膨胀剂对再生骨料基层力学与干缩性能的影响★

曹 慧，沈菊男

(苏州科技大学 江苏省生态道路产业化工程研究中心，江苏 苏州 215000)

1 概述

随着我国城市化的进程不断加快，基础建设的飞速发展，伴有大量的老旧建筑物以及废弃公路被拆除，产生了大量的建筑垃圾，对于这些建筑垃圾的处理成了我们面临的难题，目前的解决方法是简单的堆放或者掩埋[1-2]，但混凝土很难自然降解，这样处理不仅会造成资源的浪费，而且会严重影响生态环境。同时随着对天然骨料的需求日益增加，过度开采导致天然砂石资源短缺，建筑垃圾相比于生活垃圾具有更好的再生利用价值，因而被誉为“放错了地方的资源”[3-4]，所以对于建筑垃圾的再生利用成为了当前学者研究的热点。已有研究表明，废弃混凝土制备成再生骨料能够重新应用于工程中，并且由其制备的再生混凝土能够取代普通混凝土[5-7]。与天然碎石相比，再生骨料具有吸水率高、压碎值高、密度低等缺点，但基本能够满足相应公路基层规范的要求[8]。我国的道路工程主要采用半刚性基层，且结构厚度较大[9]，对集料需求量大，相较于面层集料，半刚性基层集料质量要求较低，是建筑垃圾再生集料的主要应用方向之一。国内外大量试验研究发现，再生骨料具有良好的路用性能，然而再生骨料存在大量的水泥砂浆和微裂缝，其物理力学性能与天然骨料存在较大差异，这将对路面基层材料的物理力学性能及干缩性能产生不利影响[10-12]。

故通过对掺入不同比例再生骨料的混合料的力学特性和干缩特性进行研究，有研究表明，加入UEA(United Expansion Agent，U型膨胀剂)能够提高混凝土的密实度，使其产生适度膨胀，克服混凝土的干燥收缩[13]。所以我们在实验中加入不同比例的膨胀剂对其进行改性，以期在满足力学性能的同时减少基层的干燥收缩，便于水泥稳定再生骨料更好的应用于基层中。

2 原材料及实验方法

2.1 天然骨料

本实验所用的天然骨料是石灰岩，取自苏州三创路面工程有限公司，其中把天然骨料分为四个粒径，分别为1号(19 mm～31.5 mm)、2号(13.2 mm～19 mm)、3号(4.75 mm～13.2 mm)与4号(0 mm～4.75 mm)，记为天然粗(19 mm～31.5 mm)、天然中(13.2 mm～19 mm)、天然次细(4.75 mm～13.2 mm)和天然细(0 mm～4.75 mm)。主要技术指标见表1。

表1 天然集料性能实验结果

2.2 再生骨料

本实验所用的再生骨料取自苏州建筑垃圾再生利用有限公司，其中把再生骨料分为三种粒径，分别为再生粗(10 mm～26 mm)、再生中(5 mm～10 mm)、再生细(0 mm～5 mm)。主要技术指标见表2。

表2 再生集料性能实验结果

2.3 水泥

此次实验选用苏州达岷建筑材料有限公司生产的天山牌P.O42.5缓凝型普通硅酸盐水泥，各项性能指标经检测如表3所示。

表3 水泥性能指标检测

2.4 膨胀剂

本实验选用的膨胀剂为莱阳市宏祥建筑外加剂厂生产的UEA型膨胀剂，主要成分硫酸铝、氧化铝、硫酸铝钾等。自应力值0.2 MPa～0.8 MPa，水中7 d限制膨胀率不小于0.025%，可抵消混凝土硬化过程中形成的收缩力，半刚性基层开裂主要是由干燥收缩和温度收缩产生。干燥收缩是指混合料因内部含水量发生变化而引起的收缩变形的现象，掺入膨胀剂的混凝土与普通混凝土相比，能够提高混凝土的密实度，使其产生适度膨胀，克服混凝土的干燥收缩，提高抗裂和抗渗性能。

3 配合比设计

根据规范JTG/T F20—2015公路路面施工技术细则[14]中水泥稳定级配碎石推荐级配，按照高速公路和一级公路基层和底基层的要求选择了C-B-3级配，在实验中选择了三种级配的混合料，水泥稳定再生骨料取代天然骨料的比例分别是45%，75%，100%。通过击实试验确定其最大干密度和最佳含水率。

3.1 合成级配

天然骨料和再生骨料的级配如表4所示。

表4 骨料级配

在水泥稳定再生骨料基层的合成级配中，级配一：掺入45%再生骨料的混凝土中各骨料的比例为再生粗∶再生中∶再生细∶天然粗∶天然中∶天然次细∶天然细=10∶15∶20∶22∶8∶8∶17。级配二：掺入75%再生骨料的混凝土中各骨料的比例为再生粗∶再生中∶再生细∶天然粗∶天然中∶天然次细∶天然细=27∶25∶23∶7∶6∶5∶7。级配三：掺入100%再生骨料的混凝土中各骨料的比例为再生粗∶再生中∶再生细=32∶30∶38。各筛孔的通过率见表5。

表5 再生骨料基层混合料合成级配

3.2 击实试验

为了确定混合料的最大干密度和最佳含水率，根据规范JTG E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程[15]要求，对表6中四个级配的混合料进行击实试验。水泥剂量分别取2.5%，3.5%，4.5%，得出的击实数据如表6所示。

表6 击实试验结果

从表6中数据可以看出，随着再生骨料的取代率增加，最佳含水率逐渐增大，最大干密度出现下降的趋势。随着水泥掺量的增加，最佳含水率和最大干密度均随之增加。这是由于相较于天然骨料，再生骨料的吸水率比较高，在拌合过程中需要吸收更多的水，且再生骨料表面附着有旧水泥砂浆，这会导致在相同水泥剂量的情况下，再生骨料掺量高的混合料水泥水化需要消耗更多的水，这都会导致最佳含水率上升，且再生骨料密度小于天然骨料，所以随着再生骨料取代率的增加，最大干密度随之下降。此外，由于水泥水化需要吸收更多的水，且水泥在拌合物中可以起到填充缝隙的作用，使混合料更加密实，从而增大其干密度。

3.3 7 d无侧限抗压强度

依照上述数据配料，根据规范JTG E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程做7 d无侧限抗压强度实验，试件尺寸为150 mm×150 mm,制件后在标准养护条件下养护6 d,然后浸水1 d后取出，进行无侧限抗压强度实验，实验结果如表7所示。

表7 7 d无侧限抗压强度实验结果

由表7中数据可知，在养护龄期和水泥剂量相同时，随之再生骨料的取代率增加，无侧限抗压强度呈现上升的趋势，这说明再生骨料中附着的旧水泥砂浆对于强度的发展而言是有利的，而且由于再生骨料相较于天然骨料吸水率比较高，可以吸收拌合过程中多余的水，降低拌合物的水灰比，达到提高混凝土强度的效果。当水泥含量不小于3.5%时，各级配混合料的无侧限抗压强度均满足规范JTG/T F20—2015公路路面施工技术细则中高级公路和一级公路对于基层和底基层的强度要求，故将水泥含量定为3.5%来进行后续的研究，一方面满足经济性的要求，另一方面随着水泥含量的减少，水泥水化产生的体积收缩也会减少，从而达到提高混凝土的干缩性能的目的。

4 对膨胀剂的基层力学性能研究

由上述研究可知，当水泥剂量为3.5%时，7 d无侧限抗压强度实验结果基本满足规范要求，但根据已有大量实验结果表明，随着再生骨料取代率的增加，干燥收缩相比于天然骨料明显增加，这是因为再生骨料的吸水率远大于天然骨料，在拌合过程中需要吸收更多的水，在混凝土干燥时会失去更多的吸附水，致使硬化混凝土的干燥收缩增加。且再生骨料表面附着有旧水泥砂浆，这会导致在相同水泥剂量的情况下，再生骨料掺量高的混合料水泥水化产生的体积收缩会更大。而有研究表明，加入UEA型膨胀剂能够提高混凝土的密实度，使其产生适度膨胀，克服混凝土的干燥收缩。但膨胀剂对于力学性能的影响并不明朗，故通过实验探究不同掺量的膨胀剂对于基层力学性能的影响。

4.1 膨胀剂对不同级配试件无侧限抗压强度的影响

实验选取五个不同比例的UEA型膨胀剂掺量制作无侧限抗压强度试件，选用外掺法，掺量分别为水泥用量的0%，2.5%，5%，7.5%，10%。养护后测量其7 d无侧限抗压强度，实验强度数据如图1所示。

由图1中数据可知，三种级配混合料的7 d无侧限抗压强度均随着膨胀剂掺量的增加出现先增大后减小的趋势，但抗压强度峰值对应的膨胀剂掺量有所不同，再生骨料取代率为45%的混合料，当膨胀剂掺量为5%时抗压强度达到最大值3.84 MPa，相较于无膨胀剂添加的混合料强度提升了8.2%。再生骨料取代率为75%的混合料，当膨胀剂掺量为5%时抗压强度达到最大值4.4 MPa，相较于无膨胀剂添加的混合料强度提升了7.3%。再生骨料取代率为100%的混合料，当膨胀剂掺量为2.5%时抗压强度达到最大值5.0 MPa，相较于无膨胀剂添加的混合料强度提升了6.3%。这是由于适量的膨胀剂加入混凝土中，遇水后形成膨胀性结晶水化物，使体积产生膨胀，起到补偿收缩，使混凝土更加密实的作用，能够提高混凝土的强度。但是过量的膨胀剂会使混凝土过度膨胀，产生膨胀性裂缝，削弱混凝土强度，甚至使混凝土开裂，所以在使用过程中要控制好膨胀剂的掺量。

4.2 劈裂抗拉强度实验

实验选取五个不同比例的膨胀剂掺量制作劈裂抗拉强度实验，选用外掺法，掺量分别为水泥用量的0%,2.5%,5%,7.5%,10%。养护后测量其劈裂抗拉强度，实验结果如图2所示。

由图2中数据可知，随着膨胀剂掺量的增加，不同级配混合料的7 d劈裂抗拉强度均出现小范围上升的趋势，说明掺入膨胀剂对于混合料劈裂强度的发展是有利的，主要是由于适量的膨胀剂遇水可产生膨胀性水化物，和水泥水化产生的水化硅酸钙凝胶能够紧密的黏结在一起，使混凝土更加密实，增强了水泥与骨料之间的摩擦力，使水泥能够更好地附着和黏结在骨料表面，宏观性能表现为混合料的劈裂抗拉强度提高。此外，对于10%膨胀剂掺量的混凝土试件，在再生骨料取代率为75%时，7 d劈裂抗拉强 度相比于45%再生骨料取代率的混合料下降34%左右，在再生骨料取代率为100%时，7 d劈裂抗拉强度相比于45%再生骨料取代率的混合料下降17%左右。可见随着再生骨料取代率的增加，劈裂抗拉强度先下降后上升，但总体呈现下降趋势。而随着膨胀剂掺量的增加，劈裂抗拉强度总体呈上升趋势。可见过量掺入再生骨料会降低混合料的劈裂强度，而膨胀剂对于劈裂抗拉强度的发展有正向作用，故在应用中应注意混合料中再生料的掺量以及适当的使用膨胀剂。

5 干燥收缩

为了研究膨胀剂掺量对不同级配混合料的干缩性能影响，对三种级配混合料掺入五种不同比例的膨胀剂进行28 d干燥收缩试验，依据规范JTG E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，实验结果如图3～图5所示。

从图3～图5可以看出，适当的掺入膨胀剂能够提高基层的干缩性能，在三种级配的情况下5%掺量的膨胀剂均能够较为有效的降低基层的干燥收缩。对于45%再生骨料取代率的混合料，降低了约15%的干缩应变，对于75%再生骨料取代率的混合料，降低了约20%的干缩应变，对于100%再生骨料取代率的混合料，降低了约23%的干缩应变。2.5%和7.5%的膨胀剂掺量对干燥收缩有一定的作用，但是总体来说没有掺5%膨胀剂减少收缩的效果明显，而10%的膨胀剂掺量则会增加基层的干燥收缩，所以在工程应用中要注意控制膨胀剂的掺量。

6 结论

通过研究膨胀剂对水泥稳定再生骨料基层力学性能的影响，可以得出以下结论：

1)三种不同再生骨料取代率的混合料抗压强度随着膨胀剂掺量的增加均出现先上升后下降的趋势，但不同再生骨料取代率的混合料抗压强度峰值对应的膨胀剂掺量有所不同，膨胀剂大于峰值掺量时会降低混合料的无侧限抗压强度，当膨胀剂掺量小于7.5%时，三种级配的混合料均能满足基层的强度要求，应用时应根据再生骨料的取代率来控制膨胀剂的掺量。

2)随着膨胀剂掺量的增加对三种级配混合料的劈裂抗拉强度均有少量提高。劈裂抗拉强度与试件的密实程度有关，除了外加剂的影响，还受到再生骨料的取代率以及最大干密度的影响，当试件的干密度更大时，由于骨料和水泥之间接触更为紧密，会增大两者之间的摩擦力，从而使劈裂强度增加，而加入膨胀剂可以使试件更加密实，也可以使试件的劈裂强度提高。

3)适量的掺入膨胀剂能够提高基层的干缩性能，当膨胀剂的掺量为5%时，对三种不同级配的混合料减少干燥收缩的效果最为明显，对再生骨料取代率为45%,75%,100%的混合料干缩应变相比于不掺膨胀剂的干缩应变分别降低了15%,20%,23%，效果较为显著。当膨胀剂掺量为5%时，针对三种不同级配的混合料，均可以在满足基层强度要求的同时，最大程度减少基层的干燥收缩应变，社会效益、环境效益、经济效益显著。