水泥路面再生混凝土主要路用性能研究

孙吉书，窦远明，刘熙媛

(1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401)

水泥混凝土路面是世界上广泛采用的高等级路面结构形式，尤其是在重载车辆较多的港口道路应用非常广泛，在我国有路面结构铺装的高等级公路中，水泥路面约占72.03%[1]。由于我国先前建设的水泥混凝土路面面板较薄，已不能适应现代化重载交通的需求，加上其中大部分已经接近使用年限及车辆超载现象，许多早期的水泥混凝土路面已经破损严重，需要大修或重建。目前，我国对于道路养护、维修及大修而产生的废旧水泥路面混凝土板的再生利用效率较低，每年不能充分利用的废旧混凝土超过千万吨[2]。尚若能够将废旧水泥混凝土板破碎、加工用于新的水泥混凝土路面的建设，将能大大节约建设资源、并减少废旧水泥路面板的堆放产生的污染问题，有利于环保。

笔者通过系统的试验，研究旧水泥路面板再生混凝土的主要路用性能指标(抗压强度、弯拉强度、耐磨性能等)及其随各种原材料与配合比因素的变化规律，探讨在水泥混凝土路面建设中合理利用这些旧水泥路面板再生混凝土的可行性，以期将废旧水泥路面板资源化，节约建筑材料，提高公路工程的社会经济与环保效益。

1 原材料性质试验

1.1 粗骨料

用于生产再生粗骨料的废旧水泥路面板来自天津市大港区某公路，该公路已经通车运行9年，因重载交通问题而严重破坏，原水泥路面按照重交通荷载设计。文中试验采用的再生粗骨料是将废旧水泥路面板破碎、筛分、分级处理以后的粗骨料，粒径均大于4.75 mm)。而石灰岩碎石作为新的粗骨料。

按照JTG E 42—2005《公路工程骨料试验规程》的相关试验方法[3]，试验得出石灰岩碎石新骨料与再生粗骨料的技术性质如表1。

表1 粗骨料的主要力学性质 Table 1 Main mechanical properties of coarse aggregates /%

1.2 细集料

细骨料采用Ⅱ级中砂(天然河砂)，细度模数为2.2，含泥量小于2.1%。

1.3 水 泥

水泥采用普通硅酸盐水泥(42.5#)，其主要技术指标如表2。

表2 水泥的主要技术指标

Table 2 Main technical indexes of cement

2 试验方案

2.1 混凝土的配合比

参照文献[4]，保持水泥用量不变，在粗骨料中分别掺入25%，50%，75%和100%的再生粗骨料。经过前期试验，试验确定出不同再生粗骨料掺入量时的再生混凝土的材料用量见表3。

表3 再生混凝土的配合比
Table 3 Proportions of recycled aggregate concrete

编号水泥/(kg·m-3)水/(kg·m-3)砂/(kg·m-3)新粗骨料/(kg·m-3)再生粗骨料/(kg·m-3)再生粗骨料所占比例/%NC411181689122600RC-25411193689919.5306.525RC-50411204689613.0613.050RC-75411216689306.5919.575RC-10041122768901226.0100

2.2 试验方法

根据JIGT 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(以下简称《规程》)的相关方法[5]，制作试件并进行试验，抗压强度和混凝土耐磨性能试验的试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，弯拉强度试验的试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，混凝土试件浇筑振捣后24 h拆模，拆模后在养护室进行标准养护，到达特定龄期后进行相关路用性能指标的试验。

3 试验结果及分析

3.1 抗压强度

通过系统的混凝土抗压强度试验，得到不同龄期、不同废旧水泥路面板再生粗骨料掺入量时混凝土的抗压强度，如表4。

表4 再生混凝土的抗压强度 Table 4 Compressive strength of recycled aggregate concrete /(kg·m-3)

从表4中的试验结果可以得知，再生粗骨料在粗骨料中所占比例对再生混凝土的早期抗压强度影响不大，而对于其后期(7 d龄期之后)抗压强度具有显著的影响，相对于相同配合比情况下的新骨料混凝土，再生粗骨料所占比例分别为25%，50%，75%和100%时，再生混凝土28 d龄期的抗压强度分别下降了5.3%，8.7%，15.0%和23.3%；而3 d龄期时其相应的抗压强度变化值均在10%以下。但是再生混凝土的抗压强度具有随再生粗骨料所占比例的增大而降低的趋势，并且在再生粗骨料的所占粗骨料的比例大于50%时，这种抗压强度降低的趋势更加明显。

再生混凝土强度降低的主要原因是再生骨料周围不可避免的附着有一定的水泥胶浆，使得新老水泥浆体之间的黏结强度不如全新混凝土，加上就混凝土路面板破碎过程中造成的部分石子发生开裂，引起再生粗骨料强度降低造成的[6-7]。

3.2 弯拉强度

水泥混凝土路面的关键设计指标是混凝土的弯拉强度，不同再生骨料所占比例情况下的再生混凝土弯拉强度指标试验结果见表5。

表5 再生混凝土的弯拉强度 Table 5 Flexural strength of recycled aggregate concrete

试验结果表明，与相同配合比的全新骨料普通混凝土相比，当水泥路面再生骨料所占比例大于50%时，再生混凝土的弯拉强度会明显降低，而小于50%时，这一趋势并不十分明显，当再生骨料所占比例为25%～100%时，再生混凝土28 d龄期的弯拉强度分别下降了6.4%，9.6%，14.9%和19.6%，其它龄期的情况基本相同。

同时，试验范围内各种配合比的再生混凝土28 d龄期弯拉强度均大于4.5 MPa，其弯拉强度满足相关规范[8-9]对中等交通等级水泥混凝土路面建筑材料的强度要求。

3.3 耐磨性能

作为水泥混凝土路面的面层建筑材料，水泥混凝土材料需要承受车轮荷载的反复冲击与挤压、摩擦，其必须具有足够的耐磨性能，根据《规程》[5]的相关方法，试验得出不同再生骨料所占比例时再生混凝土28 d龄期的耐磨性能，如表6。

表6 再生混凝土的耐磨性能 Table 6 Wear resistant ability of recycled aggregate concrete

表6中的耐磨性能试验结果表明，当混凝土中再生骨料所占比例小于50%时，再生混凝土的单位面积磨损量变化不大，而当再生粗骨料所占比例大于50%时，再生混凝土的单位面积磨损量将会随着再生粗骨料所占比例的增大而显著增大(耐磨性能显著下降)；与相同配合比的全新骨料普通混凝土相比，再生粗骨料所占比例分别为25%，50%，75%和100%时，再生混凝土的单位面积磨损量分别增大了3.8%，6.9%，16.6%和25.8%。

众多的研究成果表明[10-11]，在混凝土中掺入适量粉煤灰可以提高耐磨性能，笔者保持其它因素不变，以Ⅱ级粉煤灰等量取代0%～30%的水泥，测得不同情况下再生混凝土的耐磨量如表7。

表7 粉煤灰再生混凝土的耐磨性能 Table 7 Wear resistant ability of fly-ash recycled aggregate concrete /(g·m-2)

由表7可见，掺入适量的粉煤灰可以提高再生混凝土的耐磨性能，相对于不掺粉煤灰混凝土而言，当粉煤灰掺入量为10%～30%时，RC-25的单位磨损量分别减小了2.6%，4.1%和3.6%，NC的单位磨损量分别减小了2.4%，4.0%和3.6%，并且当粉煤灰掺入量为20%左右时，粉煤灰再生混凝土的耐磨性能最佳，当粉煤灰掺入量为20%时RC-25的耐磨性能与NC不掺粉煤灰时的耐磨性能基本相同。因此，再生混凝土用于水泥混凝土路面的面层时，再生骨料所占比例不宜大于50%，同时，亦在混凝土等量掺入20%的粉煤灰以改善再生混凝土的耐磨性能。

4 结 论

1)水泥路面再生粗骨料在粗骨料中所占比例对再生混凝土的抗压强度具有显著的影响，特别是再生粗骨料所占比例大于50%时的远期强度，与相同配合比的全新骨料普通混凝土相比，再生粗骨料所占比例分别为25%，50%，75%和100%时，再生混凝土28 d龄期的抗压强度分别下降了5.3%，8.7%，15.0%和23.3%；而3 d龄期时其相应的抗压强度变化值均在10%以下。

2)当水泥路面再生粗骨料所占比例大于50%时，再生混凝土的弯拉强度会明显降低，而小于50%时，这一趋势并不十分明显，当再生骨料掺入量为25%～100%时，再生混凝土28 d龄期的弯拉强度分别下降了6.4%，9.6%，14.9%和19.6%，其它龄期的情况基本相同。

3)当再粗生骨料所占比例小于50%时，再生混凝土与全新混凝土的耐磨性能相差不大，而当再生粗骨料所占比例大于50%时，再生混凝土的耐磨性能显著降低。在再生混凝土中掺入适量粉煤灰可以提高其耐磨性能，并且粉煤灰掺入量以20%左右为最佳。

4)从强度、耐磨性能等路用性能指标综合考虑，用于水泥混凝土路面的面层时，再生混凝土中再生粗骨料所占比例不宜大于50%。

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