水泥稳定再生粗集料混凝土路用性能试验研究

李 柱

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

截至2020年底，我国建筑垃圾已经接近35亿吨，约占废弃物垃圾总量的30%，且呈逐年增长的趋势。将建筑垃圾应用于公路工程再生集料，能够有效缓解环境污染、减少土地占用，具有节约矿石资源、可操作性强等优点。因此，有必要对建筑垃圾再生材料进行研究。

近年来，围绕建筑垃圾再生材料路用性问题，我国学者进行了大量研究，成果颇丰。樊星华等对砖混材料、砖石材料及素混凝土材料建筑垃圾的路用性进行了试验研究，分析了水泥稳定再生混凝土的物理力学性质[1]。邓陈记等针对再生粗骨料变异性影响半刚性基层稳定问题，以吸水率作为评价指标，对水泥稳定再生材料进行评价[2]。陈锋等针对再生集料混凝土的抗拉性能问题，通过劈裂试验对水泥稳定再生粗集料混凝土进行研究[3]。李致远等通过抗压强度试验、劈裂试验及刚度性能试验对不同掺量及养护龄期的水泥稳定再生粗集料混凝土进行了研究[4]。孙家瑛等通过室内试验，对再生集料对水泥稳定碎石基层的影响机制进行了研究[5]。赵之仲等针对废弃建筑垃圾回收再利用问题，对钛石膏—矿渣对水泥稳定砖混的影响进行了研究，分析了钛石膏—矿渣浆液的强化作用机理[6]。王玥珩针对沥青混凝土路面病害问题，采用几种不同材料掺入泡沫沥青混凝土中，分析了混合料的高温稳定性[7]。李鹏飞等同样对泡沫沥青冷再生混凝土病害问题进行了研究，分析了水泥掺量对混合料力学性质的影响[8]。梁行行等为研究建筑垃圾再生集料混凝土的力学特性，对不同种类、不同级配的建筑垃圾的击实特性及强度特性进行了试验研究[9]。周盛树等为研究再生集料混凝土物理力学性质的影响因素，对不同比例水泥量及再生集料掺量下的混凝土进行了分析[10]。

综上，已有较为丰富的关于建筑垃圾再生材料路用性的研究成果。本文在已有研究的基础上，以沈阳某废弃建筑剃筋混凝土制备再生粗集料，置换公路基层水泥混凝土天然粗集料，分析水泥稳定再生粗集料混凝土的路用性，为建筑垃圾再生粗集料在工程中实际应用提供理论依据。

1 试验介绍

本文试验用水泥产自阜新鹰牌水泥厂有限公司，型号为P·O42.5普通硅酸盐水泥。技术参数包括：密度为2.714 g/cm3，标准稠度为0.63%，烧失量为2.6%，细度为5.1%，初凝时间为63 min，终凝时间为279 min，28 d抗压强度为42 MPa。细集料为市面常见的天然河砂，表观密度为1.472 g/cm3，压碎值为36.52%；粗集料为石灰岩，表观密度为2.683 g/cm3，压碎值为11.57%，粒径范围在5～10 mm之间。减水剂为普通水泥混凝土减水剂。标准水泥混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

为研究水泥稳定再生粗集料混凝土的路用性，本文再生粗集料采用沈阳某废弃建筑破碎后的纯混凝土块，经筛分后得到粒径范围5～10 mm的再生粗集料(图1)。将不同比例的再生粗集料掺入水泥混合料中以置换石灰岩粗集料，置换率为0、25%、50%、75%和100%。养护龄期分别为7、14、21、28和70 d。

图1 再生粗集料

根据表1水泥混凝土配合比，制备不同置换率的混凝土试样，尺寸为高100 mm、直径100 mm的圆柱体，分别进行无侧限抗压试验、劈裂试验和刚度性能试验。

2 结果分析

2.1 无侧限抗压试验

对不同工况下再生粗集料混凝土试样进行无侧限抗压试验，结果见图2。由图2(a)可以看出，当养护龄期小于等于28 d时，随着再生粗集料掺量的逐渐增加，试样的无侧限抗压强度呈先减小后增大的变化趋势；当养护龄期达到70 d时，试样的无侧限抗压强度随养护龄期逐渐减小。根据试验结果，以养护龄期28 d为例，当再生粗集料质量分数为0时，试样的无侧限抗压强度为6.94 MPa；当再生粗集料质量分数为50%时，试样的无侧限抗压强度为6.53 MPa，与质量分数为0时相比，减少了约5.91%；当再生粗集料质量分数为100%时，试样的无侧限抗压强度为6.78 MPa，与质量分数为50%时相比，增加了约3.69%。产生前述现象的原因是：① 养护初期，水泥稳定再生粗集料尚未完全胶结，强度尚未达到最佳状态；② 废弃建筑再生粗集料表面含有大量的活性物质，与水泥接触后发生化学反应，形成早期强度，且再生粗集料掺量越高，早期强度就会越大；③ 当养护龄期达到一定时间后(70 d)，水泥混凝土强化基本完成，由于石灰岩粗集料的力学性质强于再生粗集料，因此掺量越大，强度越低。

图2 无侧限抗压强度分布曲线

由图2(b)可以看出，不同再生粗集料掺量下，随着养护龄期的逐渐延长，试样的无侧限抗压强度均呈逐渐递增变化趋势，但曲线斜率在逐渐减小。根据试验结果，以再生粗集料质量分数为50%为例，当养护龄期为7 d时，试样的无侧限抗压强度为5.79 MPa；当养护龄期为28 d时，试样的无侧限抗压强度为6.53 MPa，养护龄期7～28 d再生粗集料混凝土的日强度增长率约为3.52%；当养护龄期为70 d时，试样的无侧限抗压强度为7.15 MPa，养护龄期28～70 d再生粗集料混凝土的日强度增长率约为1.48%，可见，试样的无侧限抗压强度增长逐渐趋缓。产生上述现象的原因是，养护初期水泥混合料发生剧烈的化学反应，生成了大量的钙质胶凝材料，将粗细集料之间相互胶结形成整体，导致早期强度提升较快，随着养护时间的延长，混合料内部能够发生化学反应的材料逐渐减少，导致强度提升逐渐趋缓。

2.2 劈裂强度

对不同工况下再生粗集料混凝土试样进行劈裂试验，结果见图3。由图3(a)可以看出，不同养护龄期下，随着再生粗集料掺量的逐渐增加，试样的劈裂强度均呈逐渐增大的变化趋势。根据试验结果，以养护龄期28 d为例，当再生粗集料质量分数为0时，试样的劈裂强度为0.53 MPa；当再生粗集料质量分数为50%时，试样的劈裂强度为0.62 MPa，与质量分数为0相比增加了约16.98%；当再生粗集料质量分数为100%时，试样的劈裂强度为0.67 MPa，与质量分数为50%时相比增加了约8.06%。产生前述现象的原因是，在水凝混凝土劈裂试验中，破坏裂缝首先发生在水泥—粗集料交界面，由于再生粗集料表面较为粗糙，孔隙较多，在与水泥拌和过程中，水泥能够沿表面孔隙进入再生粗集料内部，增强了水泥与集料之间的咬合力，进而使劈裂强度得到提升。

图3 劈裂强度分布曲线

由图3(b)可以看出，不同再生粗集料掺量下，随着养护龄期的逐渐延长，试样的劈裂强度均呈逐渐递增的变化趋势，但曲线斜率在逐渐减小。根据试验结果，以再生粗集料质量分数50%为例，当养护龄期为7 d时，试样的劈裂强度为0.38 MPa；当养护龄期为28 d时，试样的劈裂强度为0.53 MPa，养护龄期7～28 d再生粗集料混凝土的日劈裂强度增长率约为2.25%；当养护龄期为70 d时，试样的劈裂强度为0.73 MPa，养护龄期28～70 d再生粗集料混凝土的日劈裂强度增长率为0.65%，可见，试样的劈裂强度增长逐渐趋缓。原因同前。

2.3 回弹模量

对不同工况下再生粗集料混凝土试样进行刚度性能试验，结果见图4。由图4(a)可以看出，当养护龄期小于等于28 d时，随着再生粗集料掺量的逐渐增加，试样的回弹模量呈先减小后增大的变化趋势；当养护龄期达到70 d时，试样的回弹模量随养护龄期逐渐减小。根据试验结果，以养护龄期28 d为例，当再生粗集料质量分数为0时，试样的回弹模量为1 401.2 MPa；当再生粗集料质量分数为50%时，试样的回弹模量为1 307.5 MPa，与质量分数为0时相比减少了约6.69%；当再生粗集料质量分数为100%时，试样的回弹模量为1 369.4 MPa，与质量分数为50%时相比增加了约4.73%。原因同前。

图4 回弹模量分布曲线

由图4(b)可以看出，不同再生粗集料掺量下，随着养护龄期的逐渐延长，试样的回弹模量均呈逐渐递增的变化趋势，但曲线斜率在逐渐减小。根据试验结果，以再生粗集料质量分数50%为例，当养护龄期为7 d时，试样的回弹模量为1 008.5 MPa；当养护龄期为28 d时，试样的回弹模量为1 307.2 MPa，养护龄期7～28 d再生粗集料混凝土的日回弹模量增长率约为1.48%；当养护龄期为70 d时，试样的回弹模量为1 502.7 MPa，养护龄期28～70 d再生粗集料混凝土的日回弹模量增长率约为0.36%，可见，试样的回弹模量增长逐渐趋缓。原因同前。

3 结论

(1)养护龄期小于等于28 d时，随着再生粗集料掺量的逐渐增加，试样的无侧限抗压强度呈先减后增趋势；当养护龄期达到70 d时，试样的无侧限抗压强度随养护龄期逐渐减小。随着养护龄期的逐渐延长，水泥稳定再生粗集料混凝土的无侧限抗压强度均呈逐渐递增变化趋势，但曲线斜率在逐渐减小。

(2)随着再生粗集料掺量的逐渐增加，试样的劈裂强度呈逐渐增大的变化趋势。随着养护龄期的逐渐延长，水泥稳定再生粗集料混凝土的劈裂强度均呈逐渐递增的变化趋势，但曲线斜率在逐渐减小。

(3)养护龄期小于等于28 d时，随着再生粗集料掺量的逐渐增加，试样的回弹模量呈先减后增趋势；当养护龄期达到70 d时，试样的回弹模量随养护龄期逐渐减小。随着养护龄期的逐渐延长，水泥稳定再生粗集料混凝土的回弹模量均呈逐渐递增变化趋势，但曲线斜率在逐渐减小。