再生骨料基層力學增強機理與環境影響評價研究

作者簡介：楊 浪（1988—），工程師，主要從事隧道與地下工程施工、監測研究工作。

摘要：利用廢棄混凝土和建筑垃圾作為再生骨料用作水泥穩定碎石基層材料，擴大了廢棄混凝土和建筑垃圾等固廢資源的利用范圍。文章通過掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）技術及X射線衍射（XRD）技術對再生骨料的微觀結構和礦物成分進行分析，研究在水泥穩定碎石基層中添加再生骨料對其力學性能的增強機理，并對其浸出毒性及環境影響進行了評價。

關鍵詞：道路工程；再生骨料；基層；物化特性；浸出毒性

中圖分類號：U416.01

0 引言

隨著城市建設和基礎設施建設的迅速發展，對于道路和土地利用的需求也日益增長。然而，在傳統基層材料中使用的天然骨料存在供應不足、環境破壞和高能耗等問題，因此尋找可替代的、環境友好的材料成為當今工程領域的重要課題^［1］。再生骨料水泥穩定碎石作為一種新型的基層材料，具有許多優勢，例如可回收利用廢棄混凝土和建筑垃圾、減少資源消耗、降低二氧化碳排放等^［2］。然而，在廣泛推廣和應用之前，需要深入了解其力學性能增強機理以及潛在的浸出毒性對環境的影響。

由于再生骨料的多孔性，再生骨料具有比天然集料更大的壓碎值、更高的吸水率和更低的表觀密度的特性，因此通常作為部分集料替代路面基層材料^［3］。再生骨料中的活性火山灰材料將與水化產物反應，產生水合硅酸鈣^［4］。此外，再生骨料中存在一些重金屬等污染物，具有一定的毒性浸出風險，因此有必要探索這類污染物從再生骨料水泥穩定碎石基層材料中浸出過程，并評估其毒性浸出方面的潛在局限性^［5］。

本文旨在通過系統的研究和試驗分析，探討再生骨料水泥穩定碎石基層的力學性能增強機理，并評估其在浸出過程中釋放的有害物質對周圍環境的潛在影響。通過深入研究再生骨料水泥穩定碎石基層的力學性能和環境影響，為其在實際工程中的應用提供科學依據和技術支持。

1 再生骨料的物理與化學特性分析

本文采用符合我國標準GB175-2007、JTG/T F20-2015的P.O 42.5R快硬水泥，其初凝和終凝時間分別為202 min和372 min，3 d和28 d抗彎強度及抗壓強度分別為5.2 MPa和8.5 MPa；25.0 MPa和53.0 MPa。粗集料采用玄武巖碎石，細集料采用玄武巖與再生骨料，其粒徑分布如圖1所示。對于所用粗集料，玄武巖碎石與再生骨料的表觀比重分別為2.735和2.331，吸水率分別為1.24%和17.36%，針片狀含量分別為9.57%和9.97%，壓碎值分別為21.63%和41.53%。對于所用細集料而言，玄武巖碎石與再生骨料的表觀比重分別為2.689和2.116，吸水率分別為1.73%和17.60%，液限分別為18.06%和37.91%，塑限指數分別為4.34和8.50。

本文采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散光譜（EDS）技術進行再生骨料的微觀結構和元素分析，這些技術具有放大倍數、景深、視野和三維成像等優點。通過SEM-EDS儀器使用聚焦的窄電子束逐點掃描再生骨料樣本，電子束與再生骨料表面的相互作用會產生特征X射線、背散射電子和二次電子信號等物理信號。通過物理信號的采集、放大和處理后投影成像實現微觀結構和元素分析，其中微觀結構形貌表征主要依靠二次電子信號，化學元素可以通過特征X射線確定。通過SEM技術觀察再生骨料的微觀結構形貌，如圖2所示。SEM圖像顯示再生骨料形狀不規則，邊緣粗糙，表面有一些微孔和團聚。從圖3中的EDS分析結果也可以發現，再生骨料中含有大量的氧、硅、鋁、鈣、碳、鐵、鎂等元素，不同檢測區域的EDS結果略有波動。由于氧元素含量高，再生骨料中有許多氧化物形式，可以為水泥穩定碎石基層材料提供一些潛在的活性。因此，多孔再生骨料的表面微觀結構形態和高氧化物是造成較高吸水率和破碎值的原因。

采用X射線衍射（XRD）技術分析再生骨料的礦物成分。再生骨料的組成、內部原子或分子結構形貌可以從XRD圖譜中得到。將10 g粒度＜0.015 mm的再生骨料粉末過篩、干燥后，研磨成粒度＜300目的粉末進行XRD掃描。圖4顯示了基于XRD的再生骨料礦物成分結果。從XRD圖中可以看出，有一些代表石英無機晶相的強峰，少量代表長石晶相的弱峰，XRD圖譜中有赤鐵礦，其中石英是主要晶相。根據圖4所示的礦物組成，再生骨料可以提供與水泥水化產物進行后續反應的物質，因而其具有火山灰活性且潛力較大。2 再生骨料水泥穩定碎石力學增強機理分析

參考我國標準JTG/T F20-2015，基于工程經驗確定骨料級配范圍和CSM級配曲線，根據我國標準JTG E51-2009中的C級重型壓實試驗方法（T0804-1994），將骨料和水泥充分混合后，分三層倒入圓柱形壓實機中且每層擊實98次，制備圓柱形試件。本研究使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，其成分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鋁酸鐵四鈣等。水泥中成分與水接觸后會在水泥穩定碎石基層試件內部立即發生水化反應，水化反應速度不同，并有水化熱，隨著水化時間的延長，生成水化產物即氫氧化鈣。此外，根據圖3的 EDS譜圖，再生骨料鈣離子含量較高，因此，再生骨料水泥穩定碎石基層材料浸泡液中的二價陽離子主要來自水泥和再生骨料這伴兩種來源。由于水泥用量相同，水化產物中的二價陽離

子對于所有水泥穩定碎石基層材料來說都是相同的，而再生骨料提供的二價陽離子與再生骨料取代率呈正相關。同時，再生骨料中的火山灰物質不斷與水化產物反應生成不溶于水的水化硅酸鈣（C-S-H），降低了二價陽離子的濃度。乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2Na）是一種具有六個配位原子的螯合劑，由于螯合作用，它可以與金屬離子結合生成具有環狀結構的絡合物。EDTA滴定法作為檢測再生骨料水泥穩定碎石基層材料膠結料含量的有效手段，得到了廣泛應用，是一種測試再生骨料火山灰活性和膠結料對火山灰活性激發效應的化學檢測方法。通常會有二價和三價陽離子的干擾，可以加入掩蔽劑消除影響。根據我國標準JTG E51-2009的T0809-2009方法，EDTA滴定法用于不同再生骨料替代率的水泥穩定碎石基層材料測試，如圖5（a）所示。加入EDTA-2Na溶液捕獲二價陽離子，溶液顏色由玫瑰色變為純藍色。EDTA-2Na溶液的消耗量與二價陽離子呈正相關。在圖5（b）中，含有火山灰活性的再生骨料水泥穩定碎石基層材料內部反應緩慢，二價陽離子的消耗主要發生在后期。圖5（b）結果可以證明再生骨料的火山灰特性，并且火山灰反應速率慢于水化反應速率。火山灰反應將形成晶體結構，其內部膠結成一個整體并增強界面過渡區，從化學反應的角度解釋了再生骨料對水泥穩定碎石基層材料強度的積極影響。

3 基于浸出毒性的再生骨料水泥穩定碎石環境影響研究

再生骨料是一種固體廢棄物，除C、O、Si、Fe、Al、Ca、Mg和Na等主要元素外，還可能含有Zn、Cu、Cr、Cd、Ni、Pb、As等有害微量元素。這些有害的微量重金屬元素可能會從再生骨料水泥穩定碎石半剛性基層中滲漏出來，對周圍環境造成潛在威脅。再生骨料是否污染環境是再生骨料在路基上應用的關鍵前提。摻入再生骨料的水泥穩定碎石沒有發生劇烈的化學反應，針對再生骨料制備的水泥穩定碎石試樣，需要進行重金屬元素的浸出毒性檢測。再生骨料水泥穩定碎石基層材料經過7 d養生后的過濾浸出液中重金屬元素的浸出毒性測試結果見表1。

由表1可知，盡管重金屬元素浸出毒性的濃度隨著再生骨料替代率的增加有明顯增加的趨勢，但參照表2我國標準GB 5085.3-2007，幾種重金屬元素的浸出濃度遠低于浸出毒性鑒定的閾值。同時，對照我國標準GB 3838-2002和GB/T 14848-2017中的地表水和地下水水質標準，再生骨料替代率為0～20%的水泥穩定碎石基層材料重金屬元素浸出濃度可滿足地表水和地下水一級標準要求。總體上，地下水水質標準比地表水水質標準嚴格，其中滿足Ⅰ、Ⅱ類地下水應用范圍較廣，Ⅲ類地下水可作為集中飲用水與工農業生產用水。不同再生骨料替代率下水泥穩定碎石基層材料的重金屬元素浸出濃度均符合Ⅲ類地下水標準。這是因為：（1）水泥的水化產物（C-S-H）可以達到納米級，并且由于其物理包裹和凝固，一些重金屬離子可以固定在水泥穩定碎石基層材料內部；（2）由于水化產物（C-S-H）的比表面積大，重金屬離子也可以被吸收；（3）由于化學反應和離子置換，一些重金屬離子也會被固定在水泥穩定碎石基層材料中，進一步降低其濃度。實際上，有毒重金屬元素的浸出一般是一個緩慢的過程，可見將再生骨料內有毒重金屬元素固定在水泥穩定碎石基層材料中更為可靠。因此，以建筑垃圾為原料的再生骨料制備而成的水泥穩定碎石基層材料不會對環境造成二次污染，可直接投入工程應用。

4 結語

基于廢棄混凝土和建筑垃圾用于再生骨料，本文探討了再生骨料對水泥穩定碎石基層力學性能的增強機理，并對其浸出毒性及環境影響進行了評價，可以得出以下結論：

（1）基于掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）與X射線衍射（XRD）技術，再生骨料表面多孔微觀結構形態和高氧化物是造成其較高吸水率和破碎值的主要原因，可以提供與水化產物反應的成分，具有火山灰反應和膠凝活性的潛力。

（2）基于EDTA滴定法，具有火山灰活性的再生骨料使得水泥穩定碎石基層材料內部反應緩慢，二價陽離子的消耗主要發生在后期。火山灰反應將形成晶體結構，膠結成一個整體并增強界面過渡區，對水泥穩定碎石基層后期強度具有積極影響。

（3）基于重金屬元素的浸出毒性檢測，隨著再生骨料替代率的增加，再生骨料水泥穩定碎石基層材料的浸出毒性重金屬元素的濃度逐漸增加，但其濃度遠低于浸出毒性鑒定的閾值，也符合我國標準對地表水和地下水的要求。

綜上所述，再生骨料水泥穩定碎石基層能夠持續提高其后期力學性能，但在工程實施中應充分考慮其浸出毒性對環境的影響，并進行相應的環境評價和管理措施，以確保工程的可持續發展和環境安全。

參考文獻

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收稿日期：2023-06-30