再生粗集料微观特征及性能研究

赵兵伟，李晓娟，李 渊

（1.中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安710016，2.西安公路研究院，陕西 西安710065）

0 引言

随着城市化进程的不断推进，大批旧建筑物被拆除，基础设施改造过程中产生了大量建筑垃圾。相关资料显示，目前我国年建筑垃圾产生量已达到了7 亿t，占城市垃圾总量的30%～40%，而建筑垃圾中的废弃混凝土比例高达50%～60%。目前建筑垃圾处理方式主要是集中堆放或者将其作为地基填料，对建筑垃圾进行再生利用，一方面能够节约处理费用，减少土地资源的浪费；另一方面，随着道路交通行业的发展，天然集料资源越来越紧张，而对建筑垃圾中的废弃混凝土可以采取一定的加工工艺制备成再生集料，可将其部分替代天然集料用于道路工程建设。日本在1977年就已经出台了建筑垃圾再生骨料的规范，目前，日本对建筑施工过程中产生的建筑垃圾已经能够做到就地重新利用、建筑垃圾不运出施工场地，取得了显著的经济效益。我国研究人员针对建筑垃圾再生集料在道路行业的利用虽然取得了了一定的研究成果，但是研究成果主要集中在水泥混凝土和水泥稳定碎石中的应用，其在沥青混合料中的应用研究较少，同时缺乏相关的标准指导。本文首先对建筑垃圾再生集料进行扫描电镜实验，观察其表面微观结构特征，然后按照《公路工程集料试验规程》对再生集料物理力学性能进行全面试验研究。

1 原材料及试验内容

本试验采用的建筑垃圾来源于城中村改造工程拆迁的旧建筑物，在建筑垃圾堆放场地人工分拣较大的废旧混凝土块；再生集料是由废旧混凝土块经Pc400×300锤式破碎机破碎后得到的连续级配混合料，为便于其在沥青稳定碎石中应用，对连续级配集料混合料分档筛分，分为0～5mm、5～10mm、10～20mm、20～30mm 四档；粗集料中的主要岩石是鹅卵石、花岗岩。

由于建筑垃圾再生集料来源比较特殊，借助扫描电子显微镜观察破碎所得的再生集料的微观结构特征。本文研究的建筑垃圾再生集料主要考虑用于沥青稳定碎石中，因此主要参考《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）进行试验，按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG E40—2004）的相关要求对其进行评价。为比较再生集料与天然集料的性能，对天然集料和再生集料进行以下的项目试验：筛分试验、密度与吸水率试验、针片状含量试验、压碎值试验、磨耗值试验等。

2 微观特征分析

图1、图2 是经由扫描电子显微镜获得的再生集料表面微观特征图。图1放大倍数为200倍。图2放大倍数为2 000倍。

图1 再生集料微裂缝

图2 再生集料表面空隙

由图1 可以看到建筑垃圾再生集料表面的微裂缝分布，有些裂缝是原天然集料自身开裂所致，另外一些裂缝是由于水泥砂浆与集料交界面分离所形成的，微裂缝之间往往相互贯通。造成微裂缝产生的主要原因有两个：一是原废弃混凝土结构物在未被拆除前自身受压破坏产生的微裂缝；二是废弃混凝土块经锤式破碎机破碎获得再生集料过程中自身受挤压和碰撞造成的。

在图2 中可以看到多处开孔孔隙，有些是原天然集料自身孔隙，另外一些是水泥砂浆表面的孔隙，再生集料开孔孔隙中绝大部分是砂浆表面孔隙，而砂浆表面孔隙主要是由废弃混凝土在破碎过程中砂浆与砂浆分离、集料与砂浆脱离造成的。

微裂缝和砂浆表面开口孔隙会对再生集料的基本性能造成一定的负面影响，主要表现在微裂缝和砂浆表面孔隙使得再生集料的比表面积增大，从而影响再生集料的表观密度以及吸水率，再生集料出现微裂缝的局部在外力作用下会出现应力集中的现象，这些薄弱部位受力更易发生破坏，从而导致集料的强度降低。

3 再生集料性能试验结果

3.1 筛分试验

对机械破碎所得的建筑垃圾连续级配集料混合料进行筛分，级配情况见表1。

表1 再生集料连续级配混合料筛分结果

参考《公路沥青路面施工技术规范》（JTG E40—2004）对ATB—25 级配范围的要求，可以看出，集料混合料的级配组成符合规范要求，说明采用合理的破碎工艺，用废弃混凝土块可以生产出满足规范要求级配范围的集料。但是，再生集料的级配组成偏粗，靠近级配范围下限，不适合直接进行配合比设计，在生产过程中可以添加振动筛对再生集料进行分档，以便在配合比设计过程中优化级配。

3.2 密度及吸水率试验

对再生粗集料及天然集料进行表观密度、毛体积密度、吸水率试验，试验结果见表2。

表2 建筑垃圾再生粗集料密度及吸水率试验结果

由表2可知：

（1）建筑垃圾再生集料的表观密度都符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中“不小于2.50g/cm3”这一要求，可以用于沥青路面修筑；然而建筑垃圾再生集料的表观密度和毛体积密度都明显小于天然集料，主要原因是水泥砂浆与天然岩石相比更加疏松，密度相对来说比较小；

（2）再生集料的吸水率远远高于天然集料，且粒径越小，差距越大，主要原因是硬化的水泥砂浆具有更高的孔隙率和吸水率，粒径较大的粗集料含有更高比例的天然石料，粒径越小则水泥砂浆含量越高，吸水率就越大，高吸水率和孔隙率的再生集料用于沥青混凝土中，沥青用量就会显著变大，从经济效益角度出发，必须对其做强化处理，降低其吸水率及孔隙率。

3.3 压碎值

石料压碎值是表征集料在混合料碾压过程中以及开放交通后抵抗压碎的能力，是衡量石料力学性质的主要指标，用于鉴定公路路面基层、底基层及混合料面层的粗集料品质，以评定其在工程中适用性。一般认为，压碎值越大，说明粗集料的抗压碎能力越低，石料越易压碎。通过筛分试验取9.5～13.2mm 的再生集料进行压碎值试验，结果见表3。

表3 建筑垃圾再生集料压碎值

从表3可知，再生集料的压碎值要远大于天然集料，主要原因是再生集料中水泥砂浆的存在，水泥砂浆强度与耐磨性要远低于天然集料，容易破碎，同时在在制作再生集料的过程中集料内部产生了细微裂缝，在施加压力过程中会出现应力集中现象，导致再生集料强度降低。

3.4 磨耗值

石料磨耗值是指石料在标准条件下抵抗摩擦、撞击作用的能力，我国采用洛杉矶磨耗试验测试这一指标。粗集料的洛杉矶磨耗损失是评价集料使用性能的重要指标，尤其是沥青混合料和基层材料，它与沥青路面的抗车辙能力、耐磨性、耐久性密切相关，软弱颗粒含量多、风化严重的石料通过磨耗试验后粉碎严重，这一指标很难达标。按照规范要求准备石料进行洛杉矶磨耗试验，试验结果见表4。

表4 建筑垃圾再生集料磨耗值

由表4 可知，再生集料的磨耗值大于天然集料，在磨耗试验中，钢球的撞击容易使水泥砂浆从岩石表面剥离下来，而建筑垃圾中的天然集料大多是花岗岩以及鹅卵石，硬度偏高，不易破碎，这也是二者磨耗值相差不大的原因。

3.5 针片状颗粒含量

集料的形状越接近立方体越好，细长扁平状的针片状颗粒对沥青混合料的性能会有非常不利的影响。因为针片状颗粒很容易在施工过程中被刚性轮碾压和振动碾压所粉碎、折断，施工性能极差，而且在沥青混合料内部遗留下相当数量没有被沥青膜裹覆的折断面，成为混合料内部的微裂缝。针片状含量试验结果见表5。

表5 建筑垃圾再生集料针片状含量

由表5可知，再生粗集料针片状含量可以满足规范要求，但是针片状颗粒含量偏大，且随着粒径的增大，针片状颗粒含量逐渐增大。针片状颗粒的含量很大程度上取决于破碎机的类型，建议在建筑垃圾再生集料制备过程中，应该根据建筑垃圾原材料的特点，对建筑垃圾的加工工艺进行改进，对加工设备进行优化、改良。

4 结论及建议

（1）建筑垃圾再生集料混合料的颗粒级配符合规范对于ATB—25 的要求，但是在实际生产过程中，建议在破碎机后添加振动筛分档，便于配合比设计过程中优化级配。

（2）建筑垃圾再生集料的表观密度和毛体积密度都明显小于天然集料，吸水率则远远高于天然集料，且粒径越小，差距越大；由于微裂缝及水泥浮浆的存在，导致再生集料的压碎值及磨耗值大于天然集料；再生粗集料针片状含量可以满足规范要求，但是针片状颗粒含量偏大，且随着粒径的增大，针片状颗粒含量逐渐增大。

（3）针对建筑垃圾再生集料的上述弱点，建议在再生集料生产过程中，针对建筑垃圾的特点，采用合适的破碎机械及破碎工艺，在实际利用之前可以对其进行强化处理，既可以尝试采用研磨掉水泥浮浆等物理强化方式，也可以采用添加化学试剂（硅烷偶联剂、有机硅树脂等）的方式，从而改善再生集料的物理力学性能，提高其利用水平及利用率。

[1] JTG E42—2005，公路工程集料试验规程[S].

[2] JTG E40—2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

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