再生粗骨料在道路基层中的试验研究

张立群 杨欢欢 林起飞 周 辉 熊 航 余泽韬 张学峰

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

我国建筑垃圾产量逐年增长，在城市垃圾中的占比越来越大，建筑垃圾的处理方式多数是随意填埋，不仅占用土地资源，还污染环境.为解决这种现象，对建筑垃圾进行研究.国外学者Antonio Lopez-Uceda[1]等人研究再生骨料在混凝土混合料中的性能，分析在不同取代率(0%、50%、100%)和不同水泥量(3%、4%、5%、6%)情况下取代天然材料，对不同配比制备的混凝土进行压实度、力学性能和物理性能进行研究.本文研究的再生骨料作为水泥稳定材料的集料，通过击实试验研究再生粗骨料取代率不同时，混合料的最佳含水量和最大干密度.国内学者李晓静[2]对建筑垃圾的基本特性进行研究，建筑垃圾来源是废弃混凝土块、砖块混合料.本文研究的建筑垃圾来源为寒冷地区(以张家口为例)建筑拆迁工地的废弃混凝土，因此再生骨料的来源不同，其密度、吸水率、压碎值均有差异.因此，本文的研究为寒冷地区的废弃混凝土再生粗骨料在道路基层的应用提供参考.

1 试验

1.1 原材料

(1)水泥：河北张家口金隅水泥生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥.

(2)天然集料：粒径为0-0.075 mm、0.075-0.15 mm、0.15-0.3 mm、0.3-0.6 mm、0.6-1.18 mm、0.18-2.36 mm、2.36-4.75 mm、4.75-9.5 mm、9.5-13.2 mm、13.2-16 mm、16-19 mm的碎石.

(3)再生骨料：粒径为4.75-9.5 mm、9.5-13.2 mm、13.2-16 mm、16-19 mm的再生骨料.

(4)水：普通自来水.

1.2 试验配合比

本试验集料级配采用《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中表4.5.4高速公路和一级公路C-B-2级配中值，再生粗骨料的取代率为0%、30%、60%、100%，水泥掺量分别为3%、4%、5%，标准击实试验时五个不同含水量为3%、4%、5%、6%、7%.

表1 材料配合比设计

注：①含水量分别为3%、4%、5%、6%、7%；②A-1指：水泥掺量为3%，取代率为0%.

1.3 试件制备

标准击实试验采用甲法，选用的击实筒尺寸为φ100 mm×127 mm，每个试件分5层击实，每层击实次数为27次，每组击实5个试件，共12组.

1.4 试验方法

压碎值、密度及吸水率试验的试验方法，参照《公路工程集料试验规程(JTG E42-2005)》中T0316粗集料压碎值试验、T0304粗集料密度及吸水率试验(网篮法)的试验步骤.标准击实试验和无侧限抗压强度试验的试验方法，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)》中T0804-1994无机结合料稳定材料击实试验方法.

试验所用设备采用上海华龙测试仪器股份有限公司生产的WHY-2000型微机控制压力试验机、南京宁曦土壤仪器有限公司生产的SKDJ-1型数控多功能电动击实仪、北京高铁建科技发展有限公司生产的GTJ-YL3型低温溢流水箱.

图1 压力试验机 图2 标准击实仪 图3 低温溢流水箱

2 试验数据分析

2.1 密度及吸水率试验

本试验研究再生粗骨料与天然碎石的密度、吸水率的差异性，比较两者在4.75～9.5 mm和9.5～13.2 mm粒径之间的表观密度、表干密度、毛体积密度及吸水率的值，观察其变化规律.

试验结果如下：

表2 天然粗集料的密度及吸水率试验结果

表3 再生粗骨料的密度及吸水率试验结果

分析试验数据，结论如下：再生粗骨料的密度比天然粗集料的密度略小，再生粗骨料的吸水率高于天然粗集料.由上表可知，再生粗骨料比天然粗集料的表观密度约小0.3，表干密度约小0.4，毛体积密度约小0.5.天然粗集料中4.75 mm～9.5 mm粒径的吸水率为0.48%，9.5 mm～19 mm粒径的吸水率为0.39%，再生粗集料中4.75 mm～9.5 mm粒径的吸水率为7.36%，9.5 mm～19 mm粒径的吸水率为4.92%.因此，再生粗骨料的密度较天然粗集料密度小，并且吸水率远大于天然粗集料的吸水率.

原因分析：再生粗骨料经过破碎机破碎时会产生很多裂缝，导致其密度比天然集料密度小.再生粗骨料表面被水泥浆包裹，水泥的吸水能力大于天然石材，所以再生粗骨料的吸水率大于天然集料的吸水率.

2.2 压碎值试验

通过压碎值试验衡量再生粗骨料和天然集料抵抗压碎的能力，判断能否满足公路工程中集料的力学性质.取风干材料9.5 mm～13.2 mm粒径试样3组，各组约3000 g.

试验结果如下：

表4 天然粗集料压碎值

表5 再生粗骨料压碎值

分析试验数据，结论如下：天然粗集料3组压碎值的平均值为15.40%，符合规范《公路路面基层施工技术细则(JTG-TF20-2015)》的表3.6.1要求，压碎值均小于22%.再生粗骨料3组压碎值的平均值为27.22%，符合规范《道路用建筑垃圾再生骨料无机混合料(JC/T2281-2014)》中5.1.2节表3要求，压碎值均小于30%.再生粗骨料压碎值大于天然粗集料压碎值约11.82%，因此说明，再生粗骨料抵抗压碎的能力比天然集料低.

原因分析：房屋拆除过程中可能采用炸药爆破、挖土机拆除等方式，这些方式对骨料内部造成损伤，建筑垃圾再经过破碎机破碎时，骨料内部再次受到破坏，产生更多裂缝，表面还有水泥浆包裹，故骨料强度较低.而天然集料的内部结构没有被扰动，表面无水泥附着.因此，再生粗骨料抵抗压碎的能力比天然集料低.

2.3 标准击实试验

本试验的试验方法采用甲法，击实筒尺寸为φ100 mm×127 mm.根据试验结果，绘制稳定材料的含水量—干密度关系曲线，确定稳定材料的最佳含水量和最大干密度.

试验结果如下：

表6 建筑垃圾不同配比的最大干密度和最佳含水量

注：A、B、C、D指再生骨料取代率为0%、30%、60%、100%，1、2、3指水泥含量为3%、4%、5%.

分析试验数据，结论如下：水泥含量一定时(即A-1、B-1、C-1、D-1时)，取代率越大，混合料的最大干密度越小，含水量越大.A类材料的最大干密度明显大于B类、C类、D类的最大干密度，四者最大干密度排序为A类>B类>C类>D类.A类材料的最大干密度约为2.3 g/cm3，B类材料的最大干密度约为2.2 g/cm3，C类材料的最大干密度约为2.1 g/cm3，D类材料的最大干密度约为2.0 g/cm3.含水量随着再生骨料含量越高，最佳含水量也越来越高.

原因分析：再生骨料表面被水泥浆包裹，水泥水化需要更多的水，因此再生骨料的最佳含水量大于天然集料的最佳含水量.再生骨料破碎时会产生很多裂纹，且其孔隙率大于天然集料的孔隙率，所以再生骨料含量越高混合料的最大干密度越小.

3 结 论

(1)再生粗骨料的密度小于天然集料密度，吸水率大于天然集料吸水率.因为再生骨料破碎时产生裂缝，其孔隙率大于天然集料孔隙率，所以再生骨料的密度小于天然集料密度，其吸水率大于天然集料的吸水率.

(2)再生骨料抵抗压碎的能力比天然集料能力低，因为再生骨料经过长时间风化、腐蚀，破碎时又产生较多裂缝，所以强度较天然集料低些，但满足《道路用建筑垃圾再生骨料无机混合料(JC/T2281-2014)》中5.1.2节表3的要求.

(3)标准击实试验结果表明，随着再生粗骨料取代率增大，混合料的干密度逐渐减小，含水量逐渐增大.