基于地聚合物再生混凝土的道路基层结构力学性能研究

(1.潍坊科技学院，山东 潍坊 262700； 2.中国海洋大学，山东 青岛266100; 3.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033)

0 引言

随着我国城镇化水平的不断提升，城镇道路硬化率也在逐步提高，同时一些龄期较长混凝土结构因不能满足社会需求被拆除，造成大量建筑垃圾。为了资源循环利用和减少建筑垃圾对自然环境的污染，研究者提出将废弃的混凝土重新加工利用形成新的混凝土材料即再生混凝土材料用于道路路基中，出于环保考虑，再生混凝土大多采用矿物或地质材料做胶凝材料代替水泥[1-2]。Hord研究了粉煤灰中提炼地聚合物方法，并将提炼的地聚合物用做混凝土胶凝材料，得到了很好的应用效果[3]；Phbr对粉煤灰中铜、铅等金属离子含量进行研究，得到了其不同含量下的凝结效果[4]；王刚利用粉煤灰为原材料，从中添加碱性物质制备地聚合物，并将其与水泥胶凝材料对比分析了抗压性能[5]；侯云芬研究了不同养护湿度和温度下以粉煤灰为主要原材料制备的地聚合物的抗压性能，研究结果表明，养护温度越高混凝土的抗压强度越大[6]。本文从再生混凝土的路用性能出发，将粉煤灰、氢氧化钠溶液及水玻璃组成的混合物作为胶凝材料，利用试验的方法得到了再生混凝土的无侧限抗压强度、劈裂强度和无侧限抗压回弹模量，对再生混凝土在道路基层中的应用奠定了理论基础。

1 地聚合物再生混凝土配合比试验

地聚合物再生混凝土是由再生集料、地聚合物、外加剂及水组成。每种材料的物理、力学性能直接影响再生混凝土的力学性能[7]，因此在对地聚合物再生混凝土进行力学试验前有必要测试其组成材料的物理力学性能。

试验用粗骨料为再生级配碎石，经鉴定该再生粗骨料为花岗岩，再生级配碎石如图1所示，其各项指标见表1所示。

图1 级配碎石Figure 1 Graded macadam

表1 再生碎石性能指标Table1 Performanceindicatorsofreclaimedcrushedstone粒径/mm表观密度/(g·m-3)堆积密度/(g·m-3)空隙率/%吸水率/%压碎值/%磨耗值/%5～402.551.3650.35.8112.124.3

细骨料是为了填充粗骨料间的空隙以节约胶凝材料增强混凝土的力学性能，再生混凝土细骨料由两种组成，一种是组成原混凝土的细砂，一种是水泥颗粒，其各项指标间表2所示。

表2 细集料性能指标Table2 Performanceindicatorsoffineaggregate表观密度/(g·m-3)堆积密度/(g·m-3)空隙率/%吸水率/%压碎值/%磨耗值/%2.511.4342.210.223.125.6

地聚合物再生混凝土的胶凝材料采用粉煤灰和水泥，粉煤灰特性见表3和表4，水泥性能见表5，从相关研究[8-9]可以发现，地聚合物中要添加碱性聚合物才能更好的发挥粉煤灰的胶凝特性，本次试验采用水玻璃溶液作为碱性激发剂，地聚合物的最佳配合比应为水泥∶粉煤灰=7∶3，水玻璃模数1.5。

表3 粉煤灰主要化学成份Table3 Mainchemicalcompositionsofflyash成份CaOK2OSiO2Na2OFe2O3Al2O3SO3MgO含量/%6.351.2354.210.414.6124.21.031.31

表4 粉煤灰物理特性Table4 Physicalpropertiesofflyash比表面积/(m2·kg-1)密度/(g·cm-3)含水量/%烧失率/%3922.351.381.94

为研究地聚合物胶凝材料在不同配合比下混凝土的力学性能，将地聚合物胶凝材料掺量分为表6所示的6组。再生集料方孔筛余见表7。

表5 水泥性能指标Table5 Cementperformanceindex成份CaOK2OSiO2Na2OFe2O3Al2O3SO3MgO含量/%7.351.3734.130.634.6126.73.211.46

表6 材料配合比Table6 Materialmixratio编号J1J2J3J4J5J6地聚合物胶凝材料掺量/%4.55.05.56.06.57.0含水率/%10.811.111.511.912.312.8

表7 再生集料方孔筛余Table7 Recycledaggregatesquareholescreeningresidues筛孔直径/mm31.5199.54.752.360.60.075累计筛余/%10080462525102

2 地聚合物再生混凝土力学性能分析

道路基层作为路面结构层和道路面层一起承受车辆荷载[10]，因此基层材料的力学性能直接决定了道路的承载能力和使用寿命，本文通过再生混凝土的无侧限抗压强度、劈裂强度和无侧限抗压回弹模量3个力学指标研究其力学性能。

2.1 无侧限抗压强度

混凝土抗压强度采用尺寸为直径150 mm，高150 mm的圆柱形试块，浇筑完成24 h后拆除模板并置于室内养护，室内温度20±5 ℃，相对湿度≥95%，养护龄期根据实验需要决定，最长龄期为90 d，实验中分别取7、28、90 d不同龄期试块放于压力机上进行抗压实验，相同条件下试块分别取3块，实验结果取平均值，强度计算公式如式1所示，压力机为如图2所示的SYE-2000 型压力机。

(1)

式中：fcu为抗压强度，MPa；F为破坏荷载，N；A为受力面积,mm2。

图2 试验用压力机 Figure 2 Test press

按照试验标准和程序，得到了再生混凝土不同龄期的无侧限抗压强度，其结果如表8所示，根据表8绘制图3。

从图3可以发现，当胶凝材料掺量为4.5%时，混凝土7 d龄期下抗压强度小于3 MPa，不符合规范要求，其余条件下再生混凝土抗压强度均大于3 MPa。随着混凝土龄期的增加，其抗压强度也

表8 混凝土无侧限抗压强度Table8 Unconfinedcompressivestrengthofconcrete胶凝材料掺量/%养生龄期/d无侧限抗压强度/MPa72.64.5283.4904.173.15.0283.6904.373.55.5283.9904.673.86.0284.4905.174.26.5284.8905.574.77.0285.4906.2

图3 再生混凝土抗压强度Figure 3 Compressive strength of recycled concrete

随之增加。胶凝材料的用量直接影响了混凝土的抗压强度，从图中可以看出任一龄期下的混凝土在胶凝材料掺量从4.5%增加到7%，抗压强度均随之增强。

2.2 劈裂强度

刚性路面的破坏取决于基层混凝土的极限弯拉强度，因此道路基层混凝土的抗拉强度直接影响了道路的使用年限[11]。劈裂强度是对混凝土抗拉强度的侧面反映，由于混凝土的抗拉强度不容易测得，研究中往往测试其劈裂强度代替抗拉强度，混凝土劈裂强度测定采用尺寸为直径150 mm，高150 mm的圆柱形试块，浇筑完成24 h后拆除模板并置于室内养护，室内温度20±5 ℃，相对湿度≥95%，养护龄期90 d。测得混凝土试块劈裂强度如表9所示，根据表9绘制图4。

表9 再生混凝土劈裂强度Table9 Splittingstrengthofrecycledconcrete胶凝材料掺量/%龄期/d劈裂强度/MPa4.5900.345.0900.405.5900.486.0900.576.5900.617.0900.67

图4 混凝土劈裂强度Figure 4 Concrete splitting strength

从图4可以发现，当胶凝材料掺量为4.5%时混凝土的劈裂强度为0.34 MPa，不符合规范要求，其余试块均符合规范要求。随着胶凝材料掺量的增加，再生混凝土的劈裂强度也随之增加。

2.3 无侧限抗压回弹模量

基层材料的回弹模量反映了基层在荷载作用下抵抗变形的能力，回弹模量越大，路基在承受相同竖向荷载时变形越小[12]。当基层回弹模量不符合规范要求时，需增加结构层厚度以将弹性变形分散给更多的路基材料，当基层结构层厚度过大时材料的弹性变形很小，不能充分发挥材料性能造成资源浪费，因此确定再生混凝土材料的抗压回弹模量，制定合理的基层厚度是十分必要的。混凝土无侧限抗压回弹模量测定采用尺寸为直径150 mm，高150 mm的圆柱形试块，浇筑完成24 h后拆除模板并置于室内养护，室内温度20±5 ℃，相对湿度≥95%，养护龄期90 d，试验用万能试验机如图5所示，根据试验结果计算得到表10所示的不同胶凝材料掺量下再生混凝土无侧限抗压回弹模量。

根据表10绘制了如图6所示的曲线图。

图5 万能试验机Figure 5 Universal testing machine

表10 再生混凝土回弹模量Table10 Modulusofresilienceofrecycledconcrete胶凝材料掺量/%龄期/d回弹模量/MPa4.59025515.09027615.59029946.09032176.59035887.0903923

图6 混凝土无侧限抗压回弹模量Figure 6 Unconstrained compressive resilience modulus of concrete

从图6可以发现，胶凝材料不同掺量下再生混凝土的无侧限抗压回弹模量值均在2 500 MPa以上，均满足规范要求，随着胶凝材料掺量的增加，再生混凝土的无侧限抗压回弹模量增强，应对弹性变形的能力也随之增强。

3 结论

地聚合物是利用矿物或工业废渣提炼的一种聚合材料，地聚合物在碱性溶液催发下有良好的胶凝效果，是水泥的理想替代品。再生混凝土是将废弃的混凝土材料破碎后通过筛分形成不同级配的集料重新浇筑的一种混凝土材料。用地聚合物代替水泥作为再生混凝土的胶凝材料是真正做到废物重新利用，本文从再生混凝土的路用性能出发，以粉煤灰氢氧化钠碱性溶液及水玻璃混合物作为胶凝材料，主要得出了以下结论：

a.通过对混凝土试块进行无侧限抗压强度试验，得到了不同胶凝材料掺量下的再生混凝土抗压强度曲线，从曲线得出，随着地聚合物胶凝材料掺量从4.5%增加到7%，混凝土的抗压强度也随之增长，当胶凝材料掺量为4.5%时，混凝土7 d龄期下抗压强度小于3 MPa，不符合规范要求，其余掺量下任何龄期混凝土抗压强度均满足规范要求。

b.通过对混凝土试块进行劈裂强度试验，得出了不同胶凝材料掺量下的再生混凝土90 d龄期的劈裂强度曲线，从曲线中可以发现，当胶凝材料掺量为4.5%时混凝土的劈裂强度不符合规范要求，其余掺量下试块劈裂强度均符合规范要求。

c.通过对混凝土试块进行无侧限抗压回弹模量试验，得出了不同胶凝材料掺量下的再生混凝土90 d龄期的无侧限抗压回弹模量曲线，从曲线中可以发现，当胶凝材料掺量从4.5%增加到7%，试块无侧限抗压回弹模量均符合规范要求。