廢舊混凝土再生粉料改良高液限黏土試驗(yàn)研究

夏北偉

（湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

0 引 言

高速公路改擴(kuò)建、市政道路升級(jí)改造以及城市擴(kuò)張、拆遷建設(shè)的過程中產(chǎn)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(guān)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(guān)研究表明，國(guó)內(nèi)廢舊混凝土的回收利用主要包括以下三個(gè)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(wěn)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(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)廢舊混凝土的再生利用已經(jīng)比較廣泛，也取得了一系列研究成果，但是目前的研究和應(yīng)用更多的是針對(duì)再生骨料，而再生骨料生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)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(shù)一般在60%～70%，接近或達(dá)到粉煤灰的要求，而關(guān)于再生粉體的應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)較少。

湖南地區(qū)分布有大量的高液限黏土，其典型特點(diǎn)是液塑限和天然含水率高、強(qiáng)度和穩(wěn)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(fā)生，大大降低了行車舒適性和安全性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高液限黏土的改良方式以及改良后路基性能已經(jīng)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(yīng)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(biāo)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(jìn)行改良后路基填料的物理力學(xué)性質(zhì)變化，對(duì)比研究了各種改良方案的機(jī)理和效果；黃娟[5]研究了粉煤灰對(duì)高液限紅黏土的改良機(jī)理以及改良效果的提升方法；李秉宜等[6]研究了干濕循環(huán)作用對(duì)改良高液限土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR 指標(biāo)的影響規(guī)律。

綜上所述，現(xiàn)有研究多是采用水泥、石灰或砂石材料對(duì)高液限土進(jìn)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(duì)湖南洞庭湖區(qū)高速公路沿線分布的高液限黏土開展再生粉體改良試驗(yàn)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(duì)高液限黏土物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的影響研究，并以試驗(yàn)結(jié)果為主要考慮因素，綜合考慮施工經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)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(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 高液限黏土基本性質(zhì)

調(diào)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(chǎng)收集土樣開展室內(nèi)試驗(yàn)研究，分別針對(duì)不同土樣進(jìn)行了含水率、顆粒組成、液塑限、擊實(shí)試驗(yàn)以及承載比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(biāo)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出沿線分布的高液限黏土具有以下幾點(diǎn)特征：

（1）黏土天然含水率較高，普遍大于擊實(shí)試驗(yàn)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(xiàn)在0.075 mm 篩孔的通過率；

（3）土的CBR 承載比較小，經(jīng)過1 d 的浸水后體積膨脹較大，無(wú)法直接用于路床填筑，需要進(jìn)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(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證再生粉料改良的效果。本次試驗(yàn)采用的是湖南邵峰南方水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，具體技術(shù)指標(biāo)如下表2 所示。

表2 普通硅酸鹽水泥基本性能指標(biāo)

1.3 再生粉料性能及制備

試驗(yàn)用的再生粉原料為省內(nèi)某材料工廠再生骨料生產(chǎn)中產(chǎn)生的0～5 mm 再生細(xì)骨料，破碎生產(chǎn)用的廢舊混凝土為某公路改擴(kuò)建拆除的混凝土護(hù)欄，原始強(qiáng)度為C30。調(diào)研發(fā)現(xiàn)細(xì)骨料作為再生骨料生產(chǎn)的附屬產(chǎn)品因級(jí)配和穩(wěn)定性較差無(wú)法直接利用。將再生細(xì)骨料取回試驗(yàn)室，經(jīng)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(guī)范《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T 176—2017）中的要求對(duì)制備的再生粉料進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。從結(jié)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(shí)測(cè)值僅為13.13%。氧化鈣作為水化反應(yīng)的主要參與成分，其含量對(duì)材料的活性具有重要影響。因此，根據(jù)連帥強(qiáng)等[8]的研究成果，可添加2%的硫酸鈉激發(fā)劑（以再生粉料的質(zhì)量計(jì)算）用來(lái)提升再生粉料的活性。

表3 再生粉料和水泥化學(xué)成分分析結(jié)果 單位：%

因工廠堆放場(chǎng)地原因?qū)е录?xì)骨料混有泥土雜物，因此取回試驗(yàn)室后先用清水沖洗，風(fēng)干后再使用。試驗(yàn)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(jī)初次研磨，45 min；暫停10 min，并加入激發(fā)劑；鋼球球磨機(jī)二次研磨，45 min；裝袋，備用。

1.4 試驗(yàn)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(zhì)量比分別為0%、5%、10%、15%配制，試樣編號(hào)分別為a、b、c、d，同時(shí)以單摻3%的普通硅酸鹽水泥改良高液限黏土土樣作為對(duì)比試驗(yàn)，試樣編號(hào)e，分別針對(duì)以上改良試樣開展液塑限、擊實(shí)試驗(yàn)、CBR承載比以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)，分析再生粉料對(duì)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(xué)性能。以上試驗(yàn)均按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)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(wú)側(cè)限試件成型后放置24 h脫模，并用塑料薄膜密封后放置標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中養(yǎng)生。

具體試驗(yàn)方案如下表4 所示。

表4 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 再生粉料對(duì)高液限黏土液塑限的影響

分別對(duì)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(jìn)行液塑限和擊實(shí)試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果（見表5）可以看出以下幾點(diǎn)，一是摻加3%的水泥使得高液限黏土的液限和塑限發(fā)生較大變化，液限降低了26.3%，塑限提高了54.3%，同時(shí)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(huì)使高液限黏土的液限降低，塑限提高，擊實(shí)試驗(yàn)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(zhǎng)趨勢(shì)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(xiàn)了變小和變大的結(jié)果；五是高液限黏土中摻入水泥，水泥、水和土之間發(fā)生了一系列反應(yīng)，使得液塑限有了較大幅度的變化，尤其表現(xiàn)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(biāo)的變化情況來(lái)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(dǎo)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(duì)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(yàn)結(jié)果

2.2 再生粉料對(duì)高液限黏土CBR 的影響

CBR 承載比作為檢驗(yàn)公路路基在不利狀態(tài)下的承載能力，用于評(píng)價(jià)路基材料的強(qiáng)度，公路路基施工技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定了路基填料的最小承載比要求，即針對(duì)路基特定填筑層位，承載比必須達(dá)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(yàn)研究，并分析不同摻量下CBR 指標(biāo)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(yàn)，由表6 試驗(yàn)結(jié)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(duì)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(jié)果僅達(dá)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(duì)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(qiáng)度。

表6 不同改良方案CBR 試驗(yàn)結(jié)果

2.3 再生粉料改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用100%的壓實(shí)度以靜壓成型的方式制備無(wú)側(cè)限抗壓試件，再生粉料摻加量分別為5%、10%、15%，養(yǎng)生周期分別7 d、14 d、28 d、90 d，每組試驗(yàn)制備6 個(gè)試樣。達(dá)到設(shè)定的養(yǎng)生時(shí)間后用萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定每組試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，將試驗(yàn)結(jié)果匯總分析得到圖1 中的強(qiáng)度變化曲線。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

分析曲線變化可以發(fā)現(xiàn)，再生粉料改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加逐漸提高，并且在28 d前強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較快；再生粉料改良土14 d 的養(yǎng)生周期可以達(dá)到90 d 強(qiáng)度的60%以上；除了5%的摻加量外，其余摻量在14 d 養(yǎng)生周期后的強(qiáng)度均能超過3%水泥改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，10%和15%摻量的28 d 強(qiáng)度可以達(dá)到水泥改良土強(qiáng)度的2 倍以上。隨著再生粉料摻加量的提高，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增大；10%的摻加量取得的提升效果最顯著，當(dāng)摻加量大于10%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩，再生粉料的摻加量對(duì)強(qiáng)度體提升效果降低。

從再生粉料改良土與水泥改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比來(lái)看，再生粉料對(duì)高液限黏土強(qiáng)度提升具有明顯作用，而與前述CBR 承載比試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異；分析其原因可能為兩個(gè)方面，一是再生粉料改良土對(duì)水敏感性較強(qiáng)，CBR 試驗(yàn)浸泡1 d 對(duì)再生粉料改良土強(qiáng)度削減較大；二是CBR 試驗(yàn)中試件養(yǎng)生周期較短，導(dǎo)致改良土體強(qiáng)度尚未形成。

3 結(jié) 論

通過開展一系列再生粉料改良高液限黏土室內(nèi)試驗(yàn)，并與3%摻量的水泥改良土對(duì)比，分析了不同改良土的物理力學(xué)性能，得到如下結(jié)論：

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

（2）利用廢舊混凝土細(xì)骨料通過添加適量的激發(fā)劑制備了再生粉料，并通過化學(xué)分析試驗(yàn)對(duì)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(biāo)的變化情況來(lái)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(dǎo)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(duì)于10%提升效果不顯著。

（4）CBR 結(jié)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(biāo)，15%的摻加量尚且不能達(dá)到同等的強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)上可行性較差。

（5）再生粉料改良對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升顯著，10%的摻加量最終成型強(qiáng)度明顯高于3%水泥改良土的強(qiáng)度；根據(jù)強(qiáng)度增長(zhǎng)情況，建議改良土養(yǎng)生周期至少為14 d。