钛石膏-矿渣对砖混再生粗集料负压强化效果评价

赵之仲， 柳泓哲， 杨振宇， 石祥玉， 赵连地

（1.山东交通学院交通土建工程学院，山东 济南 250357；2.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 102616；3.山东高速股份有限公司，山东济南 250014；4.山东高速路桥国际工程有限公司，山东 济南 250014）

随着中国城市建设的发展，建筑固废总量已占到城市垃圾总量的30%~40%［1‑2］.当前，中国道路工程建养每年需要消耗砂石等材料数十亿t，逐步成为了大宗建筑固废再利用的主战场［3‑5］.由于砖混再生集料存在强度低、密度小和吸水率高的劣势［6‑9］，在未经强化处理时不能满足相关使用要求，限制了其资源化利用，因此对砖混再生集料进行强化研究迫在眉睫.

采用化学浆液或溶液浸泡、渗透结晶改性、纳米技术改性和碳化处理等方法［10‑12］强化砖混再生集料时，需要的试剂较为昂贵，提高了强化成本，并且碳化过程需要收集CO2并且封存，现阶段也没有合适的碳化设备［13‑14］.钛石膏是硫酸法生产钛白粉的工业固体废弃物，目前仅少量用于水泥缓凝，制备 复 合 胶 凝 材 料 等［15‑16］.因 此，使 用 钛 石 膏 可 以 有效降低生产成本，具有很强的经济性，同时也会消耗大量废弃物，可以保护生态环境，达到以废治废的目的.

现阶段缺少效果明显、成本不高和简单易控的强化材料，也没有较好的强化处理方式.传统搅拌和浸泡强化并不能满足使用要求，已经成为制约强化再生集料广泛应用的瓶颈.从再生集料的强化方式与材料入手，选用一种成本低廉、效果优异的强化材料对砖混再生粗集料（BCRCA）进行强化，并提出一种新的负压强化方式，研究其强度的变化规律，可以解决建筑垃圾资源化利用的问题，在极大程度上促进BCRCA 再生利用技术的推广.

1 原材料

水泥采用山水集团供应的P·O 42.5 水泥，性能如表1 所示.BCRCA 由山东普绿祥环保科技有限公司提供，性能如表2 所示.由表2 可见，BCRCA 的压碎值、吸水率和针片状含量都比较高，分析后发现是由于BCRCA 破碎筛分装置还不够完善，在初期破碎分拣过程中所含杂物并不能完全去除，含有部分的砖瓦碎片、浮石和木屑等垃圾造成的.BCRCA 的孔隙率较高，其中也存在部分浮石，因此导致该集料吸水率较高.

表1 水泥的性能Table 1 Performance of cement

表2 BCRCA 的性能Table 2 Performance of BCRCA

2 强化方式与材料

2.1 负压强化设备

采用课题组自主研发的小型负压强化设备［17］对BCRCA 中单颗粒或小部分粗集料进行强化.在负压的条件下，将强化材料灌入BCRCA 孔隙中，从而达到填充孔隙、强化集料的目的.研究发现，采用二次搅拌的方法，在负压温度为54 ℃下，负压压力控制到75 kPa，稳压12 min 时的强化效果最佳［18］.

2.2 强化材料

图1为钛石膏的XRD图谱.由图1可见，CaSO4·2H2O含量（质量分数，文中涉及的含量、剂量、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比）为41.2%，在强化过程中提供CaSO4.

图1 钛石膏的XRD 图谱Fig.1 XRD pattern of titanium gypsum

图2为矿渣的XRD 图谱.由图2 可见，矿渣含有大量的Al2O3和SiO2，其中活性较高的Al3+和Si2+含量丰富，在反应过程中可以提供足量的Al3+.但是，两者复合反应是很难进行的，所以要利用水泥来提供一定的碱性反应条件，作为复合反应的激发剂使用.因此，在P·O 42.5 水泥中掺入钛石膏和矿渣，将产生大量C‑S‑H 凝胶和钙矾石膨胀晶体，达到封闭、填充孔隙的效果.

图2 矿渣的XRD 图谱Fig.2 XRD pattern of slag

前期研究表明［19‑20］，水泥作为激发剂使用的剂量为5%时，可以提供充足的碱性环境，当m（钛石膏）∶m（矿渣）=2∶3 时，钙矾石的生成量较多而且反应效果最佳.因此，选取m（水泥）∶m（钛石膏）∶m（矿渣）=10∶2∶3 的掺配比例制备强化浆体（T‑S 浆体），同时利用扫描电子显微镜（SEM）观察养护龄期为1、7、14、21 d 时T‑S 浆体的微观形貌，结果如图3 所示.

图3 不同养护龄期下T‑S 浆体的微观形貌Fig.3 Microstructure of T‑S paste with different curing ages

2.3 试验方法确定

2.3.1 T‑S 浆体强化BCRCA

首先，以0.1为间隔，确定T‑S 浆体水胶比mW/mB为1.3~1.8，浆体裹附效果如图4 所示.观察发现：当水胶比为1.3 时，浆体较稠，无法有效裹附BCRCA；当水胶比为1.8 时，浆体太稀，也无法裹附在集料表面.因此，选择1.4、1.5、1.6 和1.7 为试验水胶比.其次，确定2 种强化方式：搅拌裹附强化方式是将BCRCA 放入T‑S 浆体中，基于水泥初终凝时间的影响，利用净浆搅拌机分别搅拌20、40、60 min，并静置5 min，使T‑S 浆体均匀裹附在BCRCA 表面；负压强化方式如2.1 所述.最后，待2 种强化方式处理完成后，为避免集料间的黏结，用筛子轻轻筛分，在室温下静置24 h，得到强化BCRCA.根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》，分别对强化BCRCA的吸水率、压碎值和表观密度进行测定，分析在不同强化方式下BCRCA 3 种性能的变化规律，确定最佳水胶比.

图4 钛石膏-矿渣浆体的裹附效果Fig.4 Adhesion effect of titanium gypsum slag slurry

2.3.2 灌入饱和度试验

将T‑S 浆体所能浸入深度与孔隙总深度的比值定义为灌入饱和度，以此来表征T‑S 浆体灌入孔隙的程度.利用CT 扫描技术对T‑S 浆体强化BCRCA前后的孔隙充盈情况和孔隙特征进行观察，结果如图5、6 所 示. 根 据 图5、6，通 过 分 析 得 到，强 化BCRCA 的闭口孔隙占47%，开口孔隙占36%，连通孔隙占17%.

图5 强化材料灌入程度示意图Fig.5 Schematic diagram of filling degree of strengthening materials

图6 强化BCRCA 的孔隙特征扫描图Fig.6 Scanning graph of pore characteristics of strengthening BCRCA

2.3.3 力学性能与耐久性能评价

水泥稳定碎石基层是路面结构中的主要承重层，不仅要承受由沥青面层上车辆传递下来的行车荷载，还要起到支撑沥青面层的作用，所以水泥稳定碎石基层应具有足够的强度和耐久性.因此，将强化前后的BCRCA 用于水泥稳定碎石中，依据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，分别测试其无侧限抗压强度、劈裂强度、抗疲劳性能以及抗冲刷性能，分析水泥稳定碎石的性能变化规律.

3 结果与分析

3.1 集料强化性能结果分析

图7为采用2 种方式强化后，BCRCA 的吸水率、表观密度和压碎值的变化规律.由图7 可见：

图7 BCRCA 各项性能指标的变化规律Fig.7 Variation law of each performance index of BCRCA

（1）强化BCRCA 的吸水率随着水胶比的增大呈先减小后增大的趋势.分析可知，水胶比变化反映了强化浆体稠度的变化，过稠或过稀都会降低浆体的裹附效果.水胶比为1.5 时，BCRCA 易于被T‑S 浆体包裹.当采用搅拌裹附强化方式时，随着搅拌时间的延长，吸水率不断降低，使更多的T‑S 浆体浸入孔隙中，从而获得了较好的强化效果.在搅拌60 min后强化效果最佳，吸水率降至7.2%.当采用负压强化方式时，T‑S 浆体能够更好地填充集料孔隙，并且反应生成钙矾石晶体和C‑S‑H 凝胶，使集料更加密实，从而有效提高集料的性能，使吸水率降至6.6%，较未强化时降低32.6%.

（2）当水胶比为1.5 时，强化BCRCA 的表观密度达到最大值.这是由于水胶比的不同，导致浆体的稠度和流动性不同，使填充程度出现差异.搅拌时间的影响较弱，当搅拌60 min 时，浆体已经开始趋向于初凝状态；搅拌40 min 后，BCRCA 的表观密度已达到2.673 g/cm3.当采用负压强化方式时，BCRCA 的表观密度较传统搅拌裹附强化方式有所提高，此时浆体中不仅有更多反应生成的钙矾石晶体和C‑S‑H 凝胶填充到孔隙中，在集料表面也会裹附一部分浆体，在其表面形成浆体强化壳，因此负压强化BCRCA 的表观密度可以达到2.678 g/cm3.

（3）强化BCRCA 的压碎值随着水胶比的增大而减小.当水胶比为1.7 时，强化BCRCA 的压碎值达到最优状态，搅拌40、60 min 时的压碎值约为28.0%；经过负压强化后的压碎值降低至27.5%，与原始状态下的32.9%相比，降低了16.4%.但是，与搅拌裹附强化相比，负压强化BCRCA 的吸水率有所减小.当选择水胶比为1.5时，负压强化BCRCA 的吸水率最小、表观密度最大，并且压碎值也变化不大.因此，在负压强化方式下，最优水胶比为1.5.

3.2 灌入饱和度结果分析

从强化方式和孔隙特征2 方面对灌入饱和度的变化规律进行分析，结果如表3 所示.由表3 可见：

表3 灌入饱和度的变化Table 3 Variation change of filling saturation%

（1）从强化方式上来看，当采取传统搅拌裹附强化方式时，BCRCA 的灌入饱和度随着搅拌时间的延长而增大，但是连通孔隙的灌入饱和度仅为15.2%，开口孔隙的灌入饱和度为23.4%.经过负压强强化后，BCRCA 的灌入饱和度有明显提升，其开口孔隙和连通孔隙的灌入饱和度分别提高至38.3%、27.5%.由此看出，负压强化方式可以有效提高强化材料浆体灌入集料孔隙的程度，从而提升了BCRCA的各项性能指标，使其达到使用条件.

（2）从孔隙特征上来看，BCRCA 的开口孔隙灌入饱和度比连通孔隙提升了约25.1%.因为连通孔隙中外部孔隙与内部孔隙的连接通道较为狭窄，T‑S 浆体不易进入孔隙内部，从而导致灌入饱和度较差.开口孔隙具有较宽的流通通道，T‑S 浆体可以更好地灌入粗集料孔隙中，从而达到密实孔隙的目的.因此，负压强化方式能够更好地强化BCRCA.

3.3 水泥稳定碎石混合料强化性能结果分析

级配设计采用4档集料，分别为G1（20~30 mm）、G2（10~20 mm）、G3（5~10 mm）和G4（0~5 mm），筛分试验后调整确定4 档集料比例为m（G1）∶m（G2）∶m（G3）∶m（G4）=17∶23∶23∶37，级配如表4 所示.

表4 水泥稳定碎石混合料的集料级配Table 4 Grading of aggregate of cement stabilized stone mixture

采用水泥剂量为5%，含水量按8%、9%、10%、11%和12%添加，分别进行击实试验，得到水泥稳定碎石混合料含水量与干密度的关系，结果如图8所示.

图8 水泥稳定碎石混合料含水量与干密度的关系Fig.8 Relationship between dry density and water content of cement stabilized stone mixture

3.3.1 无侧限抗压强度分析

表5为不同龄期下的水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度.由表5 可见：（1）未强化集料在95%的保证率下，水泥稳定碎石混合料的7 d 无侧限抗压强度代表值仅为2.1 MPa，适合二级及二级以下中等交通基层或重交通下底基层使用；水泥稳定碎石混合料的90 d 无侧限抗压强度代表值可达到3.9 MPa.（2）对BCRCA 进行负压强化后，在95%的保证率下，水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度代表值为3.8 MPa，相较于未强化时提高约80.9%，可在一级公路和高速公路中用于中等交通基层或集中交通下底基层；水泥稳定碎石混合料的90 d 无侧限抗压强度代表值达到5.6 MPa，比未强化时增长了38.5%.

表5 不同龄期下的水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度Table 5 Compressive strength of cement stabilized stone mixtures at different ages MPa

3.3.2 劈裂强度分析

表6为不同龄期下的水泥稳定碎石混合料劈裂强度.由表6 可见：（1）BCRCA 未强化时，水泥稳定碎石混合料的7 d 劈裂强度代表值仅为0.30 MPa；在养护90 d 后，水化作用逐渐减缓，其劈裂强度的变化趋于稳定，达到0.45 MPa.（2）BCRCA 强化后，水泥稳定碎石混合料的7 d 劈裂强度可达到0.41 MPa，较未强化时强度增长约36.7%；养生90 d 后，水化作用完成，强度形成，此时的劈裂强度可达到0.60 MPa，比未强化时增长了33.3%.

表6 不同龄期下的水泥稳定碎石混合料劈裂强度Table 6 Splitting strength of cement stabilized stone mixtures at different ages MPa

3.3.3 疲劳性能分析

在疲劳性能试验中，首先测定梁式试件的弯拉强度，以便确定疲劳试验的荷载水平，再取4~6 个应力比（K）进行疲劳试验.表7 为水泥稳定碎石混合料的疲劳性能.由表7 可见，当BCRCA 未强化时，水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命(N)仅有约47万次，当BCRCA 强化后，水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命可超过62 万次，强化后的平均疲劳寿命提高了30.8%，说明经过强化后的BCRCA 具有良好的抗疲劳性能.

表7 水泥稳定碎石混合料的疲劳性能Table 7 Fatigue properties of cement stabilized stone mixtures

3.3.4 抗冲刷性能分析

在对BCRCA 强化后的情况下，水泥稳定碎石混合料试件的冲刷质量损失为0.206%，与原始状态下的冲刷质量损失0.242%相比，降低了大约17.5%.主要有4 种因素会影响试件冲刷质量的损失，分别是粗集料性质、养生龄期、水泥剂量以及混合料中细集料的含量.试验中水泥剂量与养生龄期均未改变，因此集料性质和细集料含量为主要影响因素.BCRCA的表面孔隙较多，会吸附一部分粉尘，增大了混合料中细集料的含量，在动水压力的作用下抗冲刷性能较弱.再生粗集料经过强化后，性质得到改善，孔隙得到填充，所以采用强化BCRCA 制备的水泥稳定碎石混合料具有更好的抗冲刷性能.

4 结论

（1）在负压强化方式下，当水胶比为1.7 时，砖混再生粗集料（BCRCA）的压碎值可降低至27.5%，较未强化时降低16.4%.为了兼顾吸水率与表观密度的影响，选择1.5 作为最佳水胶比，此时BCRCA 压碎值所受的影响不大，且吸水率、表观密度达到6.6%、2.678 g/cm3，吸水率较未强化时降低了32.6%.

（2）与传统搅拌裹附强化方式相比，经过负压强化方式强化后，BCRCA 开口孔隙和连通孔隙的灌入饱和度分别提高至38.3%、27.5%，并且T‑S 浆体能够更好地灌入开口孔隙，其灌入饱和度比连通孔隙提升了25.1%.

（3）强化后的BCRCA 用于水泥稳定碎石基层时，其7 d 无侧限抗压强度和劈裂强度分别为3.8、0.41 MPa，较未强化时提升了38.5%、36.7%，可以达到较好的强化效果.

（4）BCRCA 强化后，水泥稳定碎石混合料的平均疲劳寿命提高了30.8%，抗冲刷性能提升了17.5%，具有较好的耐久性能.