再生混凝土集料在水泥穩(wěn)定碎石中的應(yīng)用研究

張 言，孫鐘良，汪道靜

（1.湖州南潯交通水利投資建設(shè)有限公司，浙江湖州 313009；2.中交第一航務(wù)工程有限公司，天津市 300450）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，大量舊的建筑物被拆除，從而產(chǎn)生大量的建筑垃圾。我國建筑垃圾數(shù)量已占到城鎮(zhèn)垃圾總量的30%~40%[1,2]，成為城市主要固體廢棄物之一。國家發(fā)展改革委統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[3]，2013年我國建筑垃圾產(chǎn)生量約為10億t，其中資源化利用率僅為5%。而國外一些發(fā)達(dá)國家建筑垃圾的資源化率已經(jīng)達(dá)到85% 以上，甚至接近100%[4]。大部分建筑垃圾未經(jīng)任何處理便被運(yùn)往郊區(qū)或鄉(xiāng)村，以露天堆放或填埋的方式進(jìn)行處理，不僅污染環(huán)境，還會造成巨大的資源浪費(fèi)。

水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面是我國公路的主要鋪裝形式之一。近年來隨著公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，大量優(yōu)質(zhì)天然集料被用于水泥穩(wěn)定碎石基層建設(shè)，部分地區(qū)出現(xiàn)了天然集料短缺的情況。建筑廢棄物分揀、剔筋、破碎、分級后，可形成再生混凝土集料（Recycled concrete aggregate,RCA），如果實(shí)現(xiàn)RCA在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用，不僅可實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的資源化利用、降低建筑垃圾對環(huán)境的影響，而且可在一定程度上減少天然石料的開采、緩解我國公路高速發(fā)展對石料的需求壓力。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞RCA在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用開展了大量研究。Chi等[5]則從抗壓能力、抗剪能力等力學(xué)性能論證了RCA完全替代天然集料在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用的可行性。Park[6]也認(rèn)為RCA完全可以取代天然集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層及底基層材料。李曉靜[7]研究表明水泥穩(wěn)定RCA基層能夠滿足輕交通量公路要求。Nataatmadja等[8]認(rèn)為級配良好的水泥穩(wěn)定RCA的回彈模量較天然集料更高。Sobhan等[9]將鋼纖維加入水泥穩(wěn)定RCA中，發(fā)現(xiàn)鋼纖維能夠顯著改善其疲勞性能。焦建偉[10]對不同摻量的水泥穩(wěn)定RCA進(jìn)行了研究，認(rèn)為RCA的增加會降低RCA混凝土的強(qiáng)度，RCA宜與天然集料結(jié)合使用。文獻(xiàn)[11]研究了含建筑垃圾水穩(wěn)碎石路面基層材料的使用性能，認(rèn)為再生集料的摻加可以提高材料的回彈模量，減小材料干縮系數(shù)，但增大溫縮系數(shù)，必要時(shí)應(yīng)控制其摻量。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為RCA的摻入會減小混合料的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，增大溫縮系數(shù)，降低干縮系數(shù)，并通過試驗(yàn)路證明了水泥穩(wěn)定RCA作為基層和底基層具有可行性。

為分析RCA完全替代天然集料用于水泥穩(wěn)定碎石基層的技術(shù)可行性，本文測試了RCA吸水率、壓碎值等物理性能，開展了以RCA完全替代天然集料的水泥穩(wěn)定碎石組成設(shè)計(jì)研究。采用MTS測試了3.5%和4%兩種水泥摻量下水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并與采用天然集料的碎石穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了比較分析。

1 原材料

水泥為42.5普通硅酸鹽水泥。采用三種不同粒徑的RCA，按粒徑大小分為粗RCA、中RCA和細(xì)RCA三種。將這三種RCA按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）集料篩分方法進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到的篩分結(jié)果見表1。

表1 回收水泥混凝土骨料的級配

將RCA以公稱粒徑4.75 mm為臨界點(diǎn)，分為0~4.75 mm和4.75~31.5 mm兩檔。分別測試這兩檔RCA的物理性能，結(jié)果見表2。

表2 回收混凝土骨料物理性能測試結(jié)果

由表2可以看出，RCA的吸水率遠(yuǎn)高于天然集料，這是因?yàn)?RCA表面粘附有較多的水泥砂漿，使得其表面空隙發(fā)達(dá)，更易吸水。另外，按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）方法對RCA的壓碎值進(jìn)行了測試。為了能更充分說明RCA的強(qiáng)度，對4.75~9.5 mm、13.2~16 mm的RCA也進(jìn)行了壓碎值試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3表明RCA的壓碎值較高，這是由于RCA表面附著的水泥砂漿強(qiáng)度較低，容易被壓碎，但各檔集料的壓碎值仍能夠滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope,SEM）能夠分辨光學(xué)顯微鏡所無法分辨的顯微結(jié)構(gòu)，常用來觀測固體表面的形貌特征。本文采用場發(fā)射掃描電鏡（Field Emission-Scanning Electron Microscope,FE-SEM）觀測RCA的微觀形貌特征，放大倍數(shù)為1000下RCA的SEM掃描照片見圖1。

表3 RCA的壓碎值

圖1 RCA的SEM掃描照片

由圖1可知，RCA的表面非常粗糙，且空隙發(fā)達(dá)。這是因?yàn)镽CA表面附著水泥砂漿，SEM觀測到的是水泥砂漿。因此，水泥砂漿的存在，使得RCA有著吸水率高，壓碎值低，密度小的特征。

2 水泥穩(wěn)定再生混凝土碎石配合比設(shè)計(jì)

2.1 級配確定

本研究采用100%的RCA替代天然集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定基層，即RCA對天然集料的全替代。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)中關(guān)于骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類集料級配要求，進(jìn)行了粗RCA、中RCA、和細(xì)RCA的配比設(shè)計(jì)，最終確定三種集料的質(zhì)量配比為45：30：25，繪制級配曲線見圖2。

2.2 水泥用量

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）建議水泥穩(wěn)定類材料水泥劑量為3.0%~6.0%。本文選取3.5%和4.0%兩個(gè)水泥用量進(jìn)行研究。

2.3 最佳含水量的確定

圖2 水泥穩(wěn)定RCA混合料合成級配曲線

本研究通過對不同含水量的RCA混合料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)，使混合料在標(biāo)準(zhǔn)夯實(shí)功作用下達(dá)到最佳密實(shí)狀態(tài)，繪制擊實(shí)曲線，確定最佳含水率和最大干密度。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）和《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）要求，最大公稱粒徑為31.5 mm的混合料，宜采用重型Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法，選取3×98擊的擊實(shí)功，按3層擊實(shí)法制樣。

重型擊實(shí)測出的含水率包含了RCA中的水分和外摻的水，在擊實(shí)試驗(yàn)開始前應(yīng)先預(yù)估混合料的最佳含水率，計(jì)算出需外摻的水量，其計(jì)算公式如下：

式中：w為需外摻的用水量；W為混合料預(yù)估的含水量；α，β，χ分別為粗RCA、中RCA和細(xì)RCA的含水率；φ1，φ2，φ3分別為粗 RCA、中 RCA 和細(xì)RCA 的摻配比例，φ1+φ2+φ3=1。

考慮RCA的吸水率較大，其最佳含水率應(yīng)高于采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石（約5%）。因此，預(yù)估RCA基層和底基層混合料的最佳含水率為8%~10%。設(shè)定5%，7.5%，10%，12.5%，15%共五種不同含水量拌制混合料，其外摻的用水量見表4。

表4 基層和底基層混合料外摻水量

按照表5的外摻水量，分別對水泥用量為4.0%和3.5%的RCA基層和底基層混合料進(jìn)行拌和。混合料悶料24 h后，對上述五種含水率的基層混合料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)。然后實(shí)測含水率并繪制水泥穩(wěn)定RCA的擊實(shí)曲線，見圖3和圖4。

圖3 水泥穩(wěn)定RCA含水量-干密度曲線（4.0%水泥）

圖4 水泥穩(wěn)定RCA含水量-干密度曲線（3.5%水泥）

由圖3和圖4可知，4%水泥摻量的RCA混合料的最佳含水率為10.8%，對應(yīng)的最大干密度為2.118 g/cm3。3.5%水泥摻量的RCA混合料的最佳含水率為10.3%，對應(yīng)的最大干密度為2.073 g/cm3。采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石一般最佳含水量為5%左右[11,12]，可見水泥穩(wěn)定RCA的最佳含水偏高，在工程應(yīng)用中應(yīng)給予重視。

3 水泥穩(wěn)定再生混凝土碎石抗壓強(qiáng)度測試

采用材料測試儀（MTS）測試兩種水泥摻量的水泥穩(wěn)定RCA無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，見圖5。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果和文獻(xiàn)參考值見表5。可見，水泥穩(wěn)定RCA抗壓強(qiáng)度與采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石基本相當(dāng)。

圖5 MTS無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試

表5 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

4 結(jié)論

（1）RCA的吸水率和壓碎值高于天然集料。SEM觀測結(jié)果表明 RCA表面粘附有較多的水泥砂漿，使得RCA表面空隙發(fā)達(dá)，更易吸水；由于RCA表面存在較低強(qiáng)度的水泥砂漿，造成RCA的壓碎值偏大。

（2）水泥穩(wěn)定RCA的最佳含水量高于采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石，在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)給予特別重視。

（3）水泥穩(wěn)定再生混凝土碎石抗壓強(qiáng)度與采用天然集料的水泥穩(wěn)定碎石基本相當(dāng)，再生混凝土集料在水泥穩(wěn)定基層中應(yīng)用具有一定的技術(shù)可行性。