水泥稳定类基层掺入再生粗骨料的强度试验研究

张立群 杨欢欢 熊 航 余泽韬 张学峰 林起飞 周 辉 任忠钊

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着城镇化速度加快，每年产生大量建筑垃圾.数据统计，我国2006年～2017年建筑垃圾年产量由4.7亿吨增长至15.93亿吨[1].截至2018年，中国城市固体生活垃圾量已达70亿吨，可推算建筑垃圾总量为21亿～28亿吨[2].如果随意堆放建筑垃圾，不仅占用土地资源还污染环境，还给人民生活带来不便和隐患.为了解决建筑垃圾再利用问题，对建筑垃圾中的废弃混凝土进行试验研究.国外学者Mohammed Nisreen[3]研究不同强度破碎下的再生骨料性能，在再生骨料取代率分别是50%和100%时，对再生骨料混凝土的抗压强度、弹性模量、劈裂强度和断裂模量等进行试验，试验结果表明，高强度的再生骨料与天然集料性能相当.国内学者张海伟[4]对不同再生骨料取代率(0%、40%、70%、100%)的半刚性基层的路用性能进行研究，得出结论：当再生骨料取代率和水泥掺量一定时，随着龄期的增长，再生骨料水泥稳定碎石的力学强度和抗压弹性模量不断增加.莫俊明[5]将废旧混凝土利用形成再生骨料，以0%、20%、40%、60%、80%、100%的取代率替代天然集料，制备水泥稳定再生碎石基层材料，进行无侧限抗压强度、回弹模量、劈裂强度、抗冻性能、疲劳性能试验，得出结论：随着再生骨料掺量增加材料的力学性能下降，对疲劳寿命的影响尤为显著，对劈裂强度的影响较小，综合考虑掺量应控制在40%以内.本文主要研究废弃混凝土再生粗骨料替代部分天然集料，在不同取代率、不同水泥含量下，分析混合料的7d无侧限抗压强度和劈裂强度的变化规律，为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 材料配合比

表1 材料配合比设计

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.

1.3 试验方法

试件制备参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)》中T0843-2009无机结合料稳定材料试件制作方法，采用静力压实法制备圆柱形.首先，按照高速公路和一级公路等级标准，压实度为98%、保证率是95%(即=1.645)计算数据，称量每个试件不同粒径集料的质量以及水、水泥质量，集料加水闷料4h，闷料时少加入2.0%的水；然后，在闷好的料中加入剩余的水和水泥进行拌和，分3次灌入模具中捣实，模具上下垫块各外露2 cm；最后放到压力机上，以1 mm/min的速率加载，直到垫块全部压入模具为止，并稳压2 min.放置6 h后脱模，装入塑料袋封口放入标准养护室养护.

试件尺寸：直径×高=φ100 mm×100 mm，每组制备9个试件，养护龄期7 d，最后一天浸水.

7d无侧限抗压强度试验：按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)》中T0805-1994无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法，以1mm/min的加载速率加载至试件破坏，记录最大压力P(KN).

图1 压力试验机 图2 脱模器

图3 无侧限抗压强度试验过程 图4 劈裂强度试验

7d间接抗拉强度试验：按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)》中T0806-1994无机结合料稳定材料间接抗拉强度(劈裂强度)试验方法，将试件放到全自动劈裂试验仪上，进行加载至试件破坏.

本试验所用设备采用WHY-2000型微机控制压力试验机、LD178多功能电动液压脱模器、LD716全自动劈裂试验仪.

2 试验数据分析

2.1 抗压强度分析

表2 7d无侧限抗压强度试验结果

通过Origin软件拟合抗压强度代表值与水泥含量的关系，得到抗压强度代表值等于5MPa的水泥含量.

分析试验数据，结论如下：

(1)同一取代率不同水泥含量时，随着水泥含量增加，试件抗压强度值越大；同一水泥含量不同取代率时，随着取代率增大，试件抗压强度值越小.

(2)A组试件水泥含量由3%增加到4%，试件抗压强度增加39.6%，水泥含量再由4%增加到5%，试件抗压强度增加25.7%；

B组试件水泥含量由3%增加到4%，试件抗压强度增加38.5%，水泥含量再由4%增加到5%，试件抗压强度增加37.5%；

C组试件水泥含量由3%增加到4%，试件抗压强度增加40.0%，水泥含量再由4%增加到5%，试件抗压强度增加22.0%；

D组试件水泥含量由3%增加到4%，试件抗压强度增加15.0%，水泥含量再由4%增加到5%，试件抗压强度增加43.5%.

(3)通过Origin软件拟合7d无侧限抗压强度代表值与水泥含量的关系，得到：A、B、C、D组抗压强度代表值=5MPa时，水泥含量分别为3.3%、3.3%、3.6%、4.3%.本试验按照高速公路和一级公路重交通标准，其水泥稳定材料基层的7d龄期无侧限抗压强度标准值为4.0～6.0MPa，取中值5MPa，且强度代表值大于等于标准值，故四组取代率的抗压强度代表值满足5MPa的水泥含量应最少为4.3%.

原因分析：水泥为胶结材料，质量越多水化反应越剧烈强度增长越多，强度越高；再生骨料表面被水泥包裹，对集料之间咬合力有不利影响，减弱混合料的强度，所以取代率增加强度降低.

2.2 应力-应变曲线分析

图6 3%水泥的应力-应变曲线 图7 4%水泥的应力-应变曲线

图8 5%水泥的应力-应变曲线

由图5～图7可知：应力由0增加到峰值的应变小于由应力峰值降低至0.5MPa的应变，上升段较急，下降段较缓；四组取代率的应力应变曲线中，取代率为0%的应力峰值应变均大于取代率为30%、60%、100%的应力峰值应变，说明再生骨料的加入使应变变小，使混合料的韧性变差.

A组 B组

2.3 劈裂强度试验分析

本试验研究水泥含量为4.5%、5.0%，取代率为0%、30%、60%、100%，养护龄期7d，并拟合再生骨料与劈裂强度的关系曲线.

试验结果如下：

表3 7d劈裂强度试验结果

图9 再生骨料取代率与劈裂强度的拟合曲线

分析试验数据，结论如下：

(1)水泥含量一定，随着取代率增加劈裂强度越来越小；5.0%水泥的劈裂强度高于4.5%水泥的劈裂强度；

(2)水泥含量4.5%，取代率从0%依次增加到30%、60%、100%，劈裂强度分别下降10.7%、8.0%、4.3%；水泥含量5.0%，取代率从0%依次增加到30%、60%、100%，劈裂强度分别下降10.2%、3.8%、3.9%；5.0%水泥的强度下降率低于4.5%水泥的下降率，水泥含量的增加使劈裂强度下降减少；

(3)水泥含量从4.5%增加到5.0%，A、B、C、D四组取代率的劈裂强度分别增加5.4%、6.0%、10.9%、11.4%，再生骨料含量越多强度增加越明显.

3 结 论

(1)7d无侧限抗压强度代表值达到5MPa时，A、B、C、D四组取代率的水泥含量分别至少为3.3%、3.3%、3.6%、4.3%.

(2)取代率一定，水泥含量越多抗压强度和劈裂强度越大；水泥含量一定，取代率增加，抗压强度、劈裂强度越来越小.

(3)7d抗压强度应力-应变曲线中，应力从零增加至峰值应变变化量小于应力峰值下降至0.5MPa的应变变化量，上升段较陡，下降段较平缓.