水泥粉煤灰穩定再生磚-碎石力學性能試驗研究

白新亮

北京市政路橋股份有限公司總承包一部，中國·北京 100045

1 引言

隨著中國城市化進程加快，大量的舊建筑物被拆除修繕，從而產生大量的建筑垃圾。與此同時，天然骨料的過度開采以及基礎建設的大量消耗導致天然砂石的價格大幅度增長。如果能將這些建筑固廢中的紅磚制成再生磚骨料應用到工程建設中，不僅可以有效解決建筑垃圾回收利用的難題，還能有效緩解天然砂石短缺的問題。

2 背景

近年來，中國和其他國家的學者對再生磚進行了一系列研究，并取得一系列成果。孫一李全對再生磚混骨料混凝土梁的受彎性能進行了研究，結果表明與同強度的天然骨料混凝土梁相比，再生磚混骨料混凝土梁的承載力略低，延性較差。王金龍[1]對再生磚仿鋼纖維透水混凝土宏觀性能進行了試驗研究，結果表明再生磚仿鋼纖維透水混凝具有良好的力學性能，并建立了透水混凝土凍融損傷演化方程。葛培對再生磚骨料混凝土架構模型進行了試驗研究，結果表明混凝土抗壓強度隨再生磚骨料取代率增大而增大。趙愛華對再生磚粗骨料混凝土基本力學性能進行了試驗研究，結果表明混凝土抗壓強度隨再生磚粗骨料取代率增大呈先增后減的趨勢，并提出再生磚粗骨料混凝土單軸受壓應力-應變曲線的擬合關系式[2]。

從這些研究成果中可以看出，學者們對再生磚改善混凝土性能的研究相對較多，對于粉煤灰和再生磚改善水泥穩定碎石路面基層的研究相對較少。因此，論文以粉煤灰和再生磚為礦物摻合料，對水泥粉煤灰穩定再生磚-碎石的力學性能進行研究，以便為泥粉煤灰穩定再生磚-碎石路面基層的實際工程應用提供參考。

3 試驗材料及方法

3.1 試驗材料

水泥：同力牌P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：來自中國內蒙古自治區烏蘭察布市某火力發電廠，等級為Ⅲ級。

再生磚：來自附近拆除的廢舊建筑，經破碎篩分后使用。

碎石：來自附近碎石場生產的碎石，連續級配。

水：自來水。

水泥和粉煤灰的化學成分組成見表1。根據粗集料試驗規程中的壓碎值試驗方法，分別對再生磚和碎石進行壓碎值試驗，試驗結果見表2。

表1 水泥和粉煤灰的化學成分組成

表2 壓碎值試驗結果

由表1 可知，水泥的主要成分為SiO2和CaO，粉煤灰的主要化學成分為SiO2和Al2O3。SiO2、Al2O3和CaO 等物質是混合料發生水化反應，并最終形成具有一定強度物質的重要保障。由表2 可知，碎石的壓碎值為20.8%，滿足中國高速公路和一級公路的技術要求。再生磚的壓碎值為42.5%，不滿足中國公路路面基層粗集料壓碎值的技術要求[3]。

為了將再生磚用于路面基層建設，并使混合料的強度滿足規范要求，試驗擬將再生磚按照一定的比例替代碎石，使其壓碎值和最終強度滿足規范要求。

根據相關規范確定水泥粉煤灰穩定再生磚-碎石混合料的配合比，如表3所示。

表3 水泥粉煤灰穩定再生磚-碎石混合料的配合比

根據表3 中混合料的配合比，當再生磚的取代率為0、10%、20%、30%和40%時，按照加權平均值計算的粗集料壓碎值分別為20.8%、23.0%、25.1%、27.3%和29.5%，滿足中國二級及以下公路路面基層的技術要求。

3.2 試驗方法

根據細則，制備徑高比為1 ∶1 的標準試件，試件直徑為15cm，壓實系數為0.98。在95%濕度、20±2℃標準養生條件下，養生6d，并浸水24h，水應當沒過試件25mm左右。

無側限抗壓強度試驗在濟南鑫光試驗機制造有限公司生產的電液伺服萬能試驗機上進行，壓力機最大壓力為1000kN，精度為0.001，加載速率為1mm/min。

4 試驗結果與分析

通過對混合料的配合比進行無側限抗壓強度試驗，結果如圖1所示。

圖1 無側限抗壓強度試驗結果

由圖1 可知，隨著在生磚摻量取代率的增加，試件的無側限抗壓強度呈減小趨勢。其根本原因是再生磚的壓碎值大于碎石，隨著再生磚取代率的增大，再生磚-碎石的壓碎值逐漸增大，從而導致試件的“骨架”強度降低，直接表現為試件的無側限抗壓強度降低。由試驗結果可知，水泥摻量為5%時，再生磚取代率為40%時，試件的無側限抗壓強度為4.44MPa，仍然滿足中國高速公路和一級公路的相關要求。

根據無側限抗壓強度試驗結果，通過MATLAB 對其進行擬合分析，如圖2所示。

圖2 7d 齡期時不同再生磚取代率與無側限抗壓強度的擬合結果

由圖2 可知，擬合結果與試驗結果吻合較好，相關系數達到0.9920，表明該擬合公式可以較好的描述試件無側限抗壓強度與再生磚取代率之間的關系，可以用于指導實際工程應用。根據規范，選取高速公路和一級公路水泥粉煤灰類穩定材料的目標強度不小于4.5 MPa，則通過該公式可計算出再生磚取代率不應大于36.6%。

5 結語

論文通過試驗研究了不同再生磚取代率下的水泥粉煤灰穩定再生磚-碎石混合料的無側限抗壓強度，并得到如下結論：

①再生磚的壓碎值較碎石大，隨著再生磚取代率的增加，試件的無側限抗壓強度呈減小趨勢。

②通過對試件的無側限抗壓強度與再生磚取代率的關系進行擬合，得到了用于反映二者之間關系公式，結果表明該公式與試驗結果吻合較好，可用于指導工程應用。

③當水泥摻量為5%，再生磚取代率小于36.6%時，水泥粉煤灰穩定再生磚-碎石混合料的強度可以滿足中國高速公路和一級公路的技術要求。