周芬 張力 杜運興

摘 ? 要：磚粉碎料的含量影響水泥穩(wěn)定再生集料的力學性能. 本文采用試驗研究了水泥含量、磚粉碎料摻量和養(yǎng)護齡期對水泥穩(wěn)定再生集料力學性能的影響，建立了這3種因素與無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量和抗凍性能的關系.試驗結(jié)果表明，隨著磚粉碎料摻量的減少，水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度增大，其最佳含水量減小;隨著水泥含量的減少，水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度減小，其最佳含水量基本不變;不同齡期水泥穩(wěn)定再生集料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量和抗凍性能都隨著磚粉碎料摻量的增加而降低，隨著水泥含量的增加而增加;以水泥含量和磚粉碎料摻量為變量建立了含磚粉碎料水泥穩(wěn)定再生集料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量計算公式.

關鍵詞：建筑垃圾;磚粉碎料;再生集料;水泥穩(wěn)定基層;力學性能

中圖分類號：U416.26 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract：The content of crushed brick affects the mechanical properties of cement stabilized recycled aggregates. The effects of cement content，crushed brick content and curing time on the mechanical properties of cement stabilized recycled aggregates were studied through tests in this paper. The relationships between the three variables and unconfined compressive strength，splitting strength，compressive resilient modulus and the frost resistance were established. The results show that，with the decreasing content of crushed brick，the maximum dry density of cement stabilized recycled aggregates increases，but the optimal moisture content decreases;the decrese of the cement content reduces the maximum dry density of cement stabilized recycled aggregates，but the optimal moisture content remains the same in general. The unconfined compressive strength，splitting strength，compressive resilient modulus and frost resistance of cement stabilized recycled aggregates decrease with the increase of crushed brick content，and go up with the increase of cement content for various curing time. Taking the contents of cement and crushed brick as variables，the calculation formulas of the unconfined compressive strength，splitting strength and compressive resilient modulus of cement stabilized recycled aggregate with crushed brick were established.

Key words：construction and demolition waste;crushed brick;recycled aggregates;cement stabilized base ;mechanical properties

城市改造的過程中會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，這些建筑垃圾隨意堆放不僅會占用大量的土地，還會對環(huán)境造成污染[1]. 解決建筑垃圾危害的根本途徑是對建筑垃圾進行處理使其資源化.由于建筑垃圾成分復雜，各類成分資源化的用途也不相同，實現(xiàn)建筑垃圾資源化的前提是對各成分進行分離.建筑垃圾中的金屬、木材、管線較容易實現(xiàn)分離，而建筑垃圾中含量最多的混凝土和砌體較難分離.目前雖有技術可實現(xiàn)砌體和混凝土的分離[2]，但效率低、成本高，這樣的技術難以推廣. 因此，高效利用混凝土和砌體混合料對于實現(xiàn)建筑垃圾資源化有重要的意義.目前，許多學者對于這種材料粉碎料的應用進行了卓有成效的研究. 其中，將混凝土、砌體混合粉碎料用于道路中的水泥穩(wěn)定碎石是一種可行、合理資源化的途徑.

水泥穩(wěn)定碎石是一種半剛性基層，它可以有效地承擔和傳遞上部路面荷載，該基層在道路結(jié)構(gòu)中被廣泛應用[3]. Xuan等[4]將建筑垃圾作為集料應用于水泥穩(wěn)定碎石，并研究了各混合變量對水泥穩(wěn)定碎石的影響，認為建筑垃圾作為水泥穩(wěn)定碎石基層可以獲得良好的力學性能. Hou等[5]將磚粉碎料與天然集料混合用于水泥穩(wěn)定碎石并進行了研究，結(jié)果表明磚粉碎料可以用于水泥穩(wěn)定碎石中. Bassani等[6]比較了水泥窯灰穩(wěn)定再生集料和普通水泥穩(wěn)定再生集料的性能，結(jié)果表明，水泥窯灰穩(wěn)定再生集料的強度和剛度得到了提高，可完全用于水泥穩(wěn)定基層. 孫家瑛等[7]將再生混凝土集料應用于水泥穩(wěn)定基層，試驗結(jié)果表明水泥穩(wěn)定再生混凝土集料的各項性能均可達到規(guī)范要求. 曾夢瀾[8]和肖杰等[9]用磚混混合再生集料代替天然集料，胡立群等[10]用廢棄磚塊分別代替天然的粗、細集料，測試了再生集料用作水泥穩(wěn)定基層的路用性能，研究結(jié)果表明再生集料用于道路基層是可行的. 由于再生集料中含有磚粉碎料，磚粉碎料的強度一般低于混凝土粉碎料，這樣的再生集料應用于水泥穩(wěn)定碎石基層無疑影響其力學性能，而目前國內(nèi)外也缺乏磚粉碎料的摻量對水泥穩(wěn)定再生集料性能影響的研究.

本文通過試驗研究磚粉碎料摻量、水泥含量和養(yǎng)護齡期對水泥穩(wěn)定再生集料力學性能的影響，為含磚粉碎料的再生集料應用于道路基層提供數(shù)據(jù)支撐.

1 ? 試驗材料和方法

1.1 ? 試驗材料

試驗采用的再生集料分別是磚粉碎料和混凝土粉碎料. 水泥為P. O42.5普通硅酸鹽水泥. 采用《公路工程集料試驗規(guī)程》[11] （JTG E42—2005）所示方法測試了兩種再生集料的物理性能，如表1所示. 兩種再生集料均滿足《道路用建筑垃圾再生骨料無機混合料》[12]（JC/T 2281—2014）中Ⅱ類集料性能指標要求. 從表1可以看出，磚粉碎料粗集料（4.75 mm～31.5 mm）和細集料（0～4.75 mm）的表觀密度均小于混凝土粉碎料，磚粉碎料的吸水率是混凝土粉碎料的2.17倍，主要是由于磚粉碎料的表面具有比混凝土粉碎料更多的孔隙. 磚粉碎料的壓碎值和磨耗值均大于混凝土粉碎料表明磚粉碎料的強度低于混凝土粉碎料，但是兩種集料的物理性能均符合規(guī)范要求. 因此，兩種再生集料可以作為水泥穩(wěn)定碎石的材料.

1.2 ? 混合料設計

本次試驗研究了3個變量對含磚粉碎料水泥穩(wěn)定再生集料力學性能的影響規(guī)律，3個變量分別為：水泥含量、磚粉碎料摻量和養(yǎng)護齡期. 磚粉碎料摻量是指磚粉碎料質(zhì)量占再生集料總質(zhì)量的百分比，試驗工況中磚粉碎料摻量分別為0%、25%、50%、75%和100%.水泥含量是指水泥質(zhì)量占再生集料總質(zhì)量的百分比. 水泥穩(wěn)定碎石基層中，水泥含量一般不超過6%. 試驗工況中水泥含量分別為4%、5%和6%. 在標準養(yǎng)護條件下，試件分別養(yǎng)護7 d、28 d和90 d.

1.3 ? 試件制備

按照《道路用建筑垃圾再生骨料無機混合料》（JC/T 2281—2014）推薦的級配中值配制再生集料的級配，見表2所示. 采用《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）[13]的T 0843-2009方法制作試件，根據(jù)試件的最大干密度和最佳含水量計算各工況的集料質(zhì)量.根據(jù)計算結(jié)果將兩種再生集料按照預定比例配制成混合集料，加入預定水量燜料4 h，使混合集料充分吸收水分. 燜料完成后加入預定水泥，拌和至均勻狀態(tài)，分三層放入直徑為150 mm的試筒中，每層均勻插搗，采用靜壓成型方法將試件制作成直徑為150 mm，高為150 mm的圓柱形試件，試件成型后養(yǎng)護6 h脫模，放入標準養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護至指定齡期后測試其力學性能.

2 ? 試驗結(jié)果與討論

2.1 ? 擊實特性

圖1為水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度和最佳含水量與磚粉碎料摻量的關系，每組擊實試驗的試件數(shù)量為2個.由圖1（a）可知，水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度隨著磚粉碎料摻量的增加而減小，隨著水泥含量的增加而增大.對于各水泥含量工況，100%磚粉碎料摻量的水泥穩(wěn)定再生集料對應的最大干密度比0%磚粉碎料摻量對應的最大干密度下降了9.6%～10.7%.磚粉碎料的孔隙較多，其表觀密度比混凝土粉碎料小是導致水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度隨著磚粉碎料摻量的增加而減小的主要原因.水泥含量的增加產(chǎn)生了更多的水化產(chǎn)物，增強了集料界面之間的黏結(jié)，減小了集料之間的孔隙，從而增大了其最大干密度.

由圖1（b）可知，對于各水泥含量工況，100%磚粉碎料摻量的水泥穩(wěn)定再生集料對應的最佳含水量是0%磚粉碎料摻量對應的1.35～1.39倍，主要原因是磚粉碎料的吸水率大于混凝土粉碎料.隨著水泥含量的增加，水泥穩(wěn)定再生集料的最佳含水量基本不變.主要是由于在擊實過程中，由于再生集料強度低而發(fā)生了破碎，再生集料孔隙中的自由水會參與水泥水化作用.

2.2 ? 無側(cè)限抗壓強度

圖2（a）為水泥穩(wěn)定再生集料7 d、28 d、90 d的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，每組無側(cè)限抗壓強度試驗的試件數(shù)量為13個.水泥穩(wěn)定再生集料的無側(cè)限抗壓強度隨著磚粉碎料摻量的增加而減小，隨著水泥含量的增加而增大. 從兩種再生集料的壓碎值和磨耗值可以看出，磚粉碎料的強度低于混凝土粉碎料，在水泥穩(wěn)定再生集料受壓時，磚粉碎料比混凝土粉碎料更容易發(fā)生破壞，因此隨著磚粉碎料摻量的增加，水泥穩(wěn)定再生集料的無側(cè)限抗壓強度會隨之降低.水泥含量的增加增強了水泥水化物的強度，在受壓時能夠更好地承擔和分散集料之間的作用力，因此隨著水泥含量的增加，無側(cè)限抗壓強度隨之增加.

在不同齡期下考慮水泥含量和磚粉碎料摻量對水泥穩(wěn)定再生集料無側(cè)限抗壓強度的影響，對其進行回歸擬合，得出如下計算公式：

對比 7 d、28 d強度計算公式中水泥含量和磚粉碎料摻量對應的系數(shù)可知，水泥含量的系數(shù)變化大于磚粉碎料摻量系數(shù)變化，表明此時水泥水化所產(chǎn)生的強度是水泥穩(wěn)定再生集料前期強度增加的主要因素;對比28 d和90 d強度計算公式中水泥含量和磚粉碎料摻量對應的系數(shù)可知，磚粉碎料摻量的系數(shù)變化大于水泥含量系數(shù)變化，表明養(yǎng)護后期水泥穩(wěn)定再生集料抗壓強度主要受磚粉碎料摻量的影響.

根據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》[14]（JTG D50—2017）規(guī)定，水泥穩(wěn)定再生集料的最低強度滿足二級公路中等、輕交通基層對應的7 d無側(cè)限抗壓強度要求.

2.3 ? 劈裂強度

劈裂強度方法采用《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）的T 0806—1994方法，劈裂試件為直徑150 mm、高150 mm的圓柱形試件，每組劈裂強度試驗的試件數(shù)量為13個.圖3（a）為水泥穩(wěn)定再生集料7 d、28 d、90 d的劈裂強度試驗結(jié)果.結(jié)果表明，100%磚粉碎料摻量對應的水泥穩(wěn)定再生集料90 d劈裂強度比0%磚粉碎料摻量對應的水泥穩(wěn)定再生集料90 d劈裂強度減小了15.2%～17.5%;水泥含量為6%時的水泥穩(wěn)定再生集料90 d劈裂強度比水泥含量為4%時增加了21.3%～28.3%.

對于不同齡期，分析水泥含量和磚粉碎料摻量對水泥穩(wěn)定再生集料劈裂強度的影響，針對這些因素進行回歸擬合，得出如下計算公式：

對比7 d和28 d劈裂強度計算公式中水泥含量和磚粉碎料摻量對應的系數(shù)，可以得到：養(yǎng)護前期，水泥穩(wěn)定再生集料的劈裂強度主要受水泥水化后產(chǎn)生的強度和集料強度兩者共同影響;對比28 d和90 d劈裂強度可以得到：在養(yǎng)護后期，水泥含量和磚粉碎料摻量對水泥穩(wěn)定再生集料的劈裂影響都會減弱.劈裂破壞反映的是拉伸破壞，在劈裂試驗期間，裂縫發(fā)展于集料界面之間，由于再生細集料具有一定活性，在一定程度上提升了界面之間的黏結(jié)能力.而且，再生粗集料含有的孔隙率多，在拌和過程中，水泥漿能夠更容易進入到再生粗集料的孔隙中.因此，此時除了集料自身強度性能外，集料與集料之間的強度也是影響其劈裂強度的主要因素.

對比計算公式中7 d和28 d抗壓回彈模量水泥含量和磚粉碎料摻量對應的系數(shù)，可以得到：在養(yǎng)護前期，與劈裂強度趨勢相同，水泥含量和磚粉碎料摻量都是水泥穩(wěn)定再生集料抗壓回彈模量變化的主要影響因素;對比28 d和90 d抗壓回彈模量可以得到：在養(yǎng)護后期，水泥含量的影響降低，是由于水泥水化基本完成，回彈模量主要由集料決定.

由圖6可知，水泥穩(wěn)定再生集料的抗凍性能隨著磚粉碎料摻量的增加而降低，隨著水泥含量的增加而增強. 當水泥含量增加時，水泥穩(wěn)定再生集料的抗凍指數(shù)的下降幅度逐漸減少，說明磚粉碎料摻量對水泥穩(wěn)定再生集料抗凍性能的影響隨著水泥含量的增加而減小.

當再生集料吸水后，在低溫條件下孔隙中的自由水會由于凍脹而對集料產(chǎn)生附加內(nèi)應力.凍融條件下，所產(chǎn)生的附加內(nèi)應力會對集料產(chǎn)生反復的擠壓，最終使集料發(fā)生破壞而降低了集料強度，從而使水泥穩(wěn)定再生集料的強度發(fā)生下降.

磚粉碎料的吸水率大，孔隙較多.隨著磚粉碎料摻量的增加，其內(nèi)部由于水凍脹產(chǎn)生的附加內(nèi)應力對低強度的磚粉碎料產(chǎn)生更大的破壞.破壞后的磚粉碎料一部分會隨著融化之后的水流失，造成孔隙進一步增加，從而導致了水泥穩(wěn)定再生集料抗凍性能的下降，所以其抗凍指數(shù)也會隨之下降.而隨著水泥含量的增加，水泥水化增加了界面之間的強度，減少了試件界面之間的空隙，因此抗凍指數(shù)會隨之增大.

3 ? 結(jié) ? 論

本文以磚粉碎料和混凝土粉碎料為原料，研究了水泥含量、磚粉碎料摻量和養(yǎng)護齡期對含磚粉碎料的水泥穩(wěn)定再生集料的影響，主要結(jié)論如下：

1）磚粉碎料摻量的增加和水泥含量的減少均導致了水泥穩(wěn)定再生集料最大干密度的減小.當水泥含量相同時，隨著磚粉碎料摻量從0%增加至100%，水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度下降了9.6%～10.72%.

2）磚粉碎料摻量的增加導致了水泥穩(wěn)定再生集料最佳含水量的增大.在水泥含量相同時，磚粉碎料摻量為100%時的水泥穩(wěn)定再生集料最佳含水量是磚粉碎料摻量為0%時的1.35～1.39倍;而隨著水泥含量的增加其最佳含水量基本不變.

3）各齡期水泥穩(wěn)定再生集料的無側(cè)限抗壓強

度、劈裂強度和抗壓回彈模量都隨著磚粉碎料摻量的增加而降低，隨著水泥含量的增加而增加.

4）水泥含量增加時，磚粉碎料對水泥穩(wěn)定再生集料抗凍性能的影響減小.

5）在考慮水泥含量和磚粉碎料摻量的條件下，

建立了7 d、28 d和90 d水泥穩(wěn)定再生集料無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量的計算公式.

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