郭立成，任 晃，曾國東，何禹忠，吳超凡，方 楊，韓慶奎，蔣岳樓

(1.佛山市路橋建設(shè)有限公司，佛山 528000；2.湖南云中再生科技股份有限公司，長沙 410000；3.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，長沙 410000；4.佛山市交通科技有限公司，佛山 528000)

0 引 言

水泥混凝土路面具有強度高、剛度大、耐久性能好等優(yōu)點，但在交通荷載及外界環(huán)境的影響下容易出現(xiàn)各種病害，在對水泥混凝土路面進行破除改造的同時，將產(chǎn)生大量的廢舊水泥混凝土。廢舊混凝土通常采用就地露天堆放和填埋的處理方式，這不僅占用大量土地，還造成水、土、大氣綜合污染。

因此，對于廢舊水泥混凝土板的資源化利用已成為亟待解決的一大難題，也是國內(nèi)外研究的熱點。許多專家學(xué)者對此做出了大量的理論及試驗研究，其中較為常規(guī)的處置方法是將廢舊的水泥混凝土路面板破碎、篩分形成不同粒徑的再生集料，將再生集料用于水泥混凝土作為路面結(jié)構(gòu)[1-4]或其他構(gòu)件[5-7]，研究其路用性能及耐久性能，或?qū)⒃偕嫌糜谒喾€(wěn)定類材料作為基層[8-10]或底基層[11-13]。關(guān)于水泥穩(wěn)定再生集料混合料性能方面，Pérez等[14]基于實際應(yīng)用的道路基礎(chǔ)建設(shè)，得出再生骨料建造的截面有效性與使用天然骨料建造的截面相似。高啟聚等[15-16]將再生集料與非再生集料的技術(shù)指標(biāo)和水泥穩(wěn)定基層混合料的路用性能對比，結(jié)果表明，再生集料的技術(shù)指標(biāo)能夠滿足規(guī)范的技術(shù)要求，水泥穩(wěn)定再生集料具有良好的路用性能。同時，還對廢棄路面水泥混凝土的再生利用進行了相關(guān)試驗研究。紀(jì)小平等[17]通過研究再生集料的不同摻量對水泥穩(wěn)定再生混合料的路用性能變化規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明，再生集料存在一定的未水化水泥顆粒和活性物質(zhì)，能發(fā)生水化和火山灰反應(yīng)，對試件的早期強度有改善作用。吳志剛等[18]通過研究普通再生集料和球磨再生集料，得出水泥穩(wěn)定再生集料的干燥收縮率是評價結(jié)合料耐久性的重要指標(biāo)。

目前在不同廢舊混凝土強度與再生集料及水泥穩(wěn)定再生集料混合料性能之間的關(guān)系還鮮有研究。本文在研究不同廢舊混凝土強度再生集料性能基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)行規(guī)范系統(tǒng)研究了不同強度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生集料混合料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量、抗沖刷及干縮試驗性能，探討廢舊混凝土強度對水泥穩(wěn)定再生材料性能的影響，為不同強度廢舊混凝土再生集料的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 廢舊混凝土強度

“十三五”期間對佛山一環(huán)進行西拓戰(zhàn)略建設(shè)，項目分為節(jié)點改造(含新建公路)和舊路改造兩個部分。主要利用現(xiàn)有道路，通過節(jié)點改造、新建等形式對部分破損嚴(yán)重的舊水泥混凝土路面(包括原水穩(wěn)層)與部分舊橋梁結(jié)構(gòu)進行破除處置。該工程將產(chǎn)生大量廢舊橋梁、路面混凝土，其中現(xiàn)有道路、橋梁的設(shè)計使用年限分別為15年和50年。

為了確定廢舊橋梁中的T梁、立柱及廢舊路面混凝土的強度大小，在結(jié)構(gòu)拆除前分別對不同部位進行鉆芯測試，并對3種結(jié)構(gòu)的強度進行大致推算。在鉆芯取樣、芯樣抗壓強度試驗、芯樣強度計算及混凝土強度推定中，嚴(yán)格按照《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 384—2016)中的要求執(zhí)行。

混凝土強度的推定值應(yīng)先計算推定區(qū)間，推定區(qū)間的上限值和下限值分別按式(1)、(2)計算，平均值及標(biāo)準(zhǔn)差分別按式(3)、(4)計算。

fcu,e1=fcu,cor,m-k1scu

(1)

fcu,e2=fcu,cor,m-k2scu

(2)

(3)

(4)

式中：fcu,cor,m、fcu,cor,i分別表示芯樣試件混凝土抗壓強度平均值和單個值；fcu,e1、fcu,e2分別表示混凝土抗壓強度推定上限值和下限值；k1、k2分別表示推定區(qū)間上限值系數(shù)和下限值系數(shù)；scu表示芯樣試件抗壓強度樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。

由式(1)～(4)并結(jié)合結(jié)構(gòu)鉆芯取樣抗壓強度試驗，得出廢舊橋梁T梁、立柱及路面混凝土強度的推定值，分別為25.8 MPa、37.4 MPa、58.1 MPa。

2 原材料性質(zhì)

廢舊混凝土再生集料分為0～4.75 mm、4.75～9.50 mm、9.50～19.00 mm、19.00～31.50 mm四種不同的粒徑，為了保障再生集料的均一性，將3種不同強度廢舊混凝土分別用同一臺破碎機和同一套規(guī)格的篩網(wǎng)進行破碎篩分。按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)相關(guān)試驗方法，分別進行了3種再生粗、細集料的性能試驗，詳見表1、表2(其中%為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

表1 粗集料性能Table 1 Properties of coarse aggregate

表2 細集料性能Table 2 Properties of fine aggregate

由表1和表2可知，混凝土強度增加，再生集料各檔的吸水率略微有所減小，而相對表觀密度小幅增加，但路面混凝土再生集料的最大吸水率仍達到了7.07%，相對表觀密度最大達到了2.710 g·cm-3，說明再生集料的吸水率和相對表觀密度受強度影響不大。由于再生集料表面本身粗糙且多孔，所以吸水率較一般的天然碎石偏大，相對表觀密度偏低，廢舊混凝土強度的增加對這兩者的影響比較微弱。

廢舊T梁、立柱、路面混凝土再生粗集料的壓碎值分別為27.5%、26.8%、24.7%，廢舊立柱與路面混凝土相對于T梁混凝土來說，再生粗集料壓碎值分別減小了約2.5%、10.2%，針片狀顆粒含量分別減小了約15.7%、43.1%。隨著廢舊混凝土強度增加，壓碎值和針片狀顆粒含量減小的趨勢較為顯著。這是因為廢舊混凝土強度增大，混凝土內(nèi)部孔隙和氣泡都相對較少，結(jié)構(gòu)相對密實，在破碎的過程中不易剝落，且強度較高，不易被壓碎。所以，再生集料的針片狀顆粒含量和壓碎值都在一定程度上有所降低。

隨廢舊混凝土強度增加，再生細集料液限和塑限均呈現(xiàn)減小的趨勢，但塑限指數(shù)則由6.3%增加至7.4%。

3 混合料組成設(shè)計及試驗方案

3.1 級配設(shè)計

3種不同強度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生基層材料級配均采用《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)中5.1.2推薦的水泥穩(wěn)定級配碎石或砂礫推薦級配的骨架密實型級配范圍，并都趨于中值，詳見表3。

表3 水泥穩(wěn)定再生基層材料級配Table 3 Gradation of cement stabilized recycled base material

3.2 最佳含水率及最大干密度測試

水泥穩(wěn)定再生混合料制備水泥劑量為4.5%，最佳含水率和最大干密度根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中的擊實試驗方法來確定。由第1節(jié)可知，廢舊T梁、廢舊立柱、廢舊路面混凝土的強度推定值分別為25.8 MPa、37.4 MPa、58.1 MPa。3種水泥穩(wěn)定再生混合料的含水率及干密度隨廢舊混凝土強度的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 最佳含水率及最大干密度Fig.1 Optimum moisture content and maximum dry density

由圖1可知，廢舊T梁、立柱、路面混凝土水泥穩(wěn)定再生材料的最佳含水率分別為9.4%、8.7%和7.5%，最大干密度分別為2.047 g·cm-3、2.093 g·cm-3和2.188 g·cm-3。立柱相對于T梁混凝土、路面相對于立柱混凝土的最佳含水率分別減小了7.4%、13.8%，最大干密度分別增加了2.2%、4.5%。隨著混凝土強度的增加，水泥穩(wěn)定再生材料的最佳含水率、最大干密度分別呈接近線性減小和增大的趨勢，這表明廢舊混凝土強度對水泥穩(wěn)定再生材料的最佳含水率和最大干密度影響較大。

3.3 試驗方案

為了研究不同強度廢舊混凝土對水泥穩(wěn)定再生材料的力學(xué)性能及耐久性能的影響，根據(jù)擊實試驗方法試驗結(jié)果，采用靜力壓實法成型φ150 mm×150 mm圓柱形試件及100 mm×100 mm×400 mm梁式試件，壓實度均按98%控制，水泥劑量同樣為4.5%，參照規(guī)范JTG E51—2009相關(guān)指標(biāo)控制及試驗要求，分別開展：7 d、28 d、90 d、180 d無側(cè)限抗壓強度試驗；28 d劈裂強度試驗；90 d、180 d抗壓回彈模量試驗；抗沖刷、干縮試驗。

4 結(jié)果與討論

4.1 無側(cè)限抗壓強度

圖2為3種不同強度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料分別在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。

由圖2可知，水泥穩(wěn)定再生混合料的無側(cè)限抗壓強度隨著廢舊混凝土強度的增加而增大，表明在一定范圍內(nèi)選用高強度廢舊混凝土能提高其水泥穩(wěn)定再生混合料的無側(cè)限抗壓強度。廢舊T梁、立柱、路面混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料無側(cè)限抗壓強度在7 d齡期分別為5.55 MPa、6.03 MPa、6.51 MPa，28 d齡期強度分別為6.91 MPa、7.43 MPa、7.99 MPa，180 d齡期強度分別為8.05 MPa、8.76 MPa、9.33 MPa。3種水泥穩(wěn)定再生混合料無側(cè)限抗壓強度在180 d齡期達到最大，廢舊T梁、立柱、路面混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料無側(cè)限抗壓強度在7 d至28 d齡期分別增加了24.5%、23.2%、22.7%，在28 d至180 d齡期分別增加了16.5%、17.9%、16.8%。3種水泥穩(wěn)定再生混合料的無側(cè)限抗壓強度在7 d至28 d齡期內(nèi)強度增長速率均大于28 d至180 d齡期，表明水泥穩(wěn)定再生混合料早期強度增長速率較快，后期強度也在持續(xù)增長，但增長較為緩慢。

圖2 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果Fig.2 Test results of unconfined compressive strength

4.2 劈裂強度

圖3為3種不同強度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料分別在不同齡期下的劈裂強度試驗結(jié)果。

圖3 劈裂強度試驗結(jié)果Fig.3 Test results of splitting strength

由圖3可知，水泥穩(wěn)定再生混合料在不同齡期的劈裂強度隨廢舊混凝土強度增加的變化規(guī)律與無側(cè)限抗壓強度一致，均呈現(xiàn)增大的趨勢。廢舊T梁、立柱、路面混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料劈裂強度在7 d齡期分別為0.41 MPa、0.46 MPa、0.54 MPa,28 d齡期強度分別為0.55 MPa、0.62 MPa、0.73 MPa,90 d齡期強度分別為0.78 MPa、0.89 MPa、1.05 MPa。廢舊T梁、立柱、路面混凝土再生水泥穩(wěn)定混合料劈裂強度在7 d至28 d齡期分別增加了34.1%、34.8%、35.2%，28 d至90 d齡期分別增加了41.8%、41.9%、43.8%。3種水泥穩(wěn)定再生混合料的劈裂強度在7 d至28 d齡期內(nèi)強度增量均小于28 d至90 d齡期。

分析原因：一方面是水泥在齡期內(nèi)的水化作用，使得整體強度增加；另一方面是廢舊混凝土再生集料表面粗糙，且集料與集料界面之間的混凝土還有一定的活性，在經(jīng)加水拌和、制件、養(yǎng)生過程中可能存在二次水化作用，從而在界面之間會產(chǎn)生更多的水泥水化產(chǎn)物，使得界面之間的黏聚力大大增強。隨廢舊混凝土強度增加，再生集料強度也隨之增大，這種黏聚力增大的趨勢表現(xiàn)的更為明顯，所以劈裂強度的增量也略微呈增大的趨勢。

4.3 抗壓回彈模量

圖4為3種不同強度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料分別在28 d和90 d齡期的抗壓回彈模量試驗結(jié)果。

圖4 抗壓回彈模量試驗結(jié)果Fig.4 Test results of compressive resilience modulus

由圖4可知，在不同齡期下，各混合料的抗壓回彈模量隨著廢舊混凝土強度的增加而增大，與無側(cè)限抗壓強度及劈裂強度的變化規(guī)律相似。廢舊T梁、立柱、路面混凝土在28 d齡期下的抗壓回彈模量分別為1 861 MPa、2 219 MPa、2 561 MPa，在90 d齡期下的抗壓回彈模量分別為2 109 MPa、2 540 MPa、2 986 MPa，并且28 d至90 d齡期，抗壓回彈模量分別增加了12.9%、14.5%、16.6%。

4.4 干縮性能

表4為不同強度廢舊混凝土水泥穩(wěn)定再生混合料干縮試驗結(jié)果。

表4 干縮性能試驗結(jié)果Table 4 Dry shrinkage test results

由表4可知：隨著廢舊混凝土強度的增加，干縮系數(shù)由40.36×10-6增加至46.44×10-6，混合料的干縮性能降低；干縮應(yīng)變則從395.5×10-6減小至376.6×10-6，這是因為干縮應(yīng)變與含水量有著密切的聯(lián)系，一般來說，初始含水量越大，相應(yīng)的干縮應(yīng)變也就越大。雖然再生集料的吸水率大，但在試件成型的過程中的含水量大，使得混合料的干縮應(yīng)變和失水率也越大，在單位失水率下的干縮應(yīng)變反而越小，所以干縮系數(shù)減小。

4.5 抗沖刷性能

圖5為不同廢舊混凝土強度水泥穩(wěn)定再生混合料的沖刷試驗結(jié)果。

由圖5可知，隨著廢舊混凝土強度的增加，混合料的沖刷質(zhì)量損失呈現(xiàn)降低的趨勢，由0.20%減小至0.15%。雖然沖刷前后的質(zhì)量損失較高，但抗沖刷能力還是稍有提升。再生集料表面膠結(jié)的混凝土開口孔隙較多，在沖刷試驗作用下表層細集料及混凝土材料容易脫落，但廢舊混凝土強度的增加能在一定程度上彌補這一缺陷，所以抗沖刷性能增強。

圖5 抗沖刷試驗性能結(jié)果Fig.5 Test results of anti-erosion performance

5 結(jié) 論

(1)廢舊混凝土強度增加，再生集料的壓碎值、針片狀顆粒含量、吸水率及塑限指數(shù)減小，相對表觀密度有小幅增加；混合料最佳含水率及最大干密度分別近似的呈線性減小和增大的規(guī)律。

(2)廢舊混凝土強度越高，混合料無側(cè)限抗壓強度也越大，3種混合料7 d至28 d齡期的無側(cè)限抗壓強度的增長速率均高于28 d至180 d齡期。

(3)隨廢舊混凝土強度增加，混合料劈裂強度、抗壓回彈模量在不同齡期下都表現(xiàn)為增大的趨勢。3種混合料7 d至28 d齡期劈裂強度的增量均小于28 d至90 d齡期。

(4)隨廢舊混凝土強度增加，混合料的干縮系數(shù)增加，抗沖刷性能增強。

(5)廢舊路面混凝土更適合于水泥穩(wěn)定再生材料。