黃法禮 程歡 李化建 易忠來(lái) 王振 楊志強(qiáng)

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部， 北京 100081

我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)面臨廢棄混凝土處理難與工程建設(shè)用骨料資源短缺的矛盾。一方面，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，廢棄混凝土數(shù)量逐年攀升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)廢棄混凝土年產(chǎn)量已超過(guò)10 億噸，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。另一方面，當(dāng)前我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用砂石骨料年需求量超過(guò)200 億噸，可開(kāi)采利用的天然河砂銳減。作為機(jī)制砂、碎石主要料源的礦山的開(kāi)采也受到嚴(yán)格限制。將廢棄混凝土制備成再生骨料，不僅可以解決堆存或填埋造成的環(huán)境污染問(wèn)題，還可以緩解當(dāng)前建筑材料資源短缺壓力。

再生砂是指由建（構(gòu)）筑廢棄物中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等加工而成，用于配制混凝土和砂漿的粒徑不大于4.75 mm 的顆粒［1］。當(dāng)前，既有研究［2-4］和工程實(shí)踐均表明再生粗骨料用于水泥混凝土具備可行性，而再生砂顆粒級(jí)配差，吸水率高，組分復(fù)雜，嚴(yán)重影響水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)、施工性能調(diào)控及硬化體力學(xué)性能和耐久性能，導(dǎo)致再生砂尚未在水泥混凝土中得到廣泛應(yīng)用［5-6］。

鐵路、公路等交通設(shè)施作為我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，在新建、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、線路改造、擴(kuò)建及拆除等過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生大量廢棄混凝土。與普通民用建筑工程廢棄混凝土相比，鐵路、公路工程廢棄混凝土具有強(qiáng)度等級(jí)高、清潔性好等優(yōu)點(diǎn)［7-9］?；诖?，本文收集不同來(lái)源、不同強(qiáng)度等級(jí)六種鐵路、公路工程廢棄混凝土制備再生砂，系統(tǒng)研究其顆粒級(jí)配、吸水率、堅(jiān)固性、有害物質(zhì)含量等基本參數(shù)，以期為再生砂的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

六種廢棄混凝土生產(chǎn)的再生砂基本信息見(jiàn)表1。

表1 再生砂基本信息

再生砂的顆粒級(jí)配見(jiàn)圖1。可知：六種再生砂0.315、0.63、2.36 mm 篩的分計(jì)篩余分別為4% ～ 16%、12% ～ 17%、25% ～ 38%，GB/ T 14684—2022《建設(shè)用砂》中對(duì)0.315、0.63、2.36 mm 篩的分計(jì)篩余要求分別為20% ～ 30%、20% ～ 31%和10% ～ 15%。0.315、0.63 mm篩的分計(jì)篩余比規(guī)范要求低，而2.36 mm 篩的分計(jì)篩余又比規(guī)范要求高。再生砂整體累計(jì)篩余不滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》要求。采用反擊式破碎機(jī)生產(chǎn)的三種再生砂（T1、T2、T3）顆粒級(jí)配相近，采用顎式破碎機(jī) + 反擊式破碎機(jī)生產(chǎn)的三種再生砂（G1、G2、G3）顆粒級(jí)配相近，可見(jiàn)再生砂顆粒級(jí)配主要與破碎設(shè)備和破碎工藝有關(guān)，料源的性能指標(biāo)對(duì)其影響不明顯。

圖1 再生砂顆粒級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方法

飽和面干吸水率：篩出T1、T2、T3 三種再生砂中粒徑小于75 μm 的顆粒（微粉），再把微粉分別按0、3%、5%、7%、10%、15%、20%的比例摻入篩余物中，然后按照GB/ T 14684—2022 測(cè)試再生砂飽和面干吸水率。

堅(jiān)固性、壓碎指標(biāo)和有害物質(zhì)含量測(cè)試按照GB/ T 14684—2022中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 飽和面干吸水率

骨料吸水率是指導(dǎo)混凝土配合比設(shè)計(jì)中用水量的關(guān)鍵參數(shù)［10］?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中多采用試模法測(cè)試砂的吸水率。本次試驗(yàn)微粉含量0 ～ 20%的再生砂均可達(dá)到GB/ T 14684—2022 試模法所要求的飽和面干狀態(tài)（錐形），見(jiàn)表2（僅陳列T1、T2、T3三種）。

表2 不同微粉含量再生砂飽和面干狀態(tài)

六種再生砂飽和面干吸水率見(jiàn)圖2、圖3?？芍孩匐S微粉含量增大，T1、T2、T3三種再生砂飽和面干吸水率均呈降低趨勢(shì)。與通常認(rèn)為的隨微粉含量增加，再生砂粒徑降低，比表面積增大，吸水率上升這個(gè)規(guī)律相反［11］。②六種再生砂不含微粉時(shí)，飽和面干吸水率在3.8% ～ 7.6%，是TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中細(xì)骨料飽和面干吸水率限值（2%）的1.9 ～ 3.8 倍。③微粉含量小于等于7%時(shí)再生砂飽和面干吸水率降幅較緩，微粉含量大于7%時(shí)再生砂飽和面干吸水率降幅明顯增大。微粉含量20%時(shí)，T1 和T2 兩種再生砂飽和面干吸水率降至0.8%，可見(jiàn)此時(shí)再生砂飽和面干吸水率測(cè)試結(jié)果可靠性低，且微粉含量越高，再生砂飽和面干吸水率偏差越大。

圖2 不同微粉含量再生砂飽和面干吸水率

圖3 不含微粉時(shí)六種再生砂吸水率

再生砂達(dá)到飽和面干狀態(tài)是顆粒間支持力、摩擦力等與其自身重力相平衡的結(jié)果。自身重力相對(duì)較大的大顆粒是影響再生砂維持飽和面干狀態(tài)的主要不穩(wěn)定因素。大顆粒通常散落于錐體下方，小顆粒組成錐尖部分。隨著微粉含量增大，大顆粒數(shù)量相對(duì)減少，較低的水分即可維持小顆粒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，微粉顆粒表面粗糙，隨著微粉含量增大再生砂顆粒間的摩擦力增大，也在一定程度上促進(jìn)再生砂達(dá)到飽和面干狀態(tài)，最終導(dǎo)致測(cè)得的再生砂吸水率嚴(yán)重偏離真實(shí)值。因此，飽和面干吸水率不宜用于評(píng)價(jià)高微粉含量再生砂的干濕狀態(tài)。

2.2 再生砂堅(jiān)固性

再生砂堅(jiān)固性采用硫酸鈉溶液法和壓碎指標(biāo)法兩種方法測(cè)試。兩種方法分別測(cè)試再生砂抵抗化學(xué)、物理破壞的能力。測(cè)試結(jié)果分別為質(zhì)量損失率和壓碎指標(biāo)。質(zhì)量損失率和壓碎指標(biāo)越小，再生砂抵抗物理和化學(xué)破壞的能力越強(qiáng)，耐久性能就越好。

采用硫酸鈉溶液法測(cè)試六種再生砂的質(zhì)量損失率，結(jié)果見(jiàn)圖4?？芍?，六種再生砂質(zhì)量損失率相差不大，均滿足GB/ T 25176—2010 中Ⅰ類再生細(xì)骨料中質(zhì)量損失率不大于8%的要求，說(shuō)明再生砂抵抗內(nèi)部結(jié)晶等化學(xué)因素破壞的能力較優(yōu)。再生砂在生產(chǎn)過(guò)程中受到?jīng)_擊、碾壓等破碎荷載時(shí)，顆粒表面和內(nèi)部容易產(chǎn)生裂縫等缺陷。再生砂浸泡于硫酸鈉溶液中時(shí)，硫酸鈉進(jìn)入再生砂中逐漸結(jié)晶膨脹，在膨脹壓力作用下再生砂發(fā)生破壞，造成一定的質(zhì)量損失。再生砂內(nèi)部裂紋、骨料與附著漿體的界面、孔隙等部位可釋放一定的膨脹應(yīng)力，因此再生砂具有良好的抗硫酸鹽侵蝕能力。

圖4 硫酸鈉溶液法測(cè)試結(jié)果

再生砂壓碎指標(biāo)見(jiàn)圖5?？芍簤核橹笜?biāo)總體上隨混凝土強(qiáng)度增大而降低。軌枕、管片強(qiáng)度等級(jí)較高的廢棄混凝土制備的再生砂（T3、G3）壓碎指標(biāo)明顯低于其他類型再生砂。這是因?yàn)殡S混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，再生砂砂漿和骨料界面結(jié)合得更緊密，制備的再生砂中界面過(guò)渡區(qū)硬度增加，抵抗破壞的能力增強(qiáng)。僅路面板、管片和軌枕廢棄混凝土制備的再生砂（G2、G3、T3）滿足GB/ T 25176—2010 中Ⅰ類砂壓碎指標(biāo)不大于20%的要求，表明再生砂抵抗外部荷載等物理破壞的能力較差。

圖5 再生砂壓碎指標(biāo)

從硫酸鈉溶液法測(cè)試結(jié)果來(lái)看，六種再生砂堅(jiān)固性均滿足GB/ T 25176—2010 中Ⅰ類再生細(xì)骨料的要求，可從壓碎指標(biāo)法測(cè)試結(jié)果來(lái)看，只有路面板、管片和軌枕廢棄混凝土制備的再生砂（G2、T3、G3）滿足Ⅰ類再生細(xì)骨料的要求。兩者不一致的原因是：與硫酸鈉溶液法相比，壓碎指標(biāo)法測(cè)試過(guò)程中對(duì)再生砂施加的應(yīng)力更大，且加載方式直接、快速，超過(guò)再生砂自身孔隙、界面過(guò)渡區(qū)等部位承受應(yīng)力的能力。

2.3 再生砂有害物質(zhì)含量

六種再生砂中有害物質(zhì)含量（按質(zhì)量計(jì)）測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3?？芍孩倭N再生砂有害物質(zhì)含量均小于限值，滿足GB/ T 25176—2010 的要求。②軌枕、管片強(qiáng)度等級(jí)較高廢棄混凝土制備的再生砂（T3、G3）中硫化物及硫酸鹽含量比其他再生砂高。這是由于軌枕、管片強(qiáng)度等級(jí)較高廢棄混凝土膠凝材料用量大，水膠比低，膠凝材料水化程度較低，殘余的硫酸根離子較多。③采用路面板混凝土制備出的再生砂（G2）中氯化物含量比其他再生砂高。這是因?yàn)槁访姘寤炷猎诜圻^(guò)程中會(huì)受到除冰鹽的影響。這說(shuō)明廢棄混凝土再生砂有害物質(zhì)含量與廢棄混凝土配合比和服役環(huán)境密切相關(guān)。為避免廢棄混凝土有害物質(zhì)含量超標(biāo)，回收利用廢棄混凝土?xí)r，應(yīng)根據(jù)其設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)和服役環(huán)境合理分類。

表3 再生砂有害物質(zhì)含量測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

1）本次試驗(yàn)不同微粉含量的再生砂均可達(dá)到試模法要求的飽和面干狀態(tài)，但再生砂表面粗糙、微粉含量高，會(huì)造成再生砂顆粒間摩擦力大，影響吸水率測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此采用試模法測(cè)試再生砂飽和面干吸水率時(shí)其微粉含量不宜過(guò)高。

2）從硫酸鈉溶液法測(cè)試結(jié)果來(lái)看，六種再生砂堅(jiān)固性均滿足GB/ T 25176—2010 中Ⅰ類再生細(xì)骨料的要求，可從壓碎指標(biāo)法測(cè)試結(jié)果來(lái)看，只有路面板、管片和軌枕廢棄混凝土制備的再生砂（G2、T3、G3）滿足Ⅰ類再生細(xì)骨料的要求。兩者不一致的原因是：與硫酸鈉溶液法相比，壓碎指標(biāo)法測(cè)試過(guò)程中對(duì)再生砂施加的應(yīng)力更大，且加載方式直接、快速，超過(guò)再生砂自身孔隙、界面過(guò)渡區(qū)等部位承受應(yīng)力的能力。

3）六種再生砂有害物質(zhì)含量均小于限值，滿足GB/ T 25176—2010 要求。再生砂中有害物質(zhì)含量與廢棄混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)和服役環(huán)境密切相關(guān)。為避免廢棄混凝土有害物質(zhì)含量超標(biāo)，回收利用廢棄混凝土?xí)r，應(yīng)根據(jù)其設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)和服役環(huán)境合理分類。