不同强度废旧混凝土水泥稳定再生材料路用性能研究

2021-06-09郭立成曾国东何禹忠吴超凡韩庆奎蒋岳楼

硅酸盐通报 2021年5期

郭立成，任晃，曾国东，何禹忠，吴超凡，方杨，韩庆奎，蒋岳楼

(1.佛山市路桥建设有限公司，佛山 528000；2.湖南云中再生科技股份有限公司，长沙 410000；3.湖南省建筑固废资源化利用工程技术研究中心，长沙 410000；4.佛山市交通科技有限公司，佛山 528000)

0 引言

水泥混凝土路面具有强度高、刚度大、耐久性能好等优点，但在交通荷载及外界环境的影响下容易出现各种病害，在对水泥混凝土路面进行破除改造的同时，将产生大量的废旧水泥混凝土。废旧混凝土通常采用就地露天堆放和填埋的处理方式，这不仅占用大量土地，还造成水、土、大气综合污染。

因此，对于废旧水泥混凝土板的资源化利用已成为亟待解决的一大难题，也是国内外研究的热点。许多专家学者对此做出了大量的理论及试验研究，其中较为常规的处置方法是将废旧的水泥混凝土路面板破碎、筛分形成不同粒径的再生集料，将再生集料用于水泥混凝土作为路面结构[1-4]或其他构件[5-7]，研究其路用性能及耐久性能，或将再生集料用于水泥稳定类材料作为基层[8-10]或底基层[11-13]。关于水泥稳定再生集料混合料性能方面，Pérez等[14]基于实际应用的道路基础建设，得出再生骨料建造的截面有效性与使用天然骨料建造的截面相似。高启聚等[15-16]将再生集料与非再生集料的技术指标和水泥稳定基层混合料的路用性能对比，结果表明，再生集料的技术指标能够满足规范的技术要求，水泥稳定再生集料具有良好的路用性能。同时，还对废弃路面水泥混凝土的再生利用进行了相关试验研究。纪小平等[17]通过研究再生集料的不同掺量对水泥稳定再生混合料的路用性能变化规律及其影响因素。结果表明，再生集料存在一定的未水化水泥颗粒和活性物质，能发生水化和火山灰反应，对试件的早期强度有改善作用。吴志刚等[18]通过研究普通再生集料和球磨再生集料，得出水泥稳定再生集料的干燥收缩率是评价结合料耐久性的重要指标。

目前在不同废旧混凝土强度与再生集料及水泥稳定再生集料混合料性能之间的关系还鲜有研究。本文在研究不同废旧混凝土强度再生集料性能基础上，按照现行规范系统研究了不同强度废旧混凝土水泥稳定再生集料混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量、抗冲刷及干缩试验性能，探讨废旧混凝土强度对水泥稳定再生材料性能的影响，为不同强度废旧混凝土再生集料的应用提供理论依据。

1 废旧混凝土强度

“十三五”期间对佛山一环进行西拓战略建设，项目分为节点改造(含新建公路)和旧路改造两个部分。主要利用现有道路，通过节点改造、新建等形式对部分破损严重的旧水泥混凝土路面(包括原水稳层)与部分旧桥梁结构进行破除处置。该工程将产生大量废旧桥梁、路面混凝土，其中现有道路、桥梁的设计使用年限分别为15年和50年。

为了确定废旧桥梁中的T梁、立柱及废旧路面混凝土的强度大小，在结构拆除前分别对不同部位进行钻芯测试，并对3种结构的强度进行大致推算。在钻芯取样、芯样抗压强度试验、芯样强度计算及混凝土强度推定中，严格按照《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(JGJ/T 384—2016)中的要求执行。

混凝土强度的推定值应先计算推定区间，推定区间的上限值和下限值分别按式(1)、(2)计算，平均值及标准差分别按式(3)、(4)计算。

fcu,e1=fcu,cor,m-k1scu

(1)

fcu,e2=fcu,cor,m-k2scu

(2)

(3)

(4)

式中：fcu,cor,m、fcu,cor,i分别表示芯样试件混凝土抗压强度平均值和单个值；fcu,e1、fcu,e2分别表示混凝土抗压强度推定上限值和下限值；k1、k2分别表示推定区间上限值系数和下限值系数；scu表示芯样试件抗压强度样本的标准差。

由式(1)～(4)并结合结构钻芯取样抗压强度试验，得出废旧桥梁T梁、立柱及路面混凝土强度的推定值，分别为25.8 MPa、37.4 MPa、58.1 MPa。

2 原材料性质

废旧混凝土再生集料分为0～4.75 mm、4.75～9.50 mm、9.50～19.00 mm、19.00～31.50 mm四种不同的粒径，为了保障再生集料的均一性，将3种不同强度废旧混凝土分别用同一台破碎机和同一套规格的筛网进行破碎筛分。按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)相关试验方法，分别进行了3种再生粗、细集料的性能试验，详见表1、表2(其中%为质量分数)。

表1 粗集料性能Table 1 Properties of coarse aggregate

表2 细集料性能Table 2 Properties of fine aggregate

由表1和表2可知，混凝土强度增加，再生集料各档的吸水率略微有所减小，而相对表观密度小幅增加，但路面混凝土再生集料的最大吸水率仍达到了7.07%，相对表观密度最大达到了2.710 g·cm-3，说明再生集料的吸水率和相对表观密度受强度影响不大。由于再生集料表面本身粗糙且多孔，所以吸水率较一般的天然碎石偏大，相对表观密度偏低，废旧混凝土强度的增加对这两者的影响比较微弱。

废旧T梁、立柱、路面混凝土再生粗集料的压碎值分别为27.5%、26.8%、24.7%，废旧立柱与路面混凝土相对于T梁混凝土来说，再生粗集料压碎值分别减小了约2.5%、10.2%，针片状颗粒含量分别减小了约15.7%、43.1%。随着废旧混凝土强度增加，压碎值和针片状颗粒含量减小的趋势较为显著。这是因为废旧混凝土强度增大，混凝土内部孔隙和气泡都相对较少，结构相对密实，在破碎的过程中不易剥落，且强度较高，不易被压碎。所以，再生集料的针片状颗粒含量和压碎值都在一定程度上有所降低。

随废旧混凝土强度增加，再生细集料液限和塑限均呈现减小的趋势，但塑限指数则由6.3%增加至7.4%。

3 混合料组成设计及试验方案

3.1 级配设计

3种不同强度废旧混凝土水泥稳定再生基层材料级配均采用《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中5.1.2推荐的水泥稳定级配碎石或砂砾推荐级配的骨架密实型级配范围，并都趋于中值，详见表3。

表3 水泥稳定再生基层材料级配Table 3 Gradation of cement stabilized recycled base material

3.2 最佳含水率及最大干密度测试

水泥稳定再生混合料制备水泥剂量为4.5%，最佳含水率和最大干密度根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中的击实试验方法来确定。由第1节可知，废旧T梁、废旧立柱、废旧路面混凝土的强度推定值分别为25.8 MPa、37.4 MPa、58.1 MPa。3种水泥稳定再生混合料的含水率及干密度随废旧混凝土强度的变化关系如图1所示。

图1 最佳含水率及最大干密度Fig.1 Optimum moisture content and maximum dry density

由图1可知，废旧T梁、立柱、路面混凝土水泥稳定再生材料的最佳含水率分别为9.4%、8.7%和7.5%，最大干密度分别为2.047 g·cm-3、2.093 g·cm-3和2.188 g·cm-3。立柱相对于T梁混凝土、路面相对于立柱混凝土的最佳含水率分别减小了7.4%、13.8%，最大干密度分别增加了2.2%、4.5%。随着混凝土强度的增加，水泥稳定再生材料的最佳含水率、最大干密度分别呈接近线性减小和增大的趋势，这表明废旧混凝土强度对水泥稳定再生材料的最佳含水率和最大干密度影响较大。

3.3 试验方案

为了研究不同强度废旧混凝土对水泥稳定再生材料的力学性能及耐久性能的影响，根据击实试验方法试验结果，采用静力压实法成型φ150 mm×150 mm圆柱形试件及100 mm×100 mm×400 mm梁式试件，压实度均按98%控制，水泥剂量同样为4.5%，参照规范JTG E51—2009相关指标控制及试验要求，分别开展：7 d、28 d、90 d、180 d无侧限抗压强度试验；28 d劈裂强度试验；90 d、180 d抗压回弹模量试验；抗冲刷、干缩试验。

4 结果与讨论

4.1 无侧限抗压强度

图2为3种不同强度废旧混凝土水泥稳定再生混合料分别在不同龄期下的无侧限抗压强度试验结果。

由图2可知，水泥稳定再生混合料的无侧限抗压强度随着废旧混凝土强度的增加而增大，表明在一定范围内选用高强度废旧混凝土能提高其水泥稳定再生混合料的无侧限抗压强度。废旧T梁、立柱、路面混凝土水泥稳定再生混合料无侧限抗压强度在7 d龄期分别为5.55 MPa、6.03 MPa、6.51 MPa，28 d龄期强度分别为6.91 MPa、7.43 MPa、7.99 MPa，180 d龄期强度分别为8.05 MPa、8.76 MPa、9.33 MPa。3种水泥稳定再生混合料无侧限抗压强度在180 d龄期达到最大，废旧T梁、立柱、路面混凝土水泥稳定再生混合料无侧限抗压强度在7 d至28 d龄期分别增加了24.5%、23.2%、22.7%，在28 d至180 d龄期分别增加了16.5%、17.9%、16.8%。3种水泥稳定再生混合料的无侧限抗压强度在7 d至28 d龄期内强度增长速率均大于28 d至180 d龄期，表明水泥稳定再生混合料早期强度增长速率较快，后期强度也在持续增长，但增长较为缓慢。

图2 无侧限抗压强度试验结果Fig.2 Test results of unconfined compressive strength

4.2 劈裂强度

图3为3种不同强度废旧混凝土水泥稳定再生混合料分别在不同龄期下的劈裂强度试验结果。

图3 劈裂强度试验结果Fig.3 Test results of splitting strength

由图3可知，水泥稳定再生混合料在不同龄期的劈裂强度随废旧混凝土强度增加的变化规律与无侧限抗压强度一致，均呈现增大的趋势。废旧T梁、立柱、路面混凝土水泥稳定再生混合料劈裂强度在7 d龄期分别为0.41 MPa、0.46 MPa、0.54 MPa,28 d龄期强度分别为0.55 MPa、0.62 MPa、0.73 MPa,90 d龄期强度分别为0.78 MPa、0.89 MPa、1.05 MPa。废旧T梁、立柱、路面混凝土再生水泥稳定混合料劈裂强度在7 d至28 d龄期分别增加了34.1%、34.8%、35.2%，28 d至90 d龄期分别增加了41.8%、41.9%、43.8%。3种水泥稳定再生混合料的劈裂强度在7 d至28 d龄期内强度增量均小于28 d至90 d龄期。

分析原因：一方面是水泥在龄期内的水化作用，使得整体强度增加；另一方面是废旧混凝土再生集料表面粗糙，且集料与集料界面之间的混凝土还有一定的活性，在经加水拌和、制件、养生过程中可能存在二次水化作用，从而在界面之间会产生更多的水泥水化产物，使得界面之间的黏聚力大大增强。随废旧混凝土强度增加，再生集料强度也随之增大，这种黏聚力增大的趋势表现的更为明显，所以劈裂强度的增量也略微呈增大的趋势。

4.3 抗压回弹模量

图4为3种不同强度废旧混凝土水泥稳定再生混合料分别在28 d和90 d龄期的抗压回弹模量试验结果。

图4 抗压回弹模量试验结果Fig.4 Test results of compressive resilience modulus

由图4可知，在不同龄期下，各混合料的抗压回弹模量随着废旧混凝土强度的增加而增大，与无侧限抗压强度及劈裂强度的变化规律相似。废旧T梁、立柱、路面混凝土在28 d龄期下的抗压回弹模量分别为1 861 MPa、2 219 MPa、2 561 MPa，在90 d龄期下的抗压回弹模量分别为2 109 MPa、2 540 MPa、2 986 MPa，并且28 d至90 d龄期，抗压回弹模量分别增加了12.9%、14.5%、16.6%。

4.4 干缩性能

表4为不同强度废旧混凝土水泥稳定再生混合料干缩试验结果。

表4 干缩性能试验结果Table 4 Dry shrinkage test results

由表4可知：随着废旧混凝土强度的增加，干缩系数由40.36×10-6增加至46.44×10-6，混合料的干缩性能降低；干缩应变则从395.5×10-6减小至376.6×10-6，这是因为干缩应变与含水量有着密切的联系，一般来说，初始含水量越大，相应的干缩应变也就越大。虽然再生集料的吸水率大，但在试件成型的过程中的含水量大，使得混合料的干缩应变和失水率也越大，在单位失水率下的干缩应变反而越小，所以干缩系数减小。

4.5 抗冲刷性能

图5为不同废旧混凝土强度水泥稳定再生混合料的冲刷试验结果。

由图5可知，随着废旧混凝土强度的增加，混合料的冲刷质量损失呈现降低的趋势，由0.20%减小至0.15%。虽然冲刷前后的质量损失较高，但抗冲刷能力还是稍有提升。再生集料表面胶结的混凝土开口孔隙较多，在冲刷试验作用下表层细集料及混凝土材料容易脱落，但废旧混凝土强度的增加能在一定程度上弥补这一缺陷，所以抗冲刷性能增强。