舊水泥混凝土再生集料作水穩基層路用性能改善研究

吳志剛，劉曉姍，汪怡然，叢鋮東

（北京工業大學交通研究中心，北京 100124）

0 引言

舊水泥混凝土的回收利用是發展循環經濟，建設資源節約型、環境友好型社會的要求。研究一致認為，再生骨料表面由于包裹著部分硬化水泥砂漿，許多性能與天然骨料存在一定的差異，其差異主要表現在表觀密度、堆積密度、孔隙率、吸水率、洛杉磯磨耗值和壓碎值指標等方面[1]。有必要對我國的再生混凝土的性能進行分析，并有針對性的進行相關性能改善的研究。

1 再生集料研究方案及其基本性能

1.1 再生集料分級及改善方案

本次研究將工程生產得到集料過篩，重新進行篩分（分別通過26.5mm、19mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.6mm的篩子）。然后將得到的7檔料（0.6mm以下的都歸為底料）分為1#、2#、3#、4#料。每號料的具體級配范圍如下：1#粒徑范圍為26.5～19mm；2#粒徑范圍為9.5～4.75mm；3#粒徑范圍為2.36～0.6mm；4#粒徑范圍為0.6mm以下。

廢棄混凝土中舊砂漿的存在是影響再生集料工程使用性能的一個十分關鍵的因素。其中最明顯的就是吸水率問題，本論文參閱大量文獻結合工程經驗提出以下幾點改善方案：

a）通過球磨改善再生集料的品質，去除其表面覆蓋的舊水泥砂漿；

b）使用再生集料（普通和球磨改善）替換混合料中相應級配的天然集料，研究其改善性能；

c）針對結合料最佳含水量受舊砂漿中結晶水含量影響問題[3]，在擊實試驗前將所有再生集料（普通和球磨改善）進行預烘干。

1.2 再生集料（普通和球磨改善）基本性能研究

廢棄混凝土經過破碎、除雜，按不同粒徑可篩分出再生粗骨料和再生細骨料，粒徑大于4.75mm（方孔篩）的顆粒為再生粗集料，再生細集料的粒徑尺寸范圍為0.15～4.75mm（方孔篩）。再生粗集料一般棱角較多，且表面較粗糙、空隙較多；再生細骨料主要包括砂漿體破碎后形成的表面附著水泥漿的砂粒、表面無水泥漿的砂粒、水泥石顆粒及少量破碎石塊。

根據《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）相關要求進行試驗，再生混凝土（普通和球磨改善）的具體性能指標見表1。

表1 基層用集料技術指標

從表1可以得到以下結論：

a）球磨再生集料比普通再生集料的表觀密度有所增大，而吸水率卻發生下降；

b）再生集料（普通和球磨改善）的針片狀含量都符合規范要求，球磨再生集料針片狀含量有所降低；

c）球磨再生集料的磨耗率明顯比普通再生集料低；

d）球磨再生集料的壓碎值比普通再生集料低。

綜合以上研究結果，可以說明再生集料經過球磨改善后性能有了比較全面的提升。

2 水穩再生集料的抗壓強度試驗

水泥穩定集料采用以下五種對比試驗方案：

a）方案一為全普通再生集料；

b）方案二為全天然集料；

c）方案三為全球磨再生集料；

d）方案四為1#天然料+2#普通再生料+3#普通再生料+4#普通再生料；

e）方案五為1#球磨再生料+2#球磨再生料+3#球磨再生料+4#天然料。

本次研究的結合料按照規范的中值級配進行配制，各檔料的具體用量見表2。

表2 級配設計

2.1 擊實試驗

進行擊實試驗的目的是繪制穩定材料的含水量—干密度關系曲線，以此確定其最佳含水量和最大干密度，為后續的無側限抗壓強度試驗等提供理論依舊和數據支持。根據設計的集料級配曲線，水泥劑量按3.6%、4.2%添加，每個方案每種水泥劑量做五個平行試驗。擊實試驗后繪制干密度和含水量的曲線圖，從而得到最佳含水量和干密度。在研究過程中，將所有再生料進行預烘干，在105℃的烘箱內，烘一夜的時間再進行試驗，以此減少舊砂漿中結晶水的影響。

各種不同方案的擊實試驗結果歸總如下表。

表3 各種方案的擊實試驗結果

由表3可得到以下幾個結論：

a）各種集料摻配方案的最佳含水量都比天然料大，基本都在5.5%以上；

b）方案三（全球磨再生）的最佳含水量和方案一（全普通再生）的差別并不是很大，而方案五（使用天然細集料替換再生細料）最佳含水量相對方案一和方案三降幅很大，這說明，再生料需水量異常的主要原因在于細集料。

2.2 無側限抗壓強度試驗

2.2.1 無側限抗壓強度試驗方案

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTJ 057—94）的要求，制150mm×150mm的圓柱體試件，試件所需干土重約5700～6000g[4]。試件采用壓實成型，成型后放入恒溫養護室養護6d，第7d浸水養護。最后測其抗壓強度，使之與規范要求強度進行對比。《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[5]要求的7d無側限抗壓強度見表4。

表4 規范要求的7d無側限抗壓強度

2.2.2 無側限抗壓強度試驗結果

表5 各種集料的7d強度試驗結果

圖1 五種不同水泥劑量的7d抗壓強度

由表5和圖1的試驗結果分析可知：

a）水泥劑量是影響結合料強度的一個關鍵因素，短期來看，4.2%水泥劑量的結合料普遍高于3.6%水泥劑量的短期強度；

b）天然集料和普通再生集料的7d抗壓強度差別不是很大，基本符合輕交通路段的強度要求，方案三、四、五的強度明顯增大，達到重、中交通等級的要求，這充分說明，試驗中的改善方案達到既定效果；

c）方案五的7d抗壓強度最大，說明了球磨再生集料作水穩基層的路用性能顯著改善，在舊水泥混凝土回收利用中應重點考慮回收利用粗集料并且進行機械化處理再投入使用。

3 水泥穩定再生集料的干燥收縮研究

反射裂縫是半剛性基層最容易出現的病害。基層由于干縮開裂向路面層反射，從而導致路面結構發生破壞。所以收縮率是評價結合料耐久性的一個重要指標。

3.1 干縮試驗設計

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTJ 057—94）的要求，本次試驗進行前四個方案的試驗對比。采用壓實成型的方法制作4組10cm×10cm×40cm的中梁試件，每個方案的每種水泥劑量做兩個試件，其中一個試件測干縮變形，一個測失水量。試件成型好后，放入標準養護室養護7d取出，放在試驗專用架子上，通過千分表讀取不同時間試件的干縮量，在讀取干縮量的同時測定另一個試件在相同自然環境下的平均水分蒸發損失量，以此作為干縮試件的平均水分蒸發損失。測定過程中直至試件含水量不再減少，千分表的度數不變化為止。

3.2 干縮試驗數據分析

混合料的干縮性能與水密切相關，評價半剛性材料干縮性能不僅要注意其干縮應變，而且要考察其干縮應變和平均干縮系數隨含水量的變化情況如圖2、圖3所示。

圖2 四種方案干縮應變隨時間發展變化的關系

圖3 四種方案干縮應變和失水率的關系曲線

圖2、圖3分別考察了時間和失水率對干縮應變和平均干縮系數的影響。具體分析如下：

a）時間對干縮的影響 從圖2、圖3可以看出，四種方案的干縮應變隨時間都是增大的，直到最大失水率時逐漸平緩；普通再生集料與天然集料的干縮性能差別不是很大，方案四的收縮最小，這充分說明了替換部分再生料方案的可行性，驗證了實際達到的改善效果；

b）失水率對干縮的影響 從圖3可以看出，隨著失水率的增大，干縮應變逐漸增大，直至達到各自最大失水率。

從干縮試驗結果可知，就最大平均干縮系數指標來看，本實驗中普通再生集料的干縮應變略大于天然集料，但兩者并無明顯的區別。而本試驗中的球磨處理過的再生集料干縮比較異常，推斷可知，是球磨細集料中舊砂漿含量增多引起，所以球磨細集料應該考慮用天然集料替換。綜上可以認為，再生集料經過一些改善措施完全可以滿足公路半剛性穩定集料基層的干燥收縮性能的要求（如表6所示）。

表6 四種方案干縮試驗結果總結

4 結論

根據以上分析，得出如下結論：

a）舊水泥混凝土再生集料性能與天然集料性能相比有所降低，其中再生集料吸水率與天然集料差異比較大，但整體仍符合工程用指標，應該回收利用；

b）對再生集料回收應重點利用粗集料，并進行相應機械化處理，研究表明球磨改善再生集料的路用性能有顯著改善；

c）適當使用天然集料替換再生集料中弱勢的級配可以達到更優的路用性能。

[1]付佳麗.廢舊水泥混凝土路面再生利用技術的試驗研究[D].合肥：合肥工業大學，2007.

[2]張超，徐桂萍.廢棄水泥混凝土再生集料需水量問題分析[J].公路，2004，（12）：182-185.

[3]JTJ 058—2000，公路工程集料試驗規程[S].

[4]JTG E51—2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].