再生骨料注浆料及注浆再生混凝土性能研究

冯 芳，徐 波，宋 华

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029）

0 引言

随着我国基础设施建设的发展，在建筑、公路的改建、扩建、拆除等工程中产生了大量的建筑废弃物。目前，建筑废弃物的主要处理方式包括作为回填材料使用或运往郊外场地填埋堆放。前者不能对这些资源进行充分合理地利用，后者不但占用了大量场地，甚至会引发新的环境污染。道路工程本身的结构特点决定了其能够大量使用建筑废弃物，将废弃的混凝土、砂浆、砖石等进行回收，然后再经破碎、清洗和分级等过程，可应用于道路工程中，并有望实现建筑废弃物的再生利用，对资源节约和环境保护具有重要意义。

针对道路工程中旧水泥混凝土路面板脱空加固、路面基层注浆加固、路基注浆加固、桥梁墩台周边注浆加固、桥梁台后路基土加固、箱涵等结构体周边土体注浆加固、软基处理加固等大量的加固修复工程，均可采用注浆料或注浆混凝土对其进行修补。近年来，国内外很多科研机构和专家对注浆料原材料、修补施工工艺等问题进行了研究[2-6]，而本文对利用再生细骨料配制注浆料并将其用于道路修补进行了深入探索。

本文试验主要采用再生细骨料来配制流动度较大的注浆料，研究再生细骨料用量和环境温度对注浆料流动度、强度等性能的影响。采用类似渗透注浆的技术，依靠重力和砂浆的流动性使其注入再生粗骨料的空隙，最终形成注浆再生混凝土。首先，这种修补材料利用了再生细骨料和粗骨料，实现建筑废弃物的再生利用，节约天然砂石资源，有效降低对环境的不利影响；其次，这种修补技术的施工工艺简单、快捷，减少开挖，对交通干扰小；再次，使用再生注浆料和注浆再生混凝土降低了维修的成本。

1 试验概况

1.1 原材料

试验所用水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，其各项测试指标均可满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的要求；细骨料中的天然砂为河砂，细度模数为2.3，级配合格，各项性能均满足《建设用砂》（GB/T 14684—2011）中的指标要求；细骨料中再生骨料的筛分结果见表1，用于注浆料的再生细骨料粒径小于2.36 m m；注浆再生混凝土所用粗骨料由废弃水泥混凝土破碎获得，粒径范围为2.36～31.5 m m，原混凝土的实测抗压强度为40 M Pa；试验选用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为25%～30%；膨胀剂的各项性能指标均可满足《混凝土膨胀剂》（GB 23439—2009）的规定。可以看出，本试验对建筑废弃物的利用率可以达到100%。

1.2 试验配合比

为研究再生细骨料对注浆材料性能的影响，配制了3种不同水胶比（0.29、0.37和0.45）的注浆料，再生细骨料以取代率为0、25%、50%、75%和100%取代天然砂。试验配合比见表2。掺入减水剂以使注浆料具有足够的流动度，其用量使天然砂配制的注浆料流动度达到350 m m以上。当采用再生细骨料取代天然砂时，同一水胶比下固定减水剂的用量，以研究再生细骨料取代率对注浆料流动性的影响。

表1 再生骨料的筛分结果

表2 注浆料的配合比 kg/m3

1.3 试验方法

1.3.1 不同温度下流动度试验

注浆料的流动度试验按照《混凝土外加剂应用技术规范》（GB 50119—2003）附录A中给出的试验方法进行。将截锥形试模放在洁净的玻璃板上，将搅拌好的注浆料装入截锥形圆模中，使其水平面与试模相切，然后将试模提起，使注浆料在玻璃板上自由流动，用直尺测量流动面积上两个垂直方向最大直径并取平均值作为流动度。初始流动度测试完成后，将注浆料放置于预先设定好的20℃、30℃和40℃环境下静置30 m i n，再按上述方法进行流动度测试。注浆料流动度测试情况如图1所示。

图1 注浆料流动度试验

1.3.2 再生骨料注浆料力学性能试验

注浆料试件尺寸为40 m m×40 m m×160 m m，养护至1 d、3 d和28 d时测试试件的抗折强度和抗压强度。注浆料的抗折和抗压试验按《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671—1999）的规定进行。把达到养护时间的试件侧面放入抗折试验机上，以50 N/s的加载速率将荷载均匀垂直地加在试件两侧，直到折断，记录最大荷载并计算试件的抗折强度，试验结果取3个平行试件的平均值。利用抗折试验折断后的试件直接进行抗压试验，抗压强度试验结果取6个试件抗压结果的平均值，测试结果的取舍也按照上述标准进行。抗折和抗压强度试验分别如图2和图3所示。

图2 抗折强度试验

图3 抗压强度试验

1.3.3 注浆成型混凝土的方法及性能试验

为模拟采用注浆料原位修补破损的水泥混凝土路基和基层，先用压力机将废混凝土试件加压直至产生大量肉眼可见的裂缝并将其击碎，然后筛选出粒径大于2.36 m m的破碎粗骨料，自然松散堆积置于100 m m×100 m m×400 m m的试模中。将搅拌好的注浆料倒入装好破碎混凝土的试模中，靠注浆料的流动性和自重注入破碎混凝土颗粒间，直到整个试模充满。注浆料浇筑过程中不采用任何形式的振捣，养护至1 d、3 d和28 d测试注浆再生混凝土的抗压强度和抗折强度。

2 试验结果及影响参数分析

2.1 再生细骨料用量对注浆料流动度的影响

注浆料流动度测试结果见表3。由试验结果可以看出，在水胶比一定时，再生细骨料取代率对注浆料的初始流动性影响不明显，流动度均能达到300 m m以上。注浆料静置30 m i n后，其流动度随着再生细骨料对天然砂取代率的增大显著降低，部分配比的注浆料甚至完全失去了流动性，即表明再生细骨料取代率对注浆料流动度的经时损失影响较大，这与再生细骨料吸水率大的特性有关。再生细骨料中混有原混凝土的水泥石，孔隙率较天然砂大，同时再生细骨料在破碎过程中产生的微裂纹也会导致吸水率增大。搅拌后的静置过程中，多孔的再生细骨料逐渐从注浆料中吸收水分而导致其流动性的下降。因此，对于实际应用，应考虑注浆料搅拌地点与注浆修补地点的距离。如需较长时间运输或修补范围较大，注浆料中的再生细骨料的取代率不宜过高。

表3 不同温度下不同水胶比注浆料的流动度

同时，环境温度对于注浆料流动度的影响也很明显。对比分析20℃和40℃下的两组试验数据可知，20℃时，注浆料的流动度整体较好，虽然在静置30 m i n后出现了流动度损失，但大部分注浆料的流动度仍能保持在300 m m以上；40℃时，注浆料流动度的经时损失问题则显得非常突出，基本上每一组都会有流动度损失，甚至很多注浆料在30 m i n后已经失去了流动度。综合分析20℃、30℃和40℃时得到的试验数据可知，随着温度的增高，注浆料的水分蒸发速度加快，其流动度损失也会加剧。因此，在温度较高的环境中实际应用再生骨料注浆料时，做好保湿覆盖，避免太阳直射，也可适量增加高效减水剂中缓凝剂的比例，减缓注浆料流动度的损失。

2.2 再生细骨料用量对注浆料力学性能的影响

2.2.1 抗折强度

再生细骨料取代率对30℃下成型的不同水胶比（W/B）注浆料在1 d、3 d和28 d抗折强度的影响见表4。由试验结果可知，就本文研究的3个水胶比，再生细骨料取代率对注浆料在1 d、3 d和28 d的抗折强度影响并不明显，注浆料不同龄期的抗折强度与采用天然砂时大体相当。虽然再生细骨料较天然砂的强度有所降低，但仍高于水泥石的强度，而且由于注浆料中细骨料的粒径小于2.36 m m，所以在抗折试验中水泥石的强度起到了决定性的作用，而细骨料本身的影响不大。因此，采用再生细骨料也可以配制出抗折强度较高的注浆料。

此外，在30℃中成型的注浆料的抗折强度随龄期的延长显著增加，即使水胶比为0.45的注浆料，28 d时的抗折强度也可达到7 M Pa以上。吸水率较大的再生细骨料可在水泥水化过程中释放吸收的水分，可以起到类似轻骨料自养护的作用，对注浆料后期强度的发展有利。

2.2.2 抗压强度

再生细骨料取代率对30℃下成型的不同水胶比注浆料在1 d、3 d和28 d抗压强度的影响见表5。试验结果表明，随着再生细骨料取代率的增大，注浆料1 d、3 d和28 d的抗压强度整体呈下降趋势。综合考虑水胶比和龄期可以看出，只有当注浆料龄期较长，即抗压强度较高时，再生细骨料对注浆料抗压强度的不利影响才有明显体现。主要是由于早期水泥水化不充分，水泥石本身的强度较低，细骨料的品种和用量对早期抗压强度影响不大。

表5 注浆料在不同龄期的抗压强度 MPa

同抗折强度的结果类似，水胶比对注浆料的抗压强度影响显著，仍起着决定性的作用。水胶比越小，龄期和再生细骨料取代率均相同的注浆料抗压强度越高。因此，在环境气温达到30℃时，如需高强度的注浆料，在配合比设计时还需控制水胶比。

2.3 注浆再生混凝土的力学性能

2.3.1 抗折强度

选取30°C下不同水胶比的注浆料注入破碎的混凝土粗骨料间形成注浆再生混凝土，其在不同龄期的抗折强度见表6。从表中可以看出，当龄期为1 d时，随着再生细骨料用量的增大，抗折强度整体呈现下降的趋势，特别是再生砂取代率大于50%时抗折强度下降非常明显。当再生细骨料用量为0时，获得的混凝土抗折强度最高，符合预期判断。

当龄期为3 d时，各组注浆再生混凝土较1 d时的抗压强度均有所提高。当再生细骨料取代率超过50%时，注浆再生混凝土的抗折强度仍然有明显下降。再生细骨料用量为50%、水胶比为0.29时的注浆再生混凝土在3 d时的抗折强度可达到3 M Pa。

龄期从3 d增加到28 d时，注浆再生混凝土的抗折强度有所提升。由于通过注浆的形式成型混凝土，可认为混凝土的抗折强度主要取决于注浆料的强度、再生粗骨料的强度和二者间的界面黏结强度。当养护龄期在3 d时，注浆料的强度较低，且与再生粗骨料的黏结较弱。当养护龄期在28 d时，虽然注浆料的强度有了明显提高，但由于再生粗骨料的颗粒粒径大，二者界面面积大，对抗折强度较为敏感，加之破碎粗骨料存在原生裂纹，导致注浆再生混凝土的抗折强度并没有显著提高。可见，注浆料用于水泥混凝土修补时，旧混凝土的破碎、处理非常重要。

表6 注浆再生混凝土在不同龄期的抗折强度 MPa

2.3.2 抗压强度

30℃环境下注浆再生混凝土的抗压强度见表7。从表中可以看出，在试验所选掺量下，再生细骨料用量对注浆再生混凝土的1 d、3 d和28 d抗压强度未产生明显影响，各组混凝土的抗压强度均与使用天然砂时大体相当。此外，试验结果表明，水胶比对注浆再生混凝土的抗压强度影响也不显著，大部分配合比的注浆再生混凝土抗压强度在28 d可以达到30 M Pa。注浆再生混凝土的抗压强度主要取决于再生粗骨料本身的强度及其与注浆料形成的界面强度，因此在实际应用中，应尽可能保证粗骨料破碎后的质量。

表7 注浆再生混凝土在不同龄期的抗压强度 MPa

3 结论

（1）在水胶比一定时，再生细骨料取代率对注浆料初始流动度的影响不明显，但对注浆料流动度的经时损失影响较大，个别再生细骨料用量较大的注浆料静置30 m i n后甚至完全失去了流动性。此外，环境温度对注浆料的流动性影响较大。温度为20℃时，注浆料初始流动度相对较大，且流动度损失较小。随着温度的增高，注浆料的流动度损失也会加剧。

（2）当水胶比为 0.29、0.37和0.45时，再生细骨料取代率对注浆料的抗折强度没有明显不利作用，但抗压强度随着再生细骨料取代率的增加呈下降趋势。此外，水胶比越小，龄期和再生细骨料取代率均相同的注浆料抗折和抗压强度均越高。

（3）对于注浆料浇筑的注浆再生混凝土，随着注浆料中再生细骨料用量的增大，注浆再生混凝土的抗折强度整体呈现下降的趋势。再生细骨料用量对注浆再生混凝土的抗压强度未产生明显影响，各组混凝土的抗压强度均与使用天然砂时大体相当。并且，水胶比对注浆再生混凝土的抗压强度影响也不显著。