废弃木质碎料应用于道路铺装材料的力学性能研究

邱泰瑞 毛小轩 王云龙 孙 毅

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

由于森林资源的日益枯竭，各国不断探索废旧木材回收利用技术。日本将木质碎料作为一种新型的道路铺装材料，由于其经济环保、轻质节能的优点在人行道、公园和广场等场所得到了广泛应用。国内学者曹冰冰对水泥基木质碎料道路铺装材料进行了力学性能进行测试和分析[1]。高昱在研究中提出木质纤维在干混砂浆中具有提高砂浆的初期抗开裂性、降低砂浆的失水率及干缩率的功能[2]。法国学者Pascale Coatanl提出用水玻璃溶液浸泡木质碎料可以解决木质碎料与水泥的粘聚性不好的问题[3]。

国内学者冯德成等从缓解城市热岛效应的角度提出保水式和热阻式路面材料[4]，黄卫东等从发展海绵城市的概念中提出自冷式混凝土路面[5]，而木质纤维具备这些研究所要求的良好的保水性和阻热性。同时，木质碎料质轻柔软，弹性较大，道路铺装材料中掺入木质碎料能够在行走时提供较好的舒适性。因此，将废旧木质碎料作为节能环保的新型道路铺装材料具有进一步发展和研究的价值。

我们结合国内外现有的掺入木制碎料的新型铺装材料的研究分析，采用水玻璃溶液浸泡木质碎料至饱和的方法，并在实验试件中掺入减水剂，通过对不同配合比的水泥基木质碎料试件不同养护龄期的力学性能进行试验和分析，从而进一步了解此类新型道路铺装材料的特性。

1 试验方案

1.1 试验材料

实验所用水泥为天鹅牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，砂采用粒径范围在0.075 mm～0.6 mm之间的普通河砂，经实验室筛分析法测定细度模数为2.84，属中砂(细度模数3.0～2.3)。水玻璃采用市售密度40°Be的水玻璃溶液，减水剂采用聚羧酸系减水剂。废弃木质碎料取自哈尔滨市天安木材厂，平均长约1 cm，宽0.5 cm，呈柔软长条状，经实验室在60 ℃恒温下烘干24 h至恒重，测定木制碎料的含水率为55.2%，见图1。

1.2 试验方法

本实验选取两组变量，通过参考现有相关文献，保持水灰比为1.36不变，改变灰集比和木砂比，对7 d,14 d,28 d龄期的试件进行抗压强度试验。

1.3 试件制备

制备试验试件要考虑木质碎料的高含水率，取用水玻璃溶液加水稀释至100 g/L，并放入废弃木料浸泡24 h，去除杂质沥干备用(水玻璃溶液被水稀释后浓度不大可近似为水的质量)。砂经实验室在105 ℃恒温下烘干24 h至恒重备用。通过前期预实验发现当控制灰集比在0.35～0.45之间、木砂比大于1/8时，所有试件均无法成形，同时未经水玻璃溶液浸泡的木质碎料制成的试件也均未成形。减小木砂比，选择木砂比1/11，1/12，1/13，1/14，1/16，1/18，灰集比0.35，0.40，0.45，参照实验规范，选用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的带底塑料试模，将混合料放入水泥砂浆搅拌机内进行充分搅拌后倒入标准试模中，通过振捣台充分振捣，放置24 h后凝结脱模，放入养护室分别进行7 d,14 d,28 d的养护(养护温度20 ℃±1 ℃，相对湿度大于90%)。

2 试验结果分析

试验选取相同配合比制备较优组试件，分别对其养护至7 d,14 d与28 d后进行抗压强度测试(试件抗压强度值见表1)，绘制养护龄期对抗压强度的影响曲线如图2，图3所示。

2.1 不同木砂比时养护龄期对抗压强度的影响

根据试验数据分析发现，在灰集比一定、木砂比不同时，所有配合比的试件抗压强度普遍呈现随养护龄期增加而上升的趋势，且14 d与28 d时抗压强度数值相近，并大于养护龄期为7 d时的抗压强度，从图3中可以清晰看出绝大部分配合比的试件在14 d内抗压强度增长速度很快，但同时发现部分配合比的试件在28 d时甚至在14 d时抗压强度略有下降，这种现象在灰集比为0.35时尤为明显。

考虑试件早强性主要与水玻璃溶液提前浸泡木质碎料有关，水玻璃与水泥接触会发生化学反应，具有粘结、速凝和早强的作用，此外木质素同样具有早强效应，因此在14 d左右，大部分试件的抗压强度会达到或接近28 d时试件的强度。此外，木质碎料的掺入会导致试件孔隙率增加，长时间在潮湿环境中养护致使试件孔隙中充满水分，最终可能会使部分试件出现养护龄期增加而抗压强度略有降低的现象。

表1 各控制因素下不同龄期的试件抗压强度

2.2 不同灰集比时养护龄期对抗压强度的影响

根据试验数据分析发现，灰集比为0.35和0.45时，试件强度普遍随养护龄期增长呈现先上升后下降的趋势且灰集比为0.45时普遍低于其他灰集比时的强度；灰集比为0.40时，试件强度普遍随养护龄期增长而上升或趋于稳定且普遍高于其他灰集比时的强度。由此可发现，灰集比过高或过低都会使试件强度出现随养护龄期增长而下降的现象。

当灰集比较小时，木质碎料相对较多接触面积增大，水泥浆无法完全包裹集料同时产生较多空隙，在后期养护时强度会有所下降；灰集比过大时，水泥含量相对较多考虑木质碎料具有强吸水性导致部分水泥无法充分水化，水泥凝结作用不佳进而导致试件抗压强度在达到峰值后下降。

3 结语

1)在灰集比一定、木砂比不同时，所有配合比的试件抗压强度普遍呈现随养护龄期增加而上升的趋势且14 d强度接近28 d强度，考虑水玻璃及木质素作为早强剂促进了试件在早期强度的发展。2)灰集比过高或过低都会使试件强度出现随养护龄期增长而下降的现象，考虑木质碎料的比例起到了决定性因素。3)水泥基木质碎料作为一种刚刚起步的新型节能环保型道路铺装材料，本文仅就抗压强度这一力学性质进行试验分析，其耐久性、舒适性、施工和易性以及适应未来发展海绵城市概念的热阻性及蓄水性等问题都有待于进一步的试验研究。