水泥稳定废砖集料的强度特性研究

俞方英

（杭州市城市建设科学研究院，浙江 杭州310003）

0 引言

中国正处于建设高峰期，每年会产生大量的建筑垃圾。随着中国未来高速发展的城镇化及城市建设，在未来50 年内这个比例可能会进一步提高。另外，地震等自然灾害不仅造成了人员伤亡和家园破坏，而且会产生大量的建筑废弃物。建筑废弃物的简单填埋，不仅占用了大量土地，而且还造成了环境污染[1]。废砖是建筑垃圾的主要成分，除了具备一定的强度外，还含有Al2O3和SiO2等活性物质。与天然碎石相比，废砖的密度小、孔隙大、吸水率大、强度低[2-3]。路面建设需要耗用大量玄武岩等天然碎石，若在路面建设中利用废砖替代部分天然碎石，不仅能缓解天然集料紧缺的情况，同时也有助于解决建筑垃圾的处理问题。国内外对此做了一些有意义的探索，将废砖用于铺面、道路基层等构造物中。Poon等[4]采用废砖制备铺面砖块，其掺量可达50%。Chi Sun Poon和Dixon Chan[5]测试了掺废砖的铺面砖块的性能，结果显示掺入废砖降低了铺面砖块的密度、抗压强度和抗拉强度。胡力群[6]等将废弃黏土砖以不同比例替代天然碎石配制水泥稳定基层，建议混合料中废砖块粗集料和细集料的替代率分别不超过70%和90%。Cavalline[7]采用废砖制备路面水泥混凝土，证明其能满足路面使用性能的要求，其较低的导热系数能减小PCC 水泥路面的厚度。Arulrajah 等[8]测试了废砖集料的吸水率、CBR、磨耗值等技术性质等，证明了废砖满足路面基层的使用要求。

本文将废砖集料（Crushed Brick Aggregate，CBA）按0、30%、60%和100%的比例替代天然碎石配制4种水泥稳定废砖级配，并分别与4%和5%的水泥拌和成型试件，测试8 种水泥稳定废砖的击实特性、抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量，以研究水泥稳定废砖的强度特性及影响因素。

1 试验材料

采用普通硅酸岩水泥P.O.42.5，按照《公路水泥与水泥混凝土试验规程》[9]测试其技术性能，结果如表1所示。

表1 水泥技术性能

试验用天然集料为花岗岩，规格为20～30.5mm、10～20mm、5～10mm和0～5mm。根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）[10]测定其技术指标，结果见表2、表3。CBA 取自房屋建筑，经二级破碎后规格为20～30.5mm、10～20mm、5～10mm和0～5mm，其技术性能见表2、表3。由结果可知，CBA 的压碎值、磨耗值、坚固性和吸水率比花岗岩高46.7%、30.1%、61.5%和55%，密度小28%左右，说明CBA的强度明显低于天然碎石。

表2 粗集料技术性能

表3 细集料技术性能

将各种花岗岩和CBA 集料逐级筛分成0～0.075mm， 0.075～0.6mm， 0.6～2.36mm， 2.36～4.75mm，4.75～9.5mm，9.5～19mm 和19～31.5mm 的单粒级材料。然后将同一粒径的花岗岩和CBA 按不同比例掺配，得到不同CBA 掺量下的矿质混合料。混合料组成见表4，合成级配见表5。每种级配的水泥剂量统一采用4.0%和5.0%。

表4 水泥稳定废砖的组成

表5 水泥稳定废砖的级配

2 试验方法

根据《公路工程无机结合料稳定类材料试验规程》（JTG E51—2009）[11]，采用重型击实法确定水泥稳定废砖的最大干密度和最佳含水量。

按照静压成型法分别成型Φ150mm×150mm 的圆柱形试件和100mm×100mm×400mm 的长方体试件。圆柱体试件用于测试无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量。试件成型过程中所需的质量根据最大干密度和最佳含水量计算，压实度为98%。

参照《公路工程无机结合料稳定类材料试验规程》（JTG E51—2009）中的T 0805—1994 测试试件7d、28d 和90d 的无侧限抗压强度；参照T 0808—1994 测试试件28d 和90d 的抗压回弹模量；参照T0806—1994 测试试件28d 和90d 的劈裂强度。试件均在温度为20℃±2℃、湿度为95%的标准环境下养生。

3 试验结果分析

3.1 压实特性

图1 和图2 为水泥稳定废砖的最大干密度和最佳含水量的试验结果。

图1 最大干密度试验结果

图2 最佳含水量试验结果

由图1、图2可得如下结论。

（1）当水泥剂量为4%时，最大干密度的变化范围为1.969～2.364g/cm3，CBA 掺配率为100%时的最大干密度是不掺时的83.3%；当水泥剂量为5%时，最大干密度的变化范围为2.012～2.396g/cm3，CBA掺配率为100%时的最大干密度是不掺时的84.0%。最大干密度随着CBA掺配率的增加而降低，这是由CBA的密度较天然集料偏小决定的。

（2）当水泥剂量为4%时，最佳含水率的变化范围为4.9%～10.7%，CBA 掺配率为100%时的最佳含水率是不掺时的2.2 倍；当水泥剂量为5%时，最佳含水率的变化范围为5.4%～11.3%，CBA掺配率为100%时的最佳含水率是不掺时的2.1倍。最佳含水率随着CBA 掺配率的增加而增加，这是因为CBA 相对天然集料，表面孔隙和微裂缝较多，吸水率也相对较大，因此CBA 的含量越大，要达到最大密实度需水量也就越大。

（3）对于相同的CBA 含量，最佳含水率和最大干密度随着水泥剂量的增加而增加。这是因为，水泥剂量增大，意味着混合料中水泥浆增大，一方面增大了骨料间的润滑性，提高了混合料的可压实性，另一方面水泥浆填充于混合料的空隙中，提高了混合料的密度。

3.2 无侧限抗压强度

图3 为水泥稳定废砖的7d、28d 和90d 的无侧限抗压强度试验结果。

图3 无侧限抗压强度试验结果

由图3可得如下结论。

（1）无侧限抗压强度随着CBA 掺量的增加而逐渐降低。当水泥剂量为4%时，CBA 掺量为30%、60%和100%时的7d 无侧限抗压强度分别是不掺CBA 时的94.3%、71.0%和50.5%；当水泥剂量为5%时，CBA掺量为30%、60%和100%时的7d无侧限抗压强度分别是不掺CBA 时的91.7%、69.9%和50.9%。这是CBA强度较低所造成的。

（2）无侧限抗压强度随龄期呈非线性增长，28d之前强度增长较快，而后逐渐趋于缓慢。

（3）计算相同CBA 掺配率下水泥剂量为5%和4%时的强度比，结果如表6所示。由表6可知，水泥剂量为5%时的无侧限抗压强度是水泥剂量为4%时的1.21～1.28倍。

（4）《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）[12]对水泥稳定类材料的7d 无侧限强度要求如表7 所示。进一步分析可知，在水泥剂量为4%和5%条件下，当CBA 掺量不超过57.3%和86.4%时，水泥稳定废转满足基层特重交通的使用要求。

表6 无侧限抗压强度比

表7 水泥稳定类材料的7d无侧限抗压强度/MPa

3.3 劈裂强度

图4为劈裂强度试验结果。

图4 劈裂强度试验结果

由图4可得如下结论。

（1）劈裂强度随着CBA 掺量的增加而逐渐增大。当水泥剂量为4%时，CBA 掺量为30%、60%和100%时的90d 劈裂强度分别是不掺CBA 时的1.03、1.10 和1.19 倍；当水泥剂量为5%时，CBA掺量为30%、60%和100%时的90d 劈裂强度分别是不掺CBA时的1.04、1.23和1.36倍。其原因主要是水泥稳定废砖的劈裂强度除了与集料的强度有关外，还与混合料内部的黏聚力有密切关系。劈裂强度试验中，试件破坏首先发生于集料-水泥石界面，因此界面强度对劈裂强度有较大影响。CBA表面比石灰石更粗糙，且有很多孔隙，混合料拌和过程中，水泥浆能够渗入CBA 表面，因此能提高劈裂强度。此外，由于CBA 含有一定量的活性物质，因此水泥水化过程中会有更多的胶结物。以上两种因素使得水泥稳定废砖的劈裂强度得到提高

（2）劈裂强度随龄期呈非线性增长，28d之前强度增长较快，而后逐渐趋于缓慢。

（3）计算相同CBA 掺配率下的水泥剂量为5%和4%的强度比，结果如表8 所示。由结果可知，5%水泥剂量下的无侧限抗压强度是4%水泥剂量下的1.20～1.37倍。

表8 劈裂强度比

（4）《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）中，水泥稳定类材料的90d劈裂强度不应小于0.4MPa。进一步分析可知，在水泥剂量为4%和5%时，任意掺量的水泥稳定废砖均能满足要求。

3.4 无侧限抗压回弹模量

图5为无侧限抗压回弹模量试验结果。

图5 无侧限抗压回弹模量试验结果

由图5可得如下结论。

（1）抗压回弹模量度随着CBA 掺量的增加而逐渐降低。当水泥剂量为4%时，CBA 掺量为30%、60%和100%时的7d 抗压回弹模量分别是不掺CBA 时的92.3%、73.5%和53.2%；当水泥剂量为5%时，CBA掺量为30%、60%和100%时的抗压回弹模量分别是不掺CBA 时的91.4%、76.0%和52.9%。这是CBA强度较低造成的，变化规律同无侧限抗压强度。

（2）抗压回弹模量随龄期呈非线性增长，28d之前强度增长较快，而后逐渐趋于缓慢。

（3）计算相同CBA 掺配率下的水泥剂量为5%和4%的模量比，结果如表9 所示。由结果可知，水泥剂量为5%时的抗压回弹模量是水泥剂量为4%时的1.07～1.34倍。

表9 模量比

3.5 力学指标间的关系模型

（1）抗压回弹模量与抗压强度的关系模型

绘制水泥稳定废砖抗压回弹模量与无侧限抗压强度的关系曲线，见图6。

图6 抗压回弹模量与无侧限抗压强度的关系

由图6可知，抗压回弹模量与无侧限抗压强度呈线性关系，如式（1）所示：

（2）抗压强度与劈裂强度的关系模型

绘制水泥稳定废砖无侧限抗压强度与劈裂强度的关系曲线，见图7。由图7 可知，无侧限抗压强度与劈裂强度的线性关系较差。

图7 无侧限抗压强度与劈裂强度的关系

4 结论

（1）CBA 中含有因黏土矿物高温煅烧形成的非晶相Al2O3和SiO2，存在一定活性，能与水泥水化物发生反应形成胶结物，对水泥稳定飞砖的强度特性存在一定影响；CBA 存在大量的孔隙与微裂缝，导致其强度低、吸水率大。

（2）随着CBA 含量的增加，水泥稳定废砖的最大干密度下降、最佳含水量增加。

（3）在水泥用量相同的情况下，各龄期水泥稳定废砖的无侧限抗压强度和回弹模量均随着CBA 含量的增加而降低；养生龄期和水泥剂量对两者有重要影响。

（4）在水泥用量相同的情况下，各龄期水泥稳定废砖的劈裂强度随着CBA 含量的增加而增加，这是由于CBA 中含有一定的活性物质造成的。

（5）水泥稳定废砖的抗压回弹模量与无侧限抗压强度存在良好的线性关系。

[1] Li X P. Recycling and reuse of waste concrete in China Part II. Structural behavior of recycled aggregate concrete and engineering applications[J]. Resources, Conservation and Recycling,2009,53(3):107-112.

[2] Padmini A K, Ramamurthy K, Mathews M S. Behavior of concrete with low-strength bricks as lightweight coarse aggregate[J]. Magazine of Concrete Research, 2001, 53(6):367-75.

[3] Kibriya T, Speare P R S. The use of crushed brick coarse aggregate concrete[C]// Proceedings of International Conference-Concrete for Environment Enhancement and Protection.Scotland:University of Dundee,1996:24-26.

[4] Poon C S, Kou S C, Lam L. Use of recycled aggregates in moulded concrete bricks and blocks[J]. Constr Build Mater, 2002,16(5):281-9.

[5] Chi Sun Poon, Dixon Chan. Paving blocks made with recycled concrete aggregate and crushed clay brick[J]. Construction and Building Materials,2006,(20):569-577.

[6] 胡力群，沙爱民.水泥稳定废粘土砖基层的试验研究[J].中国公路学报，2012，25（3）：73-79.

[7] Tara Lani Cavalline. Recycled brick masonry aggregate concrete: use of recycled aggregates from demolished brick masonry construction in structural and pavement grade Portland cement concrete[D]. Charlotte: University of North Carolina,2012.

[8] A Arulrajah, J Piratheepan, T Aatheesan, et al. Geotechnical Properties of Recycled Crushed Brick in Pavement Applications[J]. Journal of Materrials in Civil Engineering,2011(23):1444-1452.

[9] JTG E30—2005，公路水泥与水泥混凝土试验规程[S].

[10] JTG E42—2005，公路工程集料试验规程[S].

[11] JTG E51—2009，公路工程无机结合料稳定类材料试验规程[S].

[12] JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].