機(jī)場(chǎng)道面混凝土再生集料的性能及生產(chǎn)工藝改進(jìn)

杜 浩，杜先照

（1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430030）

0 前言

混凝土再生集料簡(jiǎn)稱再生集料，是將廢棄混凝土經(jīng)過(guò)破碎、篩分、清洗，以及按一定比例相互混合后得到的集料。第二次世界大戰(zhàn)以后，美國(guó)、前蘇聯(lián)、德國(guó)、荷蘭、日本等國(guó)相繼對(duì)廢棄混凝土的再生利用進(jìn)行了研究。我國(guó)對(duì)混凝土再生集料的研究起步相對(duì)較晚，特別是在公路行業(yè)，對(duì)水泥混凝土路面再生利用的研究與應(yīng)用，相比于建筑行業(yè)而言，不夠系統(tǒng)、深入。在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程領(lǐng)域，對(duì)水泥混凝土道面再生利用所開展的研究和工程實(shí)踐更為欠缺。楊慶國(guó)（2005）[1]、扈恩增（2006～2009）[2,3]、周海春（2007）[4]、郭恩等（2008）[5]等分別對(duì)道面混凝土再生集料的性能進(jìn)行了研究，研究的成果對(duì)路面廢舊混凝土的再生利用具有重要參考價(jià)值。

然而，以上研究均針對(duì)公路路面廢棄混凝土，對(duì)于機(jī)場(chǎng)道面廢棄混凝土再生集料的性能，國(guó)內(nèi)尚無(wú)研究。考慮到機(jī)場(chǎng)混凝土道面設(shè)計(jì)及施工的特殊性，結(jié)合上海虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)A滑行道K0-K2段大修工程，本文對(duì)大修產(chǎn)生的道面混凝土再生集料性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)，明確了再生集料的性能并對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

1 再生集料的來(lái)源

本文選取虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)A滑行道K0-K2段面層整體翻修產(chǎn)生的廢棄混凝土作為原材料，采用鎬頭機(jī)或風(fēng)鎬，對(duì)廢棄混凝土塊進(jìn)行人工初次破碎，并手工剔除鋼筋、木塊等雜質(zhì)后，將解小的混凝土塊體送入顎式破碎機(jī)進(jìn)行一次破碎的方式來(lái)生產(chǎn)道面混凝土再生集料，具體情況見表1所列。廢棄混凝土中含有30%左右的硬化水泥砂漿及70%左右的天然集料。天然集料中碎石居多，也含有極少量的卵石。

表1 再生集料的來(lái)源情況一覽表

2 再生集料的性能

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE42-2005)[6]中“T0301-2005粗集料取樣法”的要求，充分考慮再生粗細(xì)集料離析的可能性，在集料加工現(xiàn)場(chǎng)的皮帶運(yùn)輸機(jī)端部選取一組代表性試樣，總重量約1 t。首先對(duì)這組試樣進(jìn)行了室內(nèi)篩分試驗(yàn)，得出道面混凝土再生集料的級(jí)配特征，再研究了再生集料的形態(tài)特征及各項(xiàng)性能。

本文重點(diǎn)對(duì)再生粗集料的性能開展試驗(yàn)研究。而對(duì)于再生細(xì)集料，由于其主要起填充作用，僅對(duì)其個(gè)別基本性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。為了更好地體現(xiàn)和了解道面混凝土再生集料的特性，選取天然集料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，天然粗集料采用普通石灰?guī)r碎石，天然細(xì)集料則采用普通石灰?guī)r石屑和天然河砂。試驗(yàn)中均以2.36 mm作為再生粗細(xì)集料的分界。

2.1 再生集料的級(jí)配特征

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中“T0302-2005粗集料及集料混合料的篩分試驗(yàn)”的要求，對(duì)再生集料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)方孔篩，篩孔尺寸為0.075～37.5 mm。考慮到再生集料中大粒徑顆粒很多，集料在運(yùn)輸過(guò)程中，以及堆放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)時(shí)難免產(chǎn)生離析現(xiàn)象，因此對(duì)重量約1 t的取樣量都進(jìn)行了篩分，以最準(zhǔn)確地反映道面混凝土再生集料的真實(shí)級(jí)配情況。篩分試驗(yàn)結(jié)果見表2所列。

從表2可以看出，通過(guò)顎式破碎機(jī)一次破碎后的再生集料顆粒偏粗，粒徑大于37.5 mm的再生集料含量非常高，占集料總質(zhì)量的64.99%；再生細(xì)集料（顆粒粒徑小于2.36 mm）含量較少，僅有2.57%；部分再生集料的顆粒粒徑超過(guò)100 mm，最大粒徑甚至達(dá)到150 mm。

表2 再生集料的篩分試驗(yàn)結(jié)果一覽表

2.2 再生粗集料的性能

再生粗集料有三種基本形態(tài)：一是復(fù)合顆粒，即表面包裹著部分水泥砂漿的石子；二是天然集料顆粒，即與砂漿脫離的石子（表面或粘附少量砂漿）；三是水泥砂漿顆粒。其中復(fù)合顆粒約占90%，天然集料顆粒約占7%，水泥砂漿顆粒約占3%。粒徑大于31.5 mm的再生集料基本都為復(fù)合顆粒，隨著粒徑的減小，復(fù)合顆粒的含量也相應(yīng)減少。粒級(jí)為13.2～26.5 mm的再生集料中，各形態(tài)顆粒含量較穩(wěn)定，基本維持在80%左右的復(fù)合顆粒和20%左右的天然集料顆粒，水泥砂漿顆粒的含量極少。粒級(jí)為2.36～9.5 mm的再生集料中，三種形態(tài)顆粒含量較均勻，隨著粒徑的減小，水泥砂漿顆粒的含量大幅增加。

為了研究再生粗集料的性能，進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程均按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中的相關(guān)要求進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果匯總于表3。

表3 再生粗集料性能試驗(yàn)結(jié)果匯總表

2.2.1 含水率

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中“T0305-1994粗集料含水率試驗(yàn)”的要求，將通過(guò)室內(nèi)風(fēng)干的不同粒級(jí)再生粗集料和天然粗集料分別放入烘箱內(nèi)加熱烘干，烘箱溫度控制在105℃，測(cè)定不同時(shí)間的粗集料質(zhì)量變化。其結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，天然粗集料的含水率很小，約為0.25%；再生粗集料的含水率較大，達(dá)到2.4%～4.4%。不同粒徑的天然粗集料含水率均在0.2%～0.3%之間，顆粒粒徑的變化對(duì)含水率的影響很小；然而再生粗集料的粒徑大小對(duì)含水率的影響較大，粒徑越小，則含水率越大。主要因?yàn)榧现械挠不嗌皾{體中含有大量的凝膠物質(zhì)，在105℃的溫度下這些凝膠物質(zhì)會(huì)釋放部分結(jié)晶水。長(zhǎng)安大學(xué)的張超等人[7]對(duì)磨細(xì)的硬化水泥凈漿進(jìn)行熱分析試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥石在加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的吸熱現(xiàn)象，并伴隨質(zhì)量的損失。因此，再生集料的質(zhì)量在高溫加熱時(shí)發(fā)生明顯減小正是水泥石中的結(jié)晶水大量損失所造成的。

一般情況下再生粗集料的粒徑越小，則顆粒中的水泥漿體含量越高且比表面積越大，加熱時(shí)的質(zhì)量損失越大。而粒級(jí)31.5 mm的再生集料含水率高于26.5 mm的再生集料，主要是因?yàn)?1.5 mm再生集料中基本不再含有天然集料顆粒，水泥漿體含量反而高于26.5 mm再生集料。

天然粗集料在105℃烘箱中加熱4 h后質(zhì)量基本不再變化；而2.36～16 mm再生粗集料加熱36 h后質(zhì)量才基本不再變化，19～31.5 mm再生粗集料則需要加熱48 h。在105℃下水泥石釋放結(jié)晶水是一個(gè)緩慢的過(guò)程，粒徑越小的再生粗集料比表面積越大，受熱越均勻，集料內(nèi)部的水分也越容易脫離，因此脫水速率也越快。

2.2.2 密度和吸水率

天然粗集料通常按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中“T0304-2005粗集料密度與吸水率試驗(yàn)（網(wǎng)籃法）”測(cè)定集料的密度與吸水率。該方法最后要求將潮濕集料放入105℃烘箱中烘干至恒重，以稱取集料的烘干質(zhì)量ma。由含水率試驗(yàn)結(jié)果可知，再生粗集料中的水泥漿體在105℃下會(huì)釋放結(jié)晶水，這部分結(jié)晶水的損失會(huì)造成ma的測(cè)定值偏小許多，因此再生粗集料并不能完全按照試驗(yàn)規(guī)程中的方法計(jì)算密度與吸水率，否則會(huì)造成吸水率和表觀密度的計(jì)算結(jié)果偏大，毛體積密度的計(jì)算結(jié)果偏小（表干密度不受影響）。

如果按照試驗(yàn)規(guī)程測(cè)定再生粗集料的密度與吸水率，在計(jì)算吸收水分時(shí)，必須扣除再生粗集料在加熱烘干時(shí)內(nèi)部結(jié)晶水的損失。實(shí)際操作中，需首先通過(guò)含水率試驗(yàn)對(duì)測(cè)得的ma值進(jìn)行修正，然后再代入規(guī)程中的計(jì)算公式計(jì)算密度與吸水率，修正公式如式（1）所列。

式中：m'a——修正后的再生粗集料烘干質(zhì)量；

ma——試驗(yàn)測(cè)定的再生粗集料烘干質(zhì)量；

ω——再生粗集料的含水率。

其中，測(cè)定含水率的再生集料與測(cè)定密度與吸水率的集料必須保持級(jí)配一致且質(zhì)量接近，且兩個(gè)試驗(yàn)的集料均應(yīng)烘干至恒重或采用相同的加熱時(shí)間（不少于6 h，自由水一般4～6 h可烘干）。

該項(xiàng)目仍按照試驗(yàn)規(guī)程中網(wǎng)籃法的要求測(cè)定天然粗集料與再生粗集料的密度與吸水率，并對(duì)再生粗集料的測(cè)值進(jìn)行修正。試驗(yàn)結(jié)果表明，再生粗集料的密度低于天然粗集料，而吸水率大于天然粗集料。造成再生粗集料密度較低的原因主要是集料附著的水泥砂漿密度較低且孔隙率較大。天然粗集料的表觀密度與毛體積密度較為接近，相比而言，再生粗集料的表觀密度與毛體積密度的差值較大，進(jìn)一步說(shuō)明再生粗集料的表面較為粗糙，開口孔隙較多。比較表干密度與毛體積密度的大小可知，再生粗集料兩者的差值大于天然粗集料，這也從一定程度上反映出再生粗集料的吸水率較大。再生粗集料的吸水率高且吸水速度快，這主要是因?yàn)楦街乃嗌皾{吸水率較高且孔隙率較大，并且廢棄水泥混凝土在拆除和破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定損傷，使再生集料內(nèi)部出現(xiàn)一些微裂縫。

比較未修正與修正后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再生粗集料的表觀密度與毛體積密度的偏差為0.06～0.12 g/cm3，而重復(fù)試驗(yàn)的精密度要求不超過(guò)0.02 g/cm3；未修正時(shí)的再生粗集料吸水率偏大2.81%，而重復(fù)試驗(yàn)的精密度要求不超過(guò)0.2%。因此，在測(cè)定再生粗集料的密度與吸水率時(shí)，必須測(cè)定集料的含水率并對(duì)密度與吸水率進(jìn)行修正，否則會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)重失真。

再生粗集料吸水率的修正公式可表示為式（2）。

式中：ω'x——修正后的再生粗集料吸水率；

ωx——未修正的再生粗集料吸水率。

國(guó)內(nèi)無(wú)論是公路行業(yè)還是建筑行業(yè)，在測(cè)定再生集料的密度與吸水率時(shí)基本都完全按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）或《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》(JGJ 53-92)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行，未對(duì)測(cè)值進(jìn)行修正，一般文獻(xiàn)測(cè)得的再生粗集料吸水率均在2.5%～10%之間，測(cè)值偏大很多。

2.2.3 其他性能

（1）按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中“T0312-2005粗集料針片狀顆粒含量試驗(yàn)（游標(biāo)卡尺法）”的要求，測(cè)定粒徑4.75 mm以上的再生粗集料和天然粗集料的針片狀顆粒含量。結(jié)果表明再生粗集料的針片狀顆粒含量小于天然粗集料，這是由于廢棄混凝土在破碎過(guò)程中，部分針片狀顆粒易被破碎成小顆粒，從而使針片狀顆粒含量減少，集料形狀得到改善。

（2）按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中“T0316-2005粗集料壓碎值試驗(yàn)”的要求，測(cè)定的天然粗集料的壓碎值為20.2%，再生粗集料的壓碎值為20.5%，兩者的抗壓碎能力接近，但是再生粗集料的壓碎值變異性大，試驗(yàn)的可重復(fù)性較差。粗集料的壓碎值與集料的品種和產(chǎn)地有關(guān)，還與顆粒形狀有關(guān)，針片狀顆粒含量高的粗集料，其壓碎值較高。再生粗集料的壓碎值主要與廢棄混凝土的強(qiáng)度及所采用的集料品種有關(guān)，因此不同來(lái)源的再生粗集料的壓碎值差異較大。

（3）按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中“T0317-2005粗集料磨耗試驗(yàn)（洛杉磯法）”的要求，采用A級(jí)粒度，測(cè)定了再生粗集料和天然粗集料的洛杉磯磨耗損失。再生粗集料的洛杉磯磨耗損失為20.6%，比天然粗集料高出許多。再生粗集料的耐磨性比天然粗集料要差，這主要是因?yàn)樵偕旨现械乃嗌皾{強(qiáng)度較低，在磨耗過(guò)程中容易破碎。

（4）按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中“T0314-2000粗集料堅(jiān)固性試驗(yàn)”的要求進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明再生粗集料的質(zhì)量損失百分率為8.1%，堅(jiān)固性比天然粗集料要差。這主要是因?yàn)樵偕旨系目紫堵瘦^大且內(nèi)部可能存在微裂縫，結(jié)構(gòu)不致密，在干濕或凍融循環(huán)下易遭到破壞。公路上通過(guò)堅(jiān)固性試驗(yàn)得到的再生粗集料質(zhì)量損失百分率一般在8%～21%之間。再生粗集料的堅(jiān)固性與集料的生產(chǎn)工藝及廢棄混凝土的強(qiáng)度有關(guān)，機(jī)場(chǎng)道面混凝土的強(qiáng)度較高，因此相比于其他再生集料，該項(xiàng)目生產(chǎn)的道面混凝土再生集料具有較好的耐久性。

2.3 再生細(xì)集料的性能

再生細(xì)集料有四種基本形態(tài)：一是復(fù)合顆粒，即表面粘附部分水泥砂漿的石屑；二是與水泥漿體完全脫離的砂粒；三是破碎時(shí)產(chǎn)生的石屑；四是水泥漿體或砂漿顆粒。其中，復(fù)合顆粒的含量極少，砂粒與石屑的含量也不多，大部分再生細(xì)集料為水泥漿體或砂漿顆粒。尤其是粒徑小于0.15 mm的細(xì)粉，基本全為破碎時(shí)產(chǎn)生的水泥漿體粉末。下面分別從含水率和表觀密度兩個(gè)方面來(lái)分析再生細(xì)集料的性能。

2.3.1 含水率

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE42-2005）中“T0332-2005細(xì)集料含水率試驗(yàn)”的要求，將通過(guò)室內(nèi)風(fēng)干的再生細(xì)集料、天然石屑和天然砂分別放入烘箱內(nèi)加熱烘干，烘箱溫度控制在105℃，測(cè)定不同時(shí)間的細(xì)集料質(zhì)量變化。細(xì)集料含水率試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，天然細(xì)集料的含水率都很小，天然石屑為0.60%，天然砂為0.18%，而再生細(xì)集料的含水率較大，達(dá)到4.25%。與再生粗集料類似，這是由于再生細(xì)集料中的水泥石含有大量結(jié)晶水所致。天然細(xì)集料加熱2～4 h后質(zhì)量不再變化；而再生細(xì)集料加熱12h后質(zhì)量才基本不再變化。

2.3.2 表觀密度

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）中“T0328-2005細(xì)集料表觀密度試驗(yàn)（容量瓶法）”的要求，分別測(cè)定再生細(xì)集料、天然石屑和天然砂的表觀密度。天然石屑和天然砂在測(cè)試密度前均在溫度105℃烘箱中烘干至恒重；考慮到再生細(xì)集料中結(jié)晶水的影響且風(fēng)干集料中的自由水含量很小，再生細(xì)集料在測(cè)試密度前不進(jìn)行加熱烘干。在該項(xiàng)試驗(yàn)中再生細(xì)集料的表觀密度為2.378 g/cm3，天然石屑和天然砂的分別為2.703 g/cm3和2.591 g/cm3，結(jié)果表明再生細(xì)集料的表觀密度較小。

3 再生集料生產(chǎn)工藝的改進(jìn)

根據(jù)再生集料的級(jí)配特征可知，通過(guò)一次破碎的再生集料級(jí)配較差，大粒徑顆粒過(guò)多，細(xì)集料含量偏少，并不符合實(shí)際工程應(yīng)用的要求，因此必須對(duì)再生集料的級(jí)配進(jìn)行調(diào)整，改進(jìn)道面混凝土再生集料的生產(chǎn)工藝，這樣不僅有利于提高破碎產(chǎn)量，改善再生集料的品質(zhì)，還可以降低生產(chǎn)成本。

水泥穩(wěn)定碎石用于道路基層時(shí)，一般要求最大粒徑不得超過(guò)31.5 mm；級(jí)配碎石用于道路底基層或墊層時(shí)，一般要求集料的最大粒徑不得超過(guò)37.5 mm。然而從表2可以看出，粒徑大于31.5 mm的再生集料占集料總質(zhì)量的69.68%。因此，如果將虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)的道面混凝土再生集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石或級(jí)配碎石中，其利用率最高也僅能達(dá)到30%左右。為了提高再生集料的利用率，減少再生集料中粗顆粒的含量，需要對(duì)粒徑大于31.5 mm的集料進(jìn)行循環(huán)破碎，從而將再生集料的顆粒粒徑控制在31.5 mm以內(nèi)。

假定31.5 mm以上的顆粒全都經(jīng)過(guò)再次破碎，則此時(shí)生產(chǎn)出的再生集料的級(jí)配組成應(yīng)接近于表2中0～31.5 mm再生集料的組成比例，由表2可計(jì)算出通過(guò)一次破碎且控制最大粒徑的再生集料的級(jí)配，級(jí)配曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，即使是通過(guò)一次破碎且控制最大粒徑的再生集料，其顆粒仍然較粗，細(xì)集料偏少，不滿足規(guī)范中水泥穩(wěn)定碎石基層和級(jí)配碎石層對(duì)集料的級(jí)配要求，因此有必要在集料一次破碎的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次破碎，即首先對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行一次破碎和二次破碎，然后按照控制最大粒徑的要求對(duì)超尺寸顆粒進(jìn)行循環(huán)破碎直到所有顆粒的粒徑都小于31.5 mm。采用二次破碎且控制最大粒徑的方式生產(chǎn)道面混凝土再生集料，可將再生集料級(jí)配進(jìn)一步變細(xì)，從而較易滿足規(guī)范的要求，提高再生集料的利用率。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)篩分試驗(yàn)研究了經(jīng)一次破碎產(chǎn)生的再生集料的級(jí)配特征，結(jié)果表明通過(guò)一次破碎的再生集料級(jí)配較差，大粒徑顆粒過(guò)多，細(xì)集料含量偏少。

（2）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了機(jī)場(chǎng)水泥混凝土再生粗集料的物理性能（含水率、密度、吸水率、針片狀顆粒含量）、力學(xué)性能（壓碎值、洛杉磯磨耗損失）和耐久性能（堅(jiān)固性），并提出了密度和含水量的修正方法，同時(shí)研究了再生細(xì)集料的含水率和表觀密度。

（3）對(duì)再生集料的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，采用二次破碎且控制最大粒徑的方式生產(chǎn)道面混凝土再生集料，將再生集料級(jí)配進(jìn)一步變細(xì)，從而滿足規(guī)范的級(jí)配要求，提高再生集料的利用率。

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