含轻质砖的水泥稳定再生集料性能研究

2021-04-20郭立成万暑李浩吴超凡徐艺珅

新型建筑材料 2021年3期

郭立成，万暑，李浩，吴超凡，徐艺珅

（1.佛山市路桥建设有限公司，广东佛山 528300；2.湖南省建筑固废资源化利用工程技术研究中心，湖南长沙 410007；3.湖南云中再生科技股份有限公司，湖南长沙 410007；4.佛山市交通科技有限公司，广东佛山 528300）

目前，我国建筑垃圾大部分仍采用简单的填埋处理或露天堆放，这种处理方式既侵占了大量的土地资源，又造成严重的资源浪费及环境污染问题。以往我国房屋的墙体主要由黏土砖砌筑而成，而现在的墙体多数由轻质砖砌筑而成，因此在房屋的装修和改造过程中会产生大量的轻质砖废料，轻质砖比普通黏土砖吸水率更大，强度更低，因此较难被二次利用。

国内外对建筑垃圾的资源化再利用已有较多的研究，主要途径是将建筑垃圾用于制备再生混凝土[1]、道路基层材料[2]、透水砖等。而利用建筑垃圾制备道路基层材料是目前比较有效的资源化利用途径。胡力群和沙爱民[3]研究了废砖块集料掺量对水泥稳定碎石性能的影响，研究发现，随着废砖块集料含量的增加，混合料的力学性能、干缩应变和抗冻指数下降，温缩应变变大，建议在混合料中废砖块粗集料和细集料掺量不要超过70%和90%。杨俊等[4]研究了含废旧混凝土的水泥稳定基层材料性能，结果表明，混凝土再生集料的压碎值、针片状等性能指标符合路面基层材料设计要求，用混凝土再生集料制备水泥稳定混合料可行。孙家瑛等[5]也得出了相同结论。粟威等[6]探究了建筑废弃物再生集料应用于道路基层的适用性和可行性，建筑废弃物再生集料的基本性能有所降低，但通过合理的加工，仍能符合道路基层施工相关规范要求，在应用过程中应加强原材料指标控制。肖杰等[7]对水泥稳定砖与混凝土再生集料基层的性能进行了研究，结果表明，随再生集料掺量的增加，混合料的抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量先提高后降低，抗冲刷能力下降，干缩系数减小，温缩系数变大，但其7 d 无侧限抗压强度和90 d 劈裂强度均符合相关规范要求，砖混再生集料用作半刚性基层材料是可行的。

从以上研究中可得，砖混再生集料在控制掺量和性能指标条件下应用于道路基层材料是可行的。而目前还没有轻质砖用于制备水泥稳定再生集料混合料的相关研究，本文研究了轻质砖再生细集料掺量对水泥稳定再生集料混合料路用性能的影响，探究废弃轻质砖用作道路基层材料的可行性。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：湖南南方P·C42.5 水泥，密度3130 kg/m3，安定性（沸煮，雷氏夹法）合格，主要技术性能见表1。

表1 水泥的主要技术性能

（2）再生集料：砖混再生集料（ZRA）和轻质砖再生细集料（QRA）。砖混再生集料由建筑垃圾破碎而成，共分为0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm 和19～31.5 mm 四档，压碎值为32.9%；轻质砖再生细集料由废旧轻质砖块破碎而成，粒径为0～4.75 mm。按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》相关试验方法，测得集料的主要技术性能见表2、表3。

表2 再生集料的主要技术性能

表3 再生集料的粒径分布

1.2 混合料设计

本试验研究3 种不同的集料级配，即粗、中、细3 种级配。以4.75 mm 通过率为控制点，粗、中、细3 种级配4.75 mm 通过率分别为35%、50%、70%。另外，试验所用粗集料全部为砖混再生集料，细集料有5 种不同的组成，即轻质砖再生细集料占全部集料质量的0、10%、20%、30%与40%，剩余所需的细集料全部为砖混再生细集料。

1.2.1 级配设计

根据再生集料筛分数据进行混合料级配合成，以4.75 mm通过率为控制点，合成3 种全砖混再生集料级配，各档再生集料掺比见表4，合成级配曲线见图1。由于细集料组成对集料混合料的4.75 mm 通过率影响不大，因此不同轻质砖再生细集料掺量的混合料级配全部按全砖混集料混合料级配进行试验。

表4 混合料的级配组成

图1 混合料的合成级配曲线

1.2.2 击实试验

根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，采用重型击实法确定不同组成混合料的最大干密度和最佳含水率。试验中采用3 种水泥掺量，即4%、5%与6%。表5 为击实试验结果，表中编号70-10-4 混合料表示全部集料4.75 mm 通过率为70%、轻质砖再生细集料掺量为10%、水泥掺量为4%。

表5 混合料击实试验结果

由表5 可见，随着轻质砖再生细集料掺量的增加，混合料的最干密度有较大幅度的下降，且含水率增长较大。

1.3 试验方法

1.3.1 试件成型

试验中所成型的试件包括Ф150 mm×150 mm 圆柱体试件和100 mm×100 mm×400 mm 的长方体试件。其中圆柱体试件用于抗压强度、劈裂强度、模量和抗冲刷性能测试，长方体试件用于收缩性能测试。试件由静压成型，具体步骤参考JTG E51—2009 中T0843-2009 和T0844-2009。成型过程中混合料压实度控制为98%。

1.3.2 测试方法

本研究的测试方法主要参考JTG E51—2009。无侧限抗压强度测试参照T0805-94，试件养护龄期为7 d、28 d、90 d；劈裂强度测试参照T0806-94，试件养护龄期为28 d；无侧限抗压回弹模量测试参照T0808-94，试件养护龄期为90 d；抗冲刷性能测试参照T0860-2009，试件养护龄期为28 d；干缩性能测试参照T0854-2009，试件标准养护7 d 后进行1～90 d干缩测试；温缩性能测试参照T0855-2009，试件标准养护7 d后放入105 ℃的烘箱，烘至恒重后进行-15～45 ℃温缩测试。

2 试验结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度

不同轻质砖再生细集料掺量水泥稳定再生集料混合料的无侧限抗压强度见图2。

由图2 可见：

（1）随轻质砖再生细集料掺量的增加，混合料的无侧限抗压强度逐渐降低。另外当混合料级配为粗型级配时，混合料的无侧限抗压强度随轻质砖再生细集料掺量增加而降低的幅度比中、细型级配混合料的小。可能原因是轻质砖再生细集料在粗型级配的混合料骨架结构中主要起填充作用，相较于中、细型级配混合料，其对混合料结构的受力影响较小。

图2 不同轻质砖再生细集料掺量水泥稳定再生集料混合料的无侧限抗压强度

（2）随水泥掺量的增加，混合料的无侧限抗压强度逐渐提高。随着轻质砖再生细集料掺量增加，图中曲线间的距离变小，一定区域内曲线变密，这说明轻质砖再生细集料掺量增加影响水泥对混合料强度的提升作用。轻质砖再生细集料孔隙比砖混再生细集料多，较容易吸附更多水泥，影响粗集料接触面水泥的量，且砖混再生细集料中的黏土砖微粉具有一定的火山灰活性[8-9]，可与水泥水化产物发生二次水化反应，相当于增加了硅酸盐凝胶的量。而增加轻质砖再生细集料替代砖混再生细集料，减少了上述水化反应的发生。

（3）随养护龄期的延长，混合料的无侧限抗压强度逐渐提高，但随轻质砖再生细集料掺量的增加，混合料强度提高速度变缓。另外，在粗中细3 种级配混合料中，粗型级配的混合料无侧限抗压强度最高，细级配混合料的无侧限抗压强度最低，已有研究表明[10]，骨架型级配混合料强度优于悬浮结构型混合料。

（4）JTG/T F20—2015 规定，用于极重、特重交通的高速公路和一级公路路面基层的水泥稳定材料最小7 d 无侧限抗压强度代表值为5 MPa，底基层为4 MPa；极重、特重交通的二级及二级以下公路路面基层为3 MPa，底基层为2.5 MPa。从本试验结果可得，全砖混再生集料的混合料7 d 无侧限抗压强度满足各等级公路路面基层或底基层要求，当轻质砖再生细集料掺量达到20%时，各级配混合料强度基本在3 MPa 以上，同样满足各等级公路路面基层或底基层要求。因此，全砖混再生集料的水泥稳定混合料可用于各等级公路路面基层，当需掺入轻质砖再生细集料时，应限制掺量在20%以下，且尽量使用粗型级配。

根据试验结果，考虑不同轻质砖掺量以及不同水泥掺量对无侧限抗压强度的影响，回归出不同养护龄期下，各种级配混合料无侧限抗压强度的计算式如下：

7 d 龄期时：

28 d 龄期时：

90 d 龄期时：

式中：R35、R50、R70——分别为4.75 mm 通过率35%、50%、70%的混合料无侧限抗压强度，MPa；

X35、X50、X70——分别为水泥掺量，取0.04～0.06；

Y35、Y50、Y70——分别为轻质砖再生细集料掺量，取0～0.4；

R——相关系数。

对比计算公式中水泥掺量与轻质砖再生细集料掺量对应的系数可得，各级配混合料中水泥掺量对无侧限抗压强度的影响系数随龄期延长而变小，轻质砖再生细集料掺量对无侧限抗压强度的影响系数随龄期延长而变大。在7 d 时，粗型级配和中型级配混合料中水泥掺量对无侧限抗压强度的影响系数大于轻质砖再生细集料的影响系数，而在养护的后期，上述情况相反。这说明早期的粗、中型级配混合料中，水泥掺量对无侧限抗压强度的提高作用大于轻质砖再生细集料掺量增加对无侧限抗压强度的负面作用，后期水泥掺量的提高作用小于轻质砖再生细集料掺量的负面作用。

2.2 劈裂强度

劈裂强度是表征基层材料抗拉特性的指标，基层材料劈裂强度越高，抵抗由车辆荷载作用所产生的弯拉应力能力越强。图3 为不同轻质砖再生细集料掺量水泥稳定再生集料混合料的劈裂强度。

由图3 可见：

（1）随轻质砖再生细集料掺量的增加，混合料的劈裂强度逐渐降低。相对较粗的混合料劈裂强度降幅比细型级配混合料小。在粗型级配混合料中，由于粗集料较多，能形成较好的骨架密实结构，在试件受拉时，轻质砖再生细集料的掺入对试件破裂面的形成影响较小。而在细型级配混合料中，粗集料较少，试件受拉时，破裂面沿细集料处发展，而轻质砖再生细集料颗粒强度较低，所以对试件受拉影响较大。

（2）随水泥掺量的增加，混合料的劈裂强度逐渐提高。水泥掺量的增加对粗型级配混合料劈裂强度的增加效果更明显。水泥稳定再生集料界面处强度对试件的劈裂强度影响较大[7，11]。在粗型级配混合料中，即使再生集料吸水率大，混合料较难搅拌均匀，但混合料中细集料相对较少，粗集料表面较易被水泥浆覆盖，因此水泥掺量增加对界面处的强度提升较大。而在细型级配混合料中，细集料吸附较多的水泥浆，粗集料表面附着的水泥浆较少，水泥增加对界面处强度提升效果不佳。因而水泥对粗型级配混合料劈裂强度作用更明显些。

根据试验结果，回归出各种级配混合料劈裂强度的计算式如下：

式中：S35、S50、S70——分别为4.75 mm 通过率35%、50%、70%的混合料劈裂强度，MPa。

从计算公式中可得，混合料级配由粗到细，水泥掺量对混合料劈裂强度的影响系数逐渐变小，进一步验证了上述的分析。当混合料为粗型级配时，水泥掺量对混合料28 d 劈裂强度的提高作用大于轻质砖再生细集料掺量的影响，当混合料为中与细型级配时，水泥掺量对混合料28 d 劈裂强度的提高作用小于轻质砖再生细集料掺量的影响。

2.3 抗压回弹模量

抗压回弹模量是混合料刚度性能指标，主要受集料密度、集料孔隙率、过渡区特性等影响[3]。图4 为不同轻质砖再生细集料掺量水泥稳定再生集料混合料的90 d 抗压回弹模量。

图4 不同轻质砖再生细集料掺量水泥稳定再生集料混合料的90 d 抗压回弹模量

由图4 可见：

（1）随轻质砖再生细集料掺量的增加，混合料的抗压回弹模量逐渐降低。各级配混合料下降速度差异不大。多数研究认为[7，12-13]，混合料在外力作用下发生的形变与其材料组成比例有关，混合料的整体弹性模量随其组成中较低弹性模量材料占比增加而下降。轻质砖再生细集料相对于砖混再生集料，具有孔隙率大、强度低等特点，因而其掺量是影响混合料回弹模量重要因素。

（2）随水泥掺量的增加，混合料的抗压回弹模量逐渐上提高。粗型级配混合料提高幅度大于细型级配混合料，主要原因是水泥对粗型级配混合料的界面处性能提高效果更加明显。另外，已有研究表明[14]，骨架密实型级配混合料回弹模量优于悬浮密实型混合料。

根据试验结果，回归出各种级配混合料抗压回弹模量的计算式如下：

式中：E35、E50、E70——分别为4.75 mm 通过率35%、50%、70%的混合料抗压回弹模量，MPa。

从计算公式中可得，混合料级配由粗到细，水泥掺量对混合料抗压回弹模量的影响系数逐渐变小，进一步验证了上述的分析。当混合料为粗型级配时，水泥掺量对混合料抗压回弹模量的提升作用大于轻质砖再生细集料掺量的影响，当混合料为中与细型级配时，水泥掺量对混合料抗压回弹模量的提升作用小于轻质砖再生细集料掺量的影响。

2.4 抗冲刷性能

图5 为不同轻质砖再生细集料掺量下混合料的冲刷质量损失。

由图5 可知：随轻质砖再生细集料掺量的增加，混合料试件的冲刷质量损失率逐渐变大；随水泥掺量的增加，混合料试件的冲刷质量损失率逐渐变小。6%水泥掺量的粗型级配混合料试件抗冲刷性能表现最好，而4%水泥掺量的中型级配混合料试件表现最差。粗型级配混合料试件的抗冲刷性能相对较好，中型级配与细级配混合料试件抗冲刷性能差异不大。混合料试件冲刷质量损失主要来源于表面散落颗粒、成型过程中破碎颗粒，以及试件结构内部破碎细料的丢失，主要受混合料粘结强度与空隙率影响[6，15]。轻质砖再生细集料掺量增加，对混合料粘结强度有一定的影响。在粗型级配混合料中，由于粗集料表面有较多的水泥浆，对细集料的粘结能力强，因而试件抗冲刷性能表现好。而在中型级配混合料试件中，虽然其混合料粘结强度比细型级配混合料强，但混合料成型过程中由于粗集料较多，成型的试件空隙率较大，所以其抗冲刷性能表现与细型级配混合料试件相当。

2.5 收缩性能

图6 为不同轻质砖再生细集料掺量下混合料试件的90 d干缩应变。

由图6 可知，随轻质砖再生细集料掺量的增加，混合料试件的干缩应变增大，且上升的幅度逐渐变大；随水泥掺量的增加，混合料试件的干缩应变增大，另外，水泥掺量的增加对粗型级配混合料的干缩影响最大。水泥稳定类材料的干缩应变与混合料的初始含水率有密切的关系[3]，水泥和轻质砖再生细集料的增加提高了混合料的最佳含水率，尤其是轻质砖再生细集料最明显。在粗型级配的混合料中，由于细集料掺量少，所以水泥掺量增加对混合料干缩的影响较明显。在细型级配混合料中，细集料掺量较大，其含有大量的水分，有利于水泥的持续水化，改善混合料内部孔隙结构，减少水分的散失[16]，因此弱化了水泥掺量增加对混合料干缩的影响。

图7 为不同轻质砖再生细集料掺量下混合料在-15～45℃的温缩应变。

由图7 可知，随轻质砖再生细集料掺量的增加，混合料试件的温缩应变逐渐增大，但增大的速度逐渐变缓；随水泥掺量的增加，混合料试件的温缩应变同样增大；水泥掺量对混合料温缩应变的影响大于轻质砖再生细集料掺量的影响，可能原因是砖混再生细集料中的活性成分会与水泥水化产物发生二次水化反应，生成的次生矿物会引起混合料试件温缩应变的增大[3]。