再生混凝土集料在水泥稳定碎石中的应用研究

2018-09-10孙钟良汪道静

城市道桥与防洪 2018年7期

张言，孙钟良，汪道静

（1.湖州南浔交通水利投资建设有限公司，浙江湖州 313009；2.中交第一航务工程有限公司，天津市 300450）

0 引言

随着我国经济的持续发展和城镇化进程不断加快，大量旧的建筑物被拆除，从而产生大量的建筑垃圾。我国建筑垃圾数量已占到城镇垃圾总量的30%~40%[1,2]，成为城市主要固体废弃物之一。国家发展改革委统计数据表明[3]，2013年我国建筑垃圾产生量约为10亿t，其中资源化利用率仅为5%。而国外一些发达国家建筑垃圾的资源化率已经达到85% 以上，甚至接近100%[4]。大部分建筑垃圾未经任何处理便被运往郊区或乡村，以露天堆放或填埋的方式进行处理，不仅污染环境，还会造成巨大的资源浪费。

水泥稳定碎石基层沥青路面是我国公路的主要铺装形式之一。近年来随着公路基础设施建设的高速发展，大量优质天然集料被用于水泥稳定碎石基层建设，部分地区出现了天然集料短缺的情况。建筑废弃物分拣、剔筋、破碎、分级后，可形成再生混凝土集料（Recycled concrete aggregate,RCA），如果实现RCA在水泥稳定碎石基层中应用，不仅可实现建筑垃圾的资源化利用、降低建筑垃圾对环境的影响，而且可在一定程度上减少天然石料的开采、缓解我国公路高速发展对石料的需求压力。

国内外学者围绕RCA在水泥稳定碎石基层中的应用开展了大量研究。Chi等[5]则从抗压能力、抗剪能力等力学性能论证了RCA完全替代天然集料在水泥稳定碎石基层中应用的可行性。Park[6]也认为RCA完全可以取代天然集料应用于水泥稳定碎石基层及底基层材料。李晓静[7]研究表明水泥稳定RCA基层能够满足轻交通量公路要求。Nataatmadja等[8]认为级配良好的水泥稳定RCA的回弹模量较天然集料更高。Sobhan等[9]将钢纤维加入水泥稳定RCA中，发现钢纤维能够显著改善其疲劳性能。焦建伟[10]对不同掺量的水泥稳定RCA进行了研究，认为RCA的增加会降低RCA混凝土的强度，RCA宜与天然集料结合使用。文献[11]研究了含建筑垃圾水稳碎石路面基层材料的使用性能，认为再生集料的掺加可以提高材料的回弹模量，减小材料干缩系数，但增大温缩系数，必要时应控制其掺量。文献[12]认为RCA的掺入会减小混合料的7d无侧限抗压强度，增大温缩系数，降低干缩系数，并通过试验路证明了水泥稳定RCA作为基层和底基层具有可行性。

为分析RCA完全替代天然集料用于水泥稳定碎石基层的技术可行性，本文测试了RCA吸水率、压碎值等物理性能，开展了以RCA完全替代天然集料的水泥稳定碎石组成设计研究。采用MTS测试了3.5%和4%两种水泥掺量下水泥稳定碎石的无侧限抗压强度，并与采用天然集料的碎石稳定碎石抗压强度进行了比较分析。

1 原材料

水泥为42.5普通硅酸盐水泥。采用三种不同粒径的RCA，按粒径大小分为粗RCA、中RCA和细RCA三种。将这三种RCA按《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）集料筛分方法进行筛分试验，得到的筛分结果见表1。

表1 回收水泥混凝土骨料的级配

将RCA以公称粒径4.75 mm为临界点，分为0~4.75 mm和4.75~31.5 mm两档。分别测试这两档RCA的物理性能，结果见表2。

表2 回收混凝土骨料物理性能测试结果

由表2可以看出，RCA的吸水率远高于天然集料，这是因为 RCA表面粘附有较多的水泥砂浆，使得其表面空隙发达，更易吸水。另外，按《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）方法对RCA的压碎值进行了测试。为了能更充分说明RCA的强度，对4.75~9.5 mm、13.2~16 mm的RCA也进行了压碎值试验，试验结果列于表3。

表3表明RCA的压碎值较高，这是由于RCA表面附着的水泥砂浆强度较低，容易被压碎，但各档集料的压碎值仍能够满足相应规范要求。

电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）能够分辨光学显微镜所无法分辨的显微结构，常用来观测固体表面的形貌特征。本文采用场发射扫描电镜（Field Emission-Scanning Electron Microscope,FE-SEM）观测RCA的微观形貌特征，放大倍数为1000下RCA的SEM扫描照片见图1。

表3 RCA的压碎值

图1 RCA的SEM扫描照片

由图1可知，RCA的表面非常粗糙，且空隙发达。这是因为RCA表面附着水泥砂浆，SEM观测到的是水泥砂浆。因此，水泥砂浆的存在，使得RCA有着吸水率高，压碎值低，密度小的特征。

2 水泥稳定再生混凝土碎石配合比设计

2.1 级配确定

本研究采用100%的RCA替代天然集料应用于水泥稳定基层，即RCA对天然集料的全替代。根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中关于骨架密实型水泥稳定类集料级配要求，进行了粗RCA、中RCA、和细RCA的配比设计，最终确定三种集料的质量配比为45：30：25，绘制级配曲线见图2。

2.2 水泥用量

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）建议水泥稳定类材料水泥剂量为3.0%~6.0%。本文选取3.5%和4.0%两个水泥用量进行研究。

2.3 最佳含水量的确定

图2 水泥稳定RCA混合料合成级配曲线

本研究通过对不同含水量的RCA混合料进行标准击实，使混合料在标准夯实功作用下达到最佳密实状态，绘制击实曲线，确定最佳含水率和最大干密度。

根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）和《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）要求，最大公称粒径为31.5 mm的混合料，宜采用重型Ⅱ标准击实方法，选取3×98击的击实功，按3层击实法制样。

重型击实测出的含水率包含了RCA中的水分和外掺的水，在击实试验开始前应先预估混合料的最佳含水率，计算出需外掺的水量，其计算公式如下：

式中：w为需外掺的用水量；W为混合料预估的含水量；α，β，χ分别为粗RCA、中RCA和细RCA的含水率；φ1，φ2，φ3分别为粗 RCA、中 RCA 和细RCA 的掺配比例，φ1+φ2+φ3=1。

考虑RCA的吸水率较大，其最佳含水率应高于采用天然集料的水泥稳定碎石（约5%）。因此，预估RCA基层和底基层混合料的最佳含水率为8%~10%。设定5%，7.5%，10%，12.5%，15%共五种不同含水量拌制混合料，其外掺的用水量见表4。

表4 基层和底基层混合料外掺水量

按照表5的外掺水量，分别对水泥用量为4.0%和3.5%的RCA基层和底基层混合料进行拌和。混合料闷料24 h后，对上述五种含水率的基层混合料进行重型击实试验。然后实测含水率并绘制水泥稳定RCA的击实曲线，见图3和图4。

图3 水泥稳定RCA含水量-干密度曲线（4.0%水泥）

图4 水泥稳定RCA含水量-干密度曲线（3.5%水泥）

由图3和图4可知，4%水泥掺量的RCA混合料的最佳含水率为10.8%，对应的最大干密度为2.118 g/cm3。3.5%水泥掺量的RCA混合料的最佳含水率为10.3%，对应的最大干密度为2.073 g/cm3。采用天然集料的水泥稳定碎石一般最佳含水量为5%左右[11,12]，可见水泥稳定RCA的最佳含水偏高，在工程应用中应给予重视。