水泥路面再生混凝土主要路用性能研究

孫吉書，竇遠明，劉熙媛

(1.河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401)

水泥混凝土路面是世界上廣泛采用的高等級路面結構形式，尤其是在重載車輛較多的港口道路應用非常廣泛，在我國有路面結構鋪裝的高等級公路中，水泥路面約占72.03%[1]。由于我國先前建設的水泥混凝土路面面板較薄，已不能適應現代化重載交通的需求，加上其中大部分已經接近使用年限及車輛超載現象，許多早期的水泥混凝土路面已經破損嚴重，需要大修或重建。目前，我國對于道路養護、維修及大修而產生的廢舊水泥路面混凝土板的再生利用效率較低，每年不能充分利用的廢舊混凝土超過千萬噸[2]。尚若能夠將廢舊水泥混凝土板破碎、加工用于新的水泥混凝土路面的建設，將能大大節約建設資源、并減少廢舊水泥路面板的堆放產生的污染問題，有利于環保。

筆者通過系統的試驗，研究舊水泥路面板再生混凝土的主要路用性能指標(抗壓強度、彎拉強度、耐磨性能等)及其隨各種原材料與配合比因素的變化規律，探討在水泥混凝土路面建設中合理利用這些舊水泥路面板再生混凝土的可行性，以期將廢舊水泥路面板資源化，節約建筑材料，提高公路工程的社會經濟與環保效益。

1 原材料性質試驗

1.1 粗骨料

用于生產再生粗骨料的廢舊水泥路面板來自天津市大港區某公路，該公路已經通車運行9年，因重載交通問題而嚴重破壞，原水泥路面按照重交通荷載設計。文中試驗采用的再生粗骨料是將廢舊水泥路面板破碎、篩分、分級處理以后的粗骨料，粒徑均大于4.75 mm)。而石灰巖碎石作為新的粗骨料。

按照JTG E 42—2005《公路工程骨料試驗規程》的相關試驗方法[3]，試驗得出石灰巖碎石新骨料與再生粗骨料的技術性質如表1。

表1 粗骨料的主要力學性質 Table 1 Main mechanical properties of coarse aggregates /%

1.2 細集料

細骨料采用Ⅱ級中砂(天然河砂)，細度模數為2.2，含泥量小于2.1%。

1.3 水 泥

水泥采用普通硅酸鹽水泥(42.5#)，其主要技術指標如表2。

表2 水泥的主要技術指標

Table 2 Main technical indexes of cement

2 試驗方案

2.1 混凝土的配合比

參照文獻[4]，保持水泥用量不變，在粗骨料中分別摻入25%，50%，75%和100%的再生粗骨料。經過前期試驗，試驗確定出不同再生粗骨料摻入量時的再生混凝土的材料用量見表3。

表3 再生混凝土的配合比
Table 3 Proportions of recycled aggregate concrete

編號水泥/(kg·m-3)水/(kg·m-3)砂/(kg·m-3)新粗骨料/(kg·m-3)再生粗骨料/(kg·m-3)再生粗骨料所占比例/%NC411181689122600RC-25411193689919.5306.525RC-50411204689613.0613.050RC-75411216689306.5919.575RC-10041122768901226.0100

2.2 試驗方法

根據JIGT 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(以下簡稱《規程》)的相關方法[5]，制作試件并進行試驗，抗壓強度和混凝土耐磨性能試驗的試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，彎拉強度試驗的試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，混凝土試件澆筑振搗后24 h拆模，拆模后在養護室進行標準養護，到達特定齡期后進行相關路用性能指標的試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 抗壓強度

通過系統的混凝土抗壓強度試驗，得到不同齡期、不同廢舊水泥路面板再生粗骨料摻入量時混凝土的抗壓強度，如表4。

表4 再生混凝土的抗壓強度 Table 4 Compressive strength of recycled aggregate concrete /(kg·m-3)

從表4中的試驗結果可以得知，再生粗骨料在粗骨料中所占比例對再生混凝土的早期抗壓強度影響不大，而對于其后期(7 d齡期之后)抗壓強度具有顯著的影響，相對于相同配合比情況下的新骨料混凝土，再生粗骨料所占比例分別為25%，50%，75%和100%時，再生混凝土28 d齡期的抗壓強度分別下降了5.3%，8.7%，15.0%和23.3%；而3 d齡期時其相應的抗壓強度變化值均在10%以下。但是再生混凝土的抗壓強度具有隨再生粗骨料所占比例的增大而降低的趨勢，并且在再生粗骨料的所占粗骨料的比例大于50%時，這種抗壓強度降低的趨勢更加明顯。

再生混凝土強度降低的主要原因是再生骨料周圍不可避免的附著有一定的水泥膠漿，使得新老水泥漿體之間的黏結強度不如全新混凝土，加上就混凝土路面板破碎過程中造成的部分石子發生開裂，引起再生粗骨料強度降低造成的[6-7]。

3.2 彎拉強度

水泥混凝土路面的關鍵設計指標是混凝土的彎拉強度，不同再生骨料所占比例情況下的再生混凝土彎拉強度指標試驗結果見表5。

表5 再生混凝土的彎拉強度 Table 5 Flexural strength of recycled aggregate concrete

試驗結果表明，與相同配合比的全新骨料普通混凝土相比，當水泥路面再生骨料所占比例大于50%時，再生混凝土的彎拉強度會明顯降低，而小于50%時，這一趨勢并不十分明顯，當再生骨料所占比例為25%～100%時，再生混凝土28 d齡期的彎拉強度分別下降了6.4%，9.6%，14.9%和19.6%，其它齡期的情況基本相同。

同時，試驗范圍內各種配合比的再生混凝土28 d齡期彎拉強度均大于4.5 MPa，其彎拉強度滿足相關規范[8-9]對中等交通等級水泥混凝土路面建筑材料的強度要求。

3.3 耐磨性能

作為水泥混凝土路面的面層建筑材料，水泥混凝土材料需要承受車輪荷載的反復沖擊與擠壓、摩擦，其必須具有足夠的耐磨性能，根據《規程》[5]的相關方法，試驗得出不同再生骨料所占比例時再生混凝土28 d齡期的耐磨性能，如表6。

表6 再生混凝土的耐磨性能 Table 6 Wear resistant ability of recycled aggregate concrete

表6中的耐磨性能試驗結果表明，當混凝土中再生骨料所占比例小于50%時，再生混凝土的單位面積磨損量變化不大，而當再生粗骨料所占比例大于50%時，再生混凝土的單位面積磨損量將會隨著再生粗骨料所占比例的增大而顯著增大(耐磨性能顯著下降)；與相同配合比的全新骨料普通混凝土相比，再生粗骨料所占比例分別為25%，50%，75%和100%時，再生混凝土的單位面積磨損量分別增大了3.8%，6.9%，16.6%和25.8%。

眾多的研究成果表明[10-11]，在混凝土中摻入適量粉煤灰可以提高耐磨性能，筆者保持其它因素不變，以Ⅱ級粉煤灰等量取代0%～30%的水泥，測得不同情況下再生混凝土的耐磨量如表7。

表7 粉煤灰再生混凝土的耐磨性能 Table 7 Wear resistant ability of fly-ash recycled aggregate concrete /(g·m-2)

由表7可見，摻入適量的粉煤灰可以提高再生混凝土的耐磨性能，相對于不摻粉煤灰混凝土而言，當粉煤灰摻入量為10%～30%時，RC-25的單位磨損量分別減小了2.6%，4.1%和3.6%，NC的單位磨損量分別減小了2.4%，4.0%和3.6%，并且當粉煤灰摻入量為20%左右時，粉煤灰再生混凝土的耐磨性能最佳，當粉煤灰摻入量為20%時RC-25的耐磨性能與NC不摻粉煤灰時的耐磨性能基本相同。因此，再生混凝土用于水泥混凝土路面的面層時，再生骨料所占比例不宜大于50%，同時，亦在混凝土等量摻入20%的粉煤灰以改善再生混凝土的耐磨性能。

4 結 論

1)水泥路面再生粗骨料在粗骨料中所占比例對再生混凝土的抗壓強度具有顯著的影響，特別是再生粗骨料所占比例大于50%時的遠期強度，與相同配合比的全新骨料普通混凝土相比，再生粗骨料所占比例分別為25%，50%，75%和100%時，再生混凝土28 d齡期的抗壓強度分別下降了5.3%，8.7%，15.0%和23.3%；而3 d齡期時其相應的抗壓強度變化值均在10%以下。

2)當水泥路面再生粗骨料所占比例大于50%時，再生混凝土的彎拉強度會明顯降低，而小于50%時，這一趨勢并不十分明顯，當再生骨料摻入量為25%～100%時，再生混凝土28 d齡期的彎拉強度分別下降了6.4%，9.6%，14.9%和19.6%，其它齡期的情況基本相同。

3)當再粗生骨料所占比例小于50%時，再生混凝土與全新混凝土的耐磨性能相差不大，而當再生粗骨料所占比例大于50%時，再生混凝土的耐磨性能顯著降低。在再生混凝土中摻入適量粉煤灰可以提高其耐磨性能，并且粉煤灰摻入量以20%左右為最佳。

4)從強度、耐磨性能等路用性能指標綜合考慮，用于水泥混凝土路面的面層時，再生混凝土中再生粗骨料所占比例不宜大于50%。

[1] 交通運輸部.2012年公路水路交通運輸行業發展統計公報[R].北京:交通運輸部,2013.Ministry of Transportation & Communications.2011 Highway and Waterway Transportation Industry Statistical Bulletin [R].Beijing: Ministry of Transportation & Communications,2012.

[2] 張華英,郭建國.利用廢棄混凝土配制高性能粉煤灰混凝土的研究[J].粉煤灰,2009(5):19-21.Zhang Huaying,Guo Jianguo.Research on preparation of high-performance fly ash concrete with waste concrete [J].Chinese Journal of Fly Ash,2009(5):19-21.

[3] JTG E 42—2005 公路工程集料試驗規程[S].北京:人民交通出版社,2005.JTG E 42—2005 Test Methods of Aggregate for Highway Engineering [S].Beijing:China Communications Press,2005.

[4] 張亞梅,秦鴻根,孫偉,等.再生混凝土配合比設計初探[J].混凝土與水泥制品,2002(1):7-9.Zhang Yamei,Qin Honggen,Sun Wei,et al.Preliminary study on the proportion design of recycled aggregate concrete [J].China Concrete and Cement Products,2002 (1):7-9.

[5] JTG E 30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[S].北京:人民交通出版社,2005.JTG E 30—2005 Test Methods of Cement and Concrete for Highway Engineering [S].Beijing:China Communications Press,2005.

[6] 魏鴻,凌天清,卿明建,等.再生水泥混凝土界面過渡區的結構特性分析[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2008,27(5):709-711.Wei Hong,Ling Tianqing,Qing Mingjian,et al.Analysis on the structural characteristics of ITZ of recycled concrete [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(5):709-711.

[7] 魯雪冬,葉躍忠,嚴章榮.再生骨料高強混凝土抗壓強度研究[J].路基工程,2007(4):105-107.Lu Xuedong,Ye Yuezhong,Yan Zhangrong.Study on the compressive strength of recycled aggregate high-strength concrete [J].Subgrade Engineering,2007(4):105-107 [8] JTG F 30—2003 公路水泥混凝土路面施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2003.JTG F 30—2003 Technical Specification for Construction of Highway Cement Concrete Pavements [S].Beijing: China Communications Press,2003.

[9] JTG D 40—2011 公路水泥混凝土路面設計規范[S].北京:人民交通出版社,2011． JTG D 40—2011 Specifications for Design of Highway Cement Concrete Pavement [S].Beijing:China Communications Press,2011.

[10] 趙曉妍,王文杰.粉煤灰對混凝土耐磨性能的影響[J].粉煤灰,2010(5):16-17.Zhao Xiaoyan,Wang Wenjie.Effects of fly ash on wear resistant ability of concrete [J].Coal Ash China,2010(5):16-17.

[11] 陳愛玖,潘麗云,王靜,等.粉煤灰再生混凝土磨耗試驗研究[J].混凝土,2010(10):89-91.Chen Aijiu, Pan Liyun,Wang Jing,et al.Test research on wear resistance of recycled concrete with fly-ash [J].Concrete,2010(10):89-91.