廢舊混凝土再生粉料改良高液限黏土試驗研究

夏北偉

（湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015）

0 引 言

高速公路改擴建、市政道路升級改造以及城市擴張、拆遷建設的過程中產生了大量的廢棄混凝土，廢棄混凝土的處治已然成為污染的主要問題，而關于廢舊混凝土的高值化利用是目前科研院所重要的研究課題。相關研究表明，國內廢舊混凝土的回收利用主要包括以下三個方面：一是廢舊混凝土再生骨料替代一部分天然碎石制備再生混凝土，由于再生骨料存在吸水率大的問題，再生混凝土中再生骨料的摻加量受到限制；二是廢舊混凝土破碎后用于路基填筑，或是通過水泥穩定用于路面基層、底基層的鋪筑；三是用于泡沫混凝土、保溫型多孔磚以及透水磚等功能型建材的生產。目前國內外針對廢舊混凝土的再生利用已經比較廣泛，也取得了一系列研究成果，但是目前的研究和應用更多的是針對再生骨料，而再生骨料生產過程中會產生大量的粒徑在0～5 mm 的再生粉體，有研究顯示再生粉體的活性指數一般在60%～70%，接近或達到粉煤灰的要求，而關于再生粉體的應用場景相對較少。

湖南地區分布有大量的高液限黏土，其典型特點是液塑限和天然含水率高、強度和穩定性差。如若直接用于路基的填筑，極易引起開裂和不均勻沉降等病害的發生，大大降低了行車舒適性和安全性。國內外學者針對高液限黏土的改良方式以及改良后路基性能已經開展了大量研究，李方華[1]依托永寧高速研究了砂礫石改良高液限土填料的最佳摻量；楊和平等[2]研究了摻加生石灰改良高液限土的路用性能，并以4%的摻灰率應用于瀏醴高速路床的填筑；程濤等[3]以承載比作為主要控制指標確定了云羅高速高液限土最佳水泥摻加比例；朱冬梅等[4]研究了摻加水泥、砂、石灰等進行改良后路基填料的物理力學性質變化，對比研究了各種改良方案的機理和效果；黃娟[5]研究了粉煤灰對高液限紅黏土的改良機理以及改良效果的提升方法；李秉宜等[6]研究了干濕循環作用對改良高液限土無側限抗壓強度和CBR 指標的影響規律。

綜上所述，現有研究多是采用水泥、石灰或砂石材料對高液限土進行改良研究，摻加再生粉料改良高液限土的研究還不多見。本文針對湖南洞庭湖區高速公路沿線分布的高液限黏土開展再生粉體改良試驗研究，從再生粉體粒度及活性成分分析再生粉體改良高液限黏土的可行性，并開展不同再生粉體摻加量對高液限黏土物理性質和力學性質的影響研究，并以試驗結果為主要考慮因素，綜合考慮施工經濟性和生產工藝性的影響確定再生粉體的最佳摻量，為廢舊混凝土再生粉體的改良應用提供指導。

1 試驗材料與方案

1.1 高液限黏土基本性質

調研依托工程沿線高液限土分布情況，選取其中5 處具有代表性的取土場收集土樣開展室內試驗研究，分別針對不同土樣進行了含水率、顆粒組成、液塑限、擊實試驗以及承載比試驗，試驗結果統計如表1所示。

表1 沿線主要取土位置高液限土基本性能指標

從試驗數據可以看出沿線分布的高液限黏土具有以下幾點特征：

（1）黏土天然含水率較高，普遍大于擊實試驗得到的土樣最佳含水率；

（2）沿線土顆粒組成差異較大，尤其表現在0.075 mm 篩孔的通過率；

（3）土的CBR 承載比較小，經過1 d 的浸水后體積膨脹較大，無法直接用于路床填筑，需要進行改良處理。

1.2 水泥的基本性能

已有研究表明水泥改良高液限土效果顯著，能夠提高土的承載比，有效降低土的膨脹量[7]。因此，采用摻加3%的普通硅酸鹽水泥改良作為對比試驗，驗證再生粉料改良的效果。本次試驗采用的是湖南邵峰南方水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，具體技術指標如下表2 所示。

表2 普通硅酸鹽水泥基本性能指標

1.3 再生粉料性能及制備

試驗用的再生粉原料為省內某材料工廠再生骨料生產中產生的0～5 mm 再生細骨料，破碎生產用的廢舊混凝土為某公路改擴建拆除的混凝土護欄，原始強度為C30。調研發現細骨料作為再生骨料生產的附屬產品因級配和穩定性較差無法直接利用。將再生細骨料取回試驗室，經過一系列的流程制備再生粉體用于高液限黏土的改良研究。

按照規范《水泥化學分析方法》（GB/T 176—2017）中的要求對制備的再生粉料進行化學成分分析，試驗結果如表3 所示。從結果可以看出，再生粉料的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO 等，其組成成分與水泥基本相同，只是各組成成分的含量不同；水泥中氧化鈣含量最高，而再生粉料中含量最多的為二氧化硅，氧化鈣含量實測值僅為13.13%。氧化鈣作為水化反應的主要參與成分，其含量對材料的活性具有重要影響。因此，根據連帥強等[8]的研究成果，可添加2%的硫酸鈉激發劑（以再生粉料的質量計算）用來提升再生粉料的活性。

表3 再生粉料和水泥化學成分分析結果 單位：%

因工廠堆放場地原因導致細骨料混有泥土雜物，因此取回試驗室后先用清水沖洗，風干后再使用。試驗室再生粉料制備流程：篩分（剔除大于0.6 mm 以上的顆粒）；鋼球球磨機初次研磨，45 min；暫停10 min，并加入激發劑；鋼球球磨機二次研磨，45 min；裝袋，備用。

1.4 試驗方案

再生粉料改良高液限黏土試樣按照再生粉料與黏土的質量比分別為0%、5%、10%、15%配制，試樣編號分別為a、b、c、d，同時以單摻3%的普通硅酸鹽水泥改良高液限黏土土樣作為對比試驗，試樣編號e，分別針對以上改良試樣開展液塑限、擊實試驗、CBR承載比以及無側限抗壓強度等試驗，分析再生粉料對高液限黏土的改良效果以及不同摻量下改良高液限黏土的力學性能。以上試驗均按照有關標準規定的方法進行，其中配好的土樣均按照最佳含水率拌合后燜料不少于4 h，無側限試件成型后放置24 h脫模，并用塑料薄膜密封后放置標準環境中養生。

具體試驗方案如下表4 所示。

表4 試驗方案

2 試驗結果與分析

2.1 再生粉料對高液限黏土液塑限的影響

分別對摻加量為0%、5%、10%、15%的再生粉料改良黏土和3%摻加量的水泥改良土樣進行液塑限和擊實試驗，得到不同再生粉料摻加量改良土的液限、塑限以及最佳含水率和最大干密度。

由試驗結果（見表5）可以看出以下幾點，一是摻加3%的水泥使得高液限黏土的液限和塑限發生較大變化，液限降低了26.3%，塑限提高了54.3%，同時最大干密度也有一定的提升；二是摻加再生粉料的作用效果與摻加水泥效果類似，會使高液限黏土的液限降低，塑限提高，擊實試驗獲得的最大干密度略有增大；三是隨著再生粉料摻加量的逐漸增加，改良土樣的液限下降速度逐漸變小，塑限的增長趨勢也略有減弱；四是改良土的最佳含水率和最大干密度由于再生粉體的加入分別出現了變小和變大的結果；五是高液限黏土中摻入水泥，水泥、水和土之間發生了一系列反應，使得液塑限有了較大幅度的變化，尤其表現在親水性減弱，而再生粉體的成分與水泥類似，從液塑限等指標的變化情況來看，再生粉料改良的作用效果與水泥也相似；六是由于活性的差異導致改良效果的不同，10%和15%的再生粉料摻加量獲得的改良效果與3%的水泥相近，15%的再生粉料相對于10%提升效果不顯著。

表5 不同再生粉料摻量改良土液塑限試驗結果

2.2 再生粉料對高液限黏土CBR 的影響

CBR 承載比作為檢驗公路路基在不利狀態下的承載能力，用于評價路基材料的強度，公路路基施工技術規范中明確規定了路基填料的最小承載比要求，即針對路基特定填筑層位，承載比必須達到最低要求方可用于填筑[9]。開展再生粉料改良高液限黏土承載能力試驗研究，并分析不同摻量下CBR 指標的變化情況。

開展了5%、10%、15%三種不同摻加量的改良土承載比試驗，由表6 試驗結果可知，摻加再生粉料的改良黏土CBR 承載比有了顯著提高，相對于未改良土樣CBR 的分別提高了79.1%、114.6%、166.1%；三種不同摻量再生粉料改良土的承載比均較3%水泥摻量改良土樣的承載比低，且相差較大，15%摻量的CBR 結果僅達到水泥改良的64.5%；隨著再生粉料摻加量的提高，改良土的CBR 提升并不顯著，摻加量提高三倍，而CBR 僅提高了48.5%；綜上，說明了再生粉料對高液限黏土CBR 承載比有提升效果，但高摻加量并不能取得更高的路基強度。

表6 不同改良方案CBR 試驗結果

2.3 再生粉料改良土無側限抗壓強度試驗

采用100%的壓實度以靜壓成型的方式制備無側限抗壓試件，再生粉料摻加量分別為5%、10%、15%，養生周期分別7 d、14 d、28 d、90 d，每組試驗制備6 個試樣。達到設定的養生時間后用萬能壓力試驗機測定每組試件的無側限抗壓強度，將試驗結果匯總分析得到圖1 中的強度變化曲線。

圖1 無側限抗壓強度曲線

分析曲線變化可以發現，再生粉料改良土的無側限抗壓強度隨著齡期的增加逐漸提高，并且在28 d前強度增長速率較快；再生粉料改良土14 d 的養生周期可以達到90 d 強度的60%以上；除了5%的摻加量外，其余摻量在14 d 養生周期后的強度均能超過3%水泥改良土的無側限抗壓強度，10%和15%摻量的28 d 強度可以達到水泥改良土強度的2 倍以上。隨著再生粉料摻加量的提高，改良土的無側限抗壓強度均增大；10%的摻加量取得的提升效果最顯著，當摻加量大于10%時，強度增長變緩，再生粉料的摻加量對強度體提升效果降低。

從再生粉料改良土與水泥改良土無側限抗壓強度對比來看，再生粉料對高液限黏土強度提升具有明顯作用，而與前述CBR 承載比試驗結果存在一定差異；分析其原因可能為兩個方面，一是再生粉料改良土對水敏感性較強，CBR 試驗浸泡1 d 對再生粉料改良土強度削減較大；二是CBR 試驗中試件養生周期較短，導致改良土體強度尚未形成。

3 結 論

通過開展一系列再生粉料改良高液限黏土室內試驗，并與3%摻量的水泥改良土對比，分析了不同改良土的物理力學性能，得到如下結論：

（1）對依托工程沿線分布的高液限黏土摻加3%的水泥進行改良試驗，改良后的液限為42.6%，塑限為44.3%，擊實試驗最大干密度為1.75，最佳含水率為14.8%，驗證了水泥對高液限黏土的改良作用。

（2）利用廢舊混凝土細骨料通過添加適量的激發劑制備了再生粉料，并通過化學分析試驗對比了其與水泥成分的差異，確定了再生粉料具有一定活性效果，具有用于高液限黏土的改良的可能性。

（3）從液塑限等指標的變化情況來看，再生粉料改良的作用效果與水泥相似，由于活性的差異導致改良效果不同，10%和15%的再生粉料摻加量獲得的改良效果與3%的水泥接近，但15%的再生粉料相對于10%提升效果不顯著。

（4）CBR 結果顯示，摻加再生粉料能夠一定程度上提升高液限黏土的承載比；但是以3%的水泥改良土為目標，15%的摻加量尚且不能達到同等的強度，經濟上可行性較差。

（5）再生粉料改良對無側限抗壓強度提升顯著，10%的摻加量最終成型強度明顯高于3%水泥改良土的強度；根據強度增長情況，建議改良土養生周期至少為14 d。