再生骨料表征与其掺量对路面基层混合料性能的影响

陈 帅，李海玉,韩江龙

(1.恩施州交通运输综合执法支队， 恩施 445000；2.中铁大桥局九公司，中山 528437)

我国的基础建设在改革开放以后取得了长足的发展，大量的建筑垃圾也随之产生。目前建筑垃圾的处理方式由以往的粗放式填埋渐渐转变为资源再利用，但我国建筑垃圾资源化利用率低于5%，而欧盟、日本等发达国家均高于90%。建筑垃圾的破碎分级可以得到再生骨料，此举解决了其随意堆放掩埋造成的环境污染问题，同时也缓解了建筑砂石的短缺情况[1]。虽然我国也开展了很多建筑垃圾资源的研究工作，其研究发展工作从目前来看，仍然有很大的进步空间。我国废弃混凝土的再利用率低，天然骨料的短缺，以及有关再生骨料的规范的空白，反向促进了废弃混凝土再生骨料的研究。

中南大学张建晖[2]通过对不同粒径的再生骨料开展XRD、pH值、抗压强度和渗透率的检测，得到结论：再生细骨料的水泥砂浆含有未水化水泥，对其自身凝胶性能起主要影响的粒径范围是小于0.15 mm和0.3～0.6 mm的颗粒组分。侯景鹏[3]等参考国内外再生骨料的生产工艺，开发出带有风力分拣功能的骨料生产技术。将粒径为0.15～5 mm的骨料通过风力分拣设备挑选出来，这为再生细骨料的应用创造了条件。何永全[4]等通过对建筑垃圾再生细骨料进行基本性能的测试分析，研究发现再生细骨料主要是废弃混凝土破碎过程中产生的棱角和水泥砂浆，内部含有大量裂缝和孔隙，且含有大量石屑、水泥砂浆和杂质等，致使再生细骨料物理性能较差。刘克非[5]等测试了不同再生粗骨料掺量、不同水泥剂量下水稳基层材料的物理力学性能和干缩性能。结果表明：再生粗骨料掺量不宜超过 50%，可将水泥剂量控制在5%以下，再生骨料水稳基层材料具有较高的失水率和干缩量。国内外研究成果表明对于再生细骨料，目前试验研究大多集中于砂浆、细骨料混凝土。再生骨料在道路基层的应用研究主要集中于再生粗骨料，将再生细骨料完全应用于 道路基层的研究比较少见。

通过围绕混泥土再生细骨料，致力于探究混凝土再生细骨料的资源再利用。研究主要通过室内试验进行:1)混凝土再生细骨料的基本性能研究包括：1)对再生细骨料进行筛分试验、吸水率试验和密度等性能试验。2)对再生粉料进行XRF荧光分析、粒度分析试验、XRD衍射分析，分析再生粉料的组成成分、粒度分布及矿物组分。3)水泥稳定混凝土再生细骨料配合比设计研究：确定再生粉料掺量和水泥剂量，并进行击实试验，总结再生粉料掺量和水泥剂量对水泥稳定再生细骨料混合料最佳含水率和最大干密度的影响。

1 材料与实验

1.1 原材料

混凝土再生细骨料来源于武汉本地的再生骨料厂，采用颚式破碎机加工。

1.2 实验方法

1)筛分试验

规范《公路路面基层施工技术细则》JTGT F20—2015规定对基层用细骨料必须用水洗法筛分。水洗法试验步骤按规范《公路工程集料试验规程》JTG E42—2005细集料筛分试验进行。按规范要求取烘干试样500 g，倒入试筒中。加水充分搅拌，将试筒中的悬浮液过1.18 mm筛和0.075 mm筛组成的套筛，重复此步骤，直到倒出的水洁净。将套筛上骨料收集加入试筒，烘干至恒重。两次烘干试样的差值即为小于0.075 mm的筛底部分。将洗去小于 0.075 mm部分的干燥骨料置于全部套筛(已无需0.075 mm筛)上，筛分到规定要求，称取各筛筛余试样质量，各号筛的筛余百分率为各筛余量除以试样总质量。进行两次平行试验。累计筛余百分率为该号筛和大于该号筛的各号筛的分计筛余百分率之和。关于细度模数的计算，对沥青路面及各种路面的基层、底基层用的天然砂，按式(1)计算。

(1)

式中，Mx为砂的细度模数;A0.15、A0.3、A0.6、A1.18、A2.36、A4.75分别为 0.15 mm、 0.3 mm、…、4.75 mm各筛上的累计筛余百分率，%。

2)吸水率试验

按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)中“细集料密度及吸水率试验 ”对混凝土再生细骨料做吸水率试验。按规范要求取再生细骨料1.5 kg，浸水24 h后，倒出多余水，不断翻拌试样，用吹风机吹至规范规定的程度。称取饱和面干质量m1，然后放入烘箱烘干至恒重m2。做两次平行试验。细骨料的吸水率按式(2)计算。

(2)

式中，ω为吸水率，%;m1为骨料的筛余量，g；m2为骨料的通过量，g。

3)再生细骨料密度试验

参照规范《建设用砂》(GB/T14684—2011)对混凝土再生细骨料做表观密度试验、堆积密度试验和空隙率试验。

表观密度：按规范要求取烘干试样300 g加入容量瓶，注入冷开水至 500 mL充分摇均，盖紧瓶盖，静置24 h。加水至500 mL刻度线，称取试样、水和容量瓶总质量m1。洗净容量瓶，加水至 500 mL刻度线，称取水和容量瓶总质量m2。做两次平行试验。混凝土再生细骨料的表观密度按式(3)计算。

(3)

式中,ρ0为细骨料的表观密度，kg/m3;m0为烘干试验质量，g；α为水温对表观密度影响的修正系数。

松散堆积密度：按规范要求取烘干试样，用料勺将试样在容量筒上方5 cm处自由落入容量筒，至容量筒溢满，上部呈椎体时停止。按规定刮平试样，称取容量筒和试样总质量。紧密堆积密度：按规范要求取烘干试样，分两次装入容量筒。在容量筒底部放一个圆钢，每次装完试样后，左右交替掂击地面25下。按规定刮平试样，称取容量筒和试样总质量。混凝土再生细骨料的松散或紧密堆积密度按式(4)计算。

(4)

式中,G2为容量筒和试样总质量，g;G1为容量筒质量，g；V为容量筒的容积，L。

4)对混凝土再生粉料进行X射线荧光分析(XRF)、XRD衍射分析以及通过激光粒度仪来测定再生粉料的粒径分布。

5)击实试验

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)进行击实试验，并绘制混合料的击实曲线。根据原材料粒径选择甲法进行击实。

稳定材料的湿密度按式(5)计算。

(5)

式中，ρw为混合料的湿密度，g/cm3；m1为击实筒与筒内混合料的总质量，g；m2为击实筒的质量，g；V为击实筒的容积，cm3。

稳定材料的干密度按式(6)计算。

(6)

式中，ρd为混合料的干密度，g/cm3；w为混合料的含水率，%。

对每个水泥剂量(5%，6%)每种混合料(0，4%，8%，12%)拌料2 kg进行击实，通过击实数据含水量和干密度将试验各点采用二次曲线方法拟合曲线，绘制含水率-干密度曲线。最佳含水率和最大干密度通过拟合曲线求得。

2 结果与讨论

2.1 筛分试验

混凝土再生细骨料的筛分结果如表2所示。

表2 混凝土再生细骨料筛分结果

混凝土再生细骨料细度模数为 3.45 在3.1～3.7范围内，属粗砂。规范《公路路面基层施工技术细则》(JTGT F20—2015)对细骨料仅规定通过 4.75 mm筛孔和 0.075 mm筛孔质量百分率分别为90%～100%和0～20%。当细骨料用于高速公路和一级公路，其中小于0.075 mm的颗粒应小于15%；而细骨料用于二级及二级以下公路，其中小于0.075 mm的颗粒含量应小于20%。由表2可以看出，此混凝土再生细骨料符合该规范对细骨料的粒径要求，其应用于道路基层成为可能。

2.2 吸水率试验

由表3可以看出,混凝土再生细骨料的饱和面干吸水率大，吸水性能好。 这是由于再生骨料中的水泥砂浆有附着在骨料表面和独立存在两种形式，再生细骨料中的水泥砂浆主要以第二种形式存在。这些物质空隙率较高，再加上废弃混凝土在加工破碎过程中的损伤导致大量微裂缝，从而导致吸水率较大。

表3 吸水率试验计算结果

2.3 再生细骨料密度试验

由表4可以看出：再生细骨料的表观密度和堆积密度均小，其空隙率较大。这是由于再生细骨料的生产过程中棱角较多，表面不规则，堆积时骨料之间形成嵌挤，占较大体积。另外，再生细骨料不仅表面附着有水泥砂浆而且含有大量独立存在的水泥砂浆块，水泥砂浆结构松散，密度低。这些均导致再生细骨料的密度偏小。

表4 再生骨料表观密度及堆积密度

2.4 X射线荧光分析及XRD衍射分析

对混凝土再生粉料进行X射线荧光分析(XRF)，混凝土再生粉料的化学成分见表5。由表5可知，再生微粉中含量较多的成分是SiO2和 CaO，占到约全部成分的70%。其中SiO2含量最高，主要是由于生产过程 中产生了大量石屑。

表5 混凝土再生微粉的化学成分 w/%

对混凝土再生微粉进行X射线衍射检测分析，混凝土再生粉料的X射线衍射(XRD)图谱如图1所示，并用相关软件进行物相分析。从图1可以看出，混凝土再生粉料的矿物成分主要为SiO2和CaCO3，可见所选用的再生粉料所含未水化水泥较少。

2.5 粒度分析试验

通过激光粒度仪测定再生粉料的粒径分布，可知级配连续性比较明显，但超细微粉料占比较少。一般颗粒粒径越小，比表面积越大，表面原子增多，这些原子活性较高。可以推测混凝土再生粉料的活性不高。

2.6 击实试验

击实试验所得最佳含水量和最大干密度见表6和表7。此处只列举水泥剂量为6%时击实试验的拟合曲线，如图2所示。

表6 5%水泥剂量下最佳含水率和最大干密度

表7 6%水泥剂量下最佳含水率和最大干密度

由表6和表7可知，随再生粉料掺量在 0、 4%、 8%、 12%变化，混合料最佳含水率变化约 3%，而最大干密度变化仅约 0.05 g/cm3。

由图2观察粉料掺量4%、8%的混合料击实拟合曲线，相关系数均大于0.9，拟合可靠性高，说明此两组配合比击实性能较稳定。

由图3可知，1) 随着再生粉料掺量的增加混合料的最佳含水率和最大干密度随之提高。由图3(a)可知，随着再生粉料掺量的增大，混合料最佳含水量快速增加，甚至增幅还有加大的趋势，这是由于再生粉料具有一定的吸水性。而由图3(b)可以看出，随着再生粉料掺量的增大，混合料的最大干密度同样也在增加，只是增幅逐渐降低，再生粉料填充了混合料之间的孔隙，使混合料变得更加密实。

2)再生粉料掺量相同时，6%水泥剂量的混合料与5%水泥剂量的混合料相比，混合料的最佳含水量增大，而最大干密度减小。这是由于加入的水泥容重较再生粉料的小，细度小，所以混合料容重减小，吸水量增大。

3 结 论

a.对混凝土再生细骨料的生产情况进行调研，从混凝土再生细骨料和再生粉料两个层面分析混凝土再生细骨料的物理性能。结果表明：从细度模数和粒径区间来看，混凝土再生细骨料属于粗砂。表现出密度小、孔隙率高、吸水率大的特点。再生粉料的成分主要为SiO2和CaCO3，粉料微级配较差。

b.混凝土再生细骨料应用于基层混合料的配合比进行设计。结果表明：再生细骨料中再生粉料掺量对其最大干密度和最佳含水率有较大影响，随再生粉料掺量在 0、4%、8%、12%变化，混合料最佳含水率变化达到约3%，最大干密度变化仅约 0.05 g/cm3。