水泥稳定再生混合集料的力学性能，为今后在公路工程中的应用提供参考。

1 原材料

本文研究使用的粗集料包括天然辉绿岩碎石，用NA表示；建筑固体废料中混凝土以及粘土碎砖经颚式破碎机加工并筛分制备的混合再生集料，用RA表示。与NA相比，RA是一种粗糙、多孔和不规则的再生材料，筛分后其规格为0～5 mm、5～15 mm 和15～25 mm。针对5～25 mm规格的粗集料和0～5 mm细集料，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)试验方法检测集料相关物理性质，包括粗细集料的表观密度、吸水率，粗集料的压碎值、针片状颗粒含量等质量技术指标，其检测结果如表1所示。

表1 天然集料与再生集料的物理指标

由表1可以看出，天然碎石的平均密度大于再生集料的平均密度，这主要是因为再生混凝土表面附着密度较小的砂浆导致。然而，天然碎石的平均吸水率远远小于再生集料的吸水率，之所以呈现这样的差异，归因于砖块和砂浆的孔隙率和比表面积较大，导致吸水性更强。

值得注意的是，对于针片状颗粒含量这一指标而言，再生集料要小于天然碎石。总的来说，再生集料因其来源特性差异很大，经机械设备破碎后内部微观裂纹较多，因此表现出表观密度小、孔隙率高、吸水率大、压碎值大的特点；与天然粗集料的物理性质相比，再生集料的针片状指数和颗粒形状相对较好，而且均满足规范中二级以二级以下公路的相关要求。

本文采用42.5级普通硅酸盐水泥作为无机结合料，在对水泥材料技术指标检测时，需要保证水泥的初凝时间要求 > 180 min，终凝时间要求 > 360 min，细度要求 < 10%，28 d抗压强度需要达到32.5 MPa及以上，28 d抗折强度需要达到5.5 MPa及以上。

2 试验方法及结果分析

水泥稳定碎石的强度性能主要取决于骨料颗粒相互间的嵌挤和锁结作用，具体地说，与混合料的内摩擦角与内粘聚力有关，而且强度也受胶结材料的类型和用量、骨料的掺量、水灰比、养护龄期以及养护环境等众多因素的影响。

2.1 试验方法

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的规定，选择重型击实法进行混合料击实试验，由于集料的公称最大粒径为26.5 mm，使用的击实筒内径为152 mm，高为170 mm，锤的质量为4.5 kg，落高为45 cm，锤击层数分为3层，每层锤击资料为98次。试验时，试料预定5个不同的含水量，依次相差1%，分别测定混合料的干密度。对试验数据进行整理，以干密度为纵坐标，含水量为横坐标，绘制含水量-干密度散点图。然后，使用二次多项式方法生成拟合曲线，找出凸形曲线的峰值点所对应的含水量及干密度数值就是最佳含水量和最大干密度。各种混合料试样均至少做四组，然后取平均值作为试验结果。

无侧限抗压强度是水泥稳定碎石的主要技术指标，其大小直接决定了路面基层的承载能力。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中的规定，采用T0805-1994的方法进行混合料强度试验。室内试验试件为径高比1:1的圆柱形，其尺寸为Φ150 mm×150 mm。在最佳含水率、97%的最大干密度条件下成型试件，从试模内脱出后装进塑料袋包好放入养护室。采用的养生湿度为≥95%，温度为20 ℃±2 ℃。分别准备不同的试件，标准养护的龄期通常为7 d，在养生期的最后一天将试件取出并浸泡于20 ℃±2 ℃中，水面在试件顶上约2.5 cm。试件养生龄期结束后取出，在万能试验机上测试其无侧限抗压强度。

无侧限抗压强度的计算公式如下：

式中：Rc表示试件无侧限抗压强度，单位为MPa，保留2位小数；P表示试件破坏时的最大压力，单位为N；D表示试件的平均直径，单位为mm。

2.2 水泥剂量对水泥稳定混合料强度的影响

为了研究水泥剂量对混合料力学性能的影响，根据设计要求制备多组配合比的混合料，水泥剂量分别为4%，5%，6%和7%，各组均采用相同级配的再生集料。

参照《公路路面基层施工技术细则》(JTG F20-2015)中，水泥稳定级配碎石或砾石用于高速公路和一级公路基层、底基层推荐级配范围(C-B-1)确定再生集料的级配，如表2所示。

表2 再生集料级配

各组混合料的最大干密度和最佳含水率指标见表3，水泥剂量对混合料强度的影响如图1所示。

表3 击实试验和强度试验结果

从表3可以看出，水泥结合料的剂量对水泥稳定再生集料的击实特性产生明显的影响。当再生集料级配相同条件下，随着水泥剂量不断地增加，混合料的最佳含水率和最大干密度都将不同程度地提高。如果以水泥剂量为4%时的指标为基准，当结合料每增加1%，其最佳含水率平均增加0.6%，最大干密度平均增加1.15%；但是，这种增加的幅度逐渐减小，可以预测当结合料含量超过7%时，这种影响将趋于平缓。

图1 水泥剂量对混合料强度的影响

从图1发现，以水泥剂量为自变量，无侧限抗压强度为因变量，采用最小二乘法拟合，易知水泥稳定再生集料的强度随着水泥含量的增大而增大，这与文献[8]的结论一致。这一现象的形成机理是：再生集料的表面孔隙和微小裂隙较多，而水泥作为胶结稳定材料，通过水化反应可以很好地发挥胶结效果，不仅可以一定程度修复微观孔隙，而且可以将集料紧紧胶结在一起，提高成型以后材料的密实度。需要注意的是，虽然混合料强度随着水泥用量的增加呈现递增趋势，假如水泥用量超过必需的用量将产生负面的后果，比如影响水泥稳定混合料的抗裂性和抗冲刷性能。

2.3 再生集料掺配比例对水泥稳定混合料强度的影响

为了研究再生集料的掺配比例对水泥稳定再生集料性能的影响程度，本文设计了5组不同掺配率的级配组合：A组掺配率为0，即全部天然碎石材料，作为基本参照组；B组采用75%NA+25%RA，C组采用50%NA+50%RA，D组采用25%NA+75%RA，E组采用100%RA，各组的水泥剂量分别为5%、6%，试验结果如图2所示。

图2 再生集料比例对混合料强度的影响

易知，当水泥剂量为5%时，强度指标最高的是B组，达到5.13 MPa，而最低是的E组，强度指标为3.90 MPa；当为6%的剂量时，B组强度是所有级配组合中最高的，达到5.64 MPa，最低的仍然是E组，仅4.25 MPa。C组的指标值较接近于A组，也就是说再生集料的掺配比例为50%时，其强度指标与水泥稳定天然石料的几乎相同；D组的指标值小于A组，说明再生集料超过50%后，强度逐渐降低，100%的再生集料强度远远不如混合材料。因此，可以得到结论：在水泥剂量相同的条件下，水泥稳定混合料的强度与再生集料的掺配比例有关系，其呈现的规律为：随着再生集料含量的增大，7 d无侧限抗压强度先增大后降低。

与规范中的要求比较，当水泥稳定材料基层作为二级及二级以下公路路面基层时，极重、特重交通要求7 d无侧限抗压强度满足4.0～6.0 MPa，重交通为3.0～5.0 MPa。所以，除了再生集料为100%时不满足，其他组合均能满足。

2.4 养生时间对水泥稳定混合料强度的影响

除了水泥含量、再生集料的掺配比例，养生时间也是影响水泥稳定再生集料强度的重要因素。由前文可知，当水泥剂量为6%时，再生集料比例在25%～50%范围内，水泥稳定再生集料具有较好的强度。因此，设计准备75%NA+25%RA和50%NA+50%RA两种配比的试件，分别在7 d，14 d，21 d，28 d标准养护龄期的条件下，混合料试件的无侧限抗压强度如表4所示。

表4 不同养生龄期强度试验结果

图3 养生龄期对混合料强度的影响

由表4可以发现：在7 d的养生周期内，水泥稳定材料的平均强度值最低，28 d的养护期可使水泥稳定混合料的平均强度值增加。因此，水泥稳定再生集料的强度随着龄期增加而不同程度的提高，但二者呈现非线性的正相关关系。如果以养生龄期为自变量，以无侧限抗压强度为因变量，采用对数函数模型进行拟合得到混合料的龄期-强度关系模型，如图3所示。在0～7 d的龄期内，水泥迅速发生化学反应生成大量的硅酸钙胶凝材料，混合料的强度基本形成；在7～21 d的龄期内，强度增长的速率趋于缓慢，在21～28 d的时间内，强度增长的幅度已经很小，表明混合料的强度已经确立，可以正常发挥半刚性基层的作用。

3 结论

本文通过试验分析水泥剂量、再生集料的掺配比例以及养生时间对水泥稳定再生集料强度的影响，可以得到以下结论：

1)水泥结合料的剂量对水泥稳定再生集料的击实特性有影响，混合料的无侧限抗压强度随着水泥剂量的增加而提高。水泥用量宜控制在5%～6%，过多可能存在混合料的抗裂性变差的风险。

2)当再生集料的掺配比例为25%时，水泥稳定混合料的强度指标超过了水泥稳定天然石料；当再生集料的掺配比例为50%时，其强度指标与天然石料的几乎相同，进而可以考虑再生集料的掺配比例控制在25%～50%。

3)养生龄期对水泥稳定材料的强度有明显的影响，在养生7 d后，混合料的强度基本形成；在7～28 d的时间内，强度仍然有不同程度的增高，28 d后可以正常发挥其强度性能。因此，水泥稳定再生集料作为道路基层或底基层时，养生龄期宜至少28 d。