水泥稳定砖砼再生集料路用性能试验研究

李曙龙

(湖南省长益高速公路扩容工程建设开发有限公司， 湖南 长沙 410001)

新城建设和旧城改造中会产生大量建筑废弃物，而中国目前建筑废弃物的总利用率不足5%，远低于欧、美等90%的综合利用水平。由于大部分建筑废弃物未经有效处理，通常是随意堆放和填埋处理，不仅侵占大量土地，还会污染水体和大气，严重破坏生态环境。这些建筑物废弃物主要由水泥砼和少量砖渣构成，其本身具有良好的物理力学性质，在经过破碎分拣后具有代替天然集料的潜力，并在水泥砼及基层施工中得到应用。该文参照砖砼建筑废弃物在水泥砼及路面基层中的应用成果，将砖砼建筑废弃物用于水稳基层中，以降低公路建设对天然集料的依赖程度，同时促进砖砼建筑废弃物的有效回收利用。

1 原材料性能

所用天然集料为石灰岩。依据JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》对路用集料的要求，结合JTG/E 42-2005《公路工程集料试验规程》中的试验方法，对天然集料和砖砼再生集料的表观密度、吸水率等性能进行检测，结果见表1～2。扫描电子显微镜(SEM)下天然集料与再生集料的微观结构见图1。

表1 粗集料检测结果

表2 细集料检测结果

图1 集料的微观结构

由表1、表2可知：相比于天然集料，各粒径下砖砼再生粗集料的表观密度较小，吸水率更大。这可能与砖砼再生集料性质有关，砖砼再生集料的表面及内部存在较多微孔隙，其质量较轻，同时大量微孔隙的存在增大了对水的吸附能力，导致砖砼再生集料掺量较高时，水稳基层混合料的吸水率增大。

2 水泥稳定混合料试验设计

2.1 级配设计

考虑到骨架密实型结构具有较好的力学性能，水泥稳定再生集料基层采用JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》推荐的水泥稳定级配碎石(C-B-3)级配范围的中值(见表3)。为保证均匀性，分别将天然集料和再生集料过31.5、19.0、9.5、4.75、2.36、0.6、0.075 mm筛备用。

表3 水泥稳定再生集料的级配

2.2 击实试验结果分析

依据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中重型击实试验方法开展击实试验，再生集料掺量分别为0、15%、30%、50%，水泥剂量分别为3%、4%、5%。试验结果见图2。

图2 水泥稳定砖砼再生集料击实试验结果

由图2可知：随着砖砼再生集料掺量的增加，水泥稳定砖砼再生集料的最大干密度下降，最佳含水量上升。水泥剂量为4%时，随着再生集料取代率由零增加到50%，混合料的最大干密度由2.373 g/cm3降低到2.253 g/cm3，最佳含水率由5.33%增大到8.32%，表明砖砼再生集料掺量的增加会对混合料的击实性能产生影响。

3 水泥稳定混合料力学性能分析

3.1 试验方案

依据JTG D50-2006和JTG E51-2008中要求及试验方法，开展3%、4%、5%水泥剂量下水泥稳定混合料7 d无侧限抗压强度试验，4%水泥剂量下7、28、90 d无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量试验及90 d干缩、温缩性能试验，分析不同砖砼再生掺量对水泥稳定混合料性能的影响。

3.2 无侧限抗压强度

不同水泥剂量下，不同取代率水泥稳定砖砼再生集料在7、28、90 d龄期时的抗压强度试验结果见图3、图4。

图3 水泥稳定砖砼再生集料的7 d无侧限抗压强度

图4 4%水泥剂量下水泥稳定砖砼再生集料的无侧限抗压强度

由图3可知：不同取代率下，水泥稳定砖砼再生集料的7 d无侧限抗压强度随着水泥剂量的增加而增大，但当砖砼再生集料取代率超过15%时，混合料强度增加速度下降。究其原因，可能是水泥剂量较低时，随着砖砼再生集料掺量的提高，附着在砖砼表层的部分未水化或水化不完全的水泥颗粒在与集料表面的水膜接触后水化效果更好，生成的水化胶凝物质增多，从而使混合料的强度提高；而砖砼再生集料掺量过高时，砖砼再生集料表面分布的水泥颗粒含量减少，水化反应变差，影响集料颗粒间的黏结，导致混合料的整体强度增加缓慢。

由图4可知：4%水泥剂量时，水泥稳定砖砼再生集料的7、28、90 d抗压强度均随着砖砼再生集料掺量的增加呈先增大后减小的趋势。砖砼再生集料取代率为30%时，水泥稳定砖砼再生集料的抗压强度最大，其7、28、90 d无侧限抗压强度分别为3.52，4.82，5.29 MPa，分别比同龄期普通水泥碎石的强度提高1.7%，5.9%，5.5%。

3.3 劈裂强度

4%水泥剂量下，水泥稳定砖砼再生集料7、28、90 d龄期劈裂强度见图5。

图5 水泥稳定砖砼再生集料的劈裂强度

由图5可知：砖砼再生集料取代率低于30%时，混合料的劈裂强度随着再生集料取代率的提高而增大，30%取代率下水泥稳定砖砼再生集料相对于普通水泥稳定碎石的劈裂强度，7 d龄期时提高11.4%，28 d龄期时提高8.5%，90 d龄期时提高9.8%；取代率超过30%时，劈裂强度下降明显。究其原因，砖砼再生集料掺量一定时，混合料水化反应生成的水化产物嵌入砖砼再生集料和天然集料之间，使两种集料之间的黏结性更好，彼此相互摩擦嵌挤，因而强度较高；而取代率过高时，由于混合料中天然集料含量显著减少，无法形成更稳定的骨架，导致劈裂强度下降明显。

3.4 抗压回弹模量

7、28、90 d龄期时水泥稳定砖砼再生集料的抗压回弹模量见图6。

由图6可知：混合料的抗压回弹模量与抗压强度、劈裂强度具有相似的表现，都随着再生集料取代率的增加出现先上升后下降的趋势。砖砼再生集料取代率为15%、30%、50%时，与普通水泥稳定碎石抗压回弹模量相比，7 d龄期时分别提高12.7%、16.1%、-14.2%，28 d龄期时分别提高13.5%，13.8%，-13.7%，90 d龄期时分别提高4.7%，5.9%，-16.8%。

图6 水泥稳定砖砼再生集料的抗压回弹模量

3.5 干缩性能

不同取代率下水泥稳定砖砼再生集料的90 d干缩试验结果见图7。

图7 水泥稳定砖砼再生集料的干缩系数

由图7可知：砖砼再生集料取代率由零增加到50%时，水泥稳定砖砼再生集料的干缩系数从90.12×10-6逐渐减小到66.55×10-6，表明砖砼再生集料取代率的增加能降低水泥稳定砖砼再生集料的干缩系数。可能是因为随着再生集料掺量的增加，混合料整体空隙比例增大，吸水率显著提高，而混合料内部的水分有助于自身的养生，从而使混合料干缩系数变小。

3.6 温缩性能

不同取代率下水泥稳定砖砼再生集料的温缩试验结果见表4。

由表4可知：在30～40 ℃条件下，砖砼再生集料取代率由零增加到50%时，混合料的温缩系数由8.82×10-6℃-1下降到6.36×10-6℃-1。表明一定取代率下，增加砖砼再生集料的取代率能明显降低水泥稳定砖砼再生集料的温缩系数。

表4 水泥稳定砖砼再生集料的温缩系数

4 结论

(1) 相较于天然集料，砖砼再生集料具有吸水率大、强度低、密度小、表面孔隙及微裂缝较多、压碎值大等特点。

(2) 随着砖砼再生集料取代率的增大，混合料最大干密度降低，最佳含水率显著增大。

(3) 随着水泥剂量的增加，水泥稳定砖砼再生集料的力学性能提高，其中砖砼再生集料取代率为30%时，混合料的力学强度最大，相对于普通水泥稳定碎石，7 d龄期时水泥稳定砖砼再生集料的抗压强度提高1.7%，劈裂强度提高11.4%，抗压回弹模量提高12.7%。早期力学强度的提高说明水泥稳定砖砼再生集料的整体路用性能较好。

(4) 在一定取代率范围内，混合料的干缩和温缩性能随着砖砼再生集料取代率的增加而下降，说明砖砼再生集料的掺入可改善水稳基层的体积收缩性能，使水稳基层的路用性能更稳定、耐久性更好。