含砖块水泥稳定建筑垃圾基层耐久性研究

齐琳　于保阳　赵锋

关键词：道路工程;基层;建筑垃圾;耐久性;砖块含量;冻融循环;SEM 电镜

中图分类号：U414;X734 文献标识码：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx01008

中国正处于基础设施建设的高峰期，公路路面建設需要消耗大量碎（砾）石材料，从而导致天然石料过度开采[1-2]。目前中国实施“三改一拆”等措施，房屋建筑的拆除会产生大量建筑垃圾，而这些建筑垃圾通常采用露天堆放或者填埋的处理方式，不仅占用大量土地，还会引起土壤、水体和空气污染等问题。如何合理利用并提高建筑垃圾的利用率已成为研究热点。本文将建筑垃圾应用于路面基层当中，既能减少天然石料的过度开采，也能变废为宝，具有十分重要的工程意义。

国内外已对建筑垃圾用于道路基层或底基层进行了大量研究[3-4]，建筑垃圾包括废弃混凝土及碎砖块。1）在建筑垃圾的利用方面：XUAN 等[5]研究水泥稳定建筑垃圾基层性能，通过降低建筑垃圾质量掺量、增加水泥剂量和提高压实度等方法使抗压强度、抗压回弹模量满足要求。POON 等[6]通过调整建筑垃圾混合料的级配、含水量，优化混合料的稳定性、抗剪强度、弯拉强度和抗压强度等，其结果显示路面基层和底基层选用建筑垃圾代替天然石料能够满足使用要求。纪小平等[7]将建筑垃圾按0，30%，60%，100%质量掺量代替天然碎石，研究发现水泥稳定建筑垃圾的最大干密度随建筑垃圾增加而降低，强度和刚度随建筑垃圾质量掺量增加而减小，干缩性能、水稳定性随建筑垃圾质量掺量的增加而降低。刘克非等[8]将建筑废料用做道路基层材料，并进行力学与干缩性能试验，测试了不同质量掺量建筑废料、不同水泥剂量对无侧限抗压强度、劈裂强度和干缩应变的影响。二级及二级以下公路采用建筑废料作为基层材料时，建筑废料质量掺量控制在粗骨料总量的50%以内，水泥剂量不超过5%。由于水稳建筑废料基层材料干缩性能较差，在工程中需注重工程初期的养生措施，防止产生大量的干缩裂缝。郭立成等[9]研究了水泥稳定建筑垃圾的力学性能与耐久性能，研究表明较高强度的废旧混凝土可以有效提高水泥稳定再生基层材料的力学性能，包括无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量，在耐久性能中可以减弱干缩性能。2）在碎砖块的利用方面：余红明[10]利用砖混骨料制作再生水泥稳定材料，研究了水泥掺量、骨料级配类型及养护龄期对砖混骨料再生水泥稳定材料的力学、变形及耐久等各项性能的影响，并通过XRD/MIP/SEM 等微观技术手段探究了强度形成机理。孟钦龙[11]用破碎的废弃黏土砖集料代替天然碎石，并通过掺加玄武岩纤维提升水稳基层材料的性能，研究表明玄武岩纤维可以改善由于砖块含量增加对水稳基层材料耐久性的不利影响。

上述研究中将建筑垃圾应用在了道路基层中。但建筑垃圾的成分复杂，主要为旧混凝土块与砖块，砖块在建筑垃圾中的含量不可忽略，砖块的物理性能相比较天然集料与旧混凝土块差距很大，砖块的含量影响着水泥稳定建筑垃圾基层的性能。建筑垃圾中砖块与旧混凝土块掺杂，单独挑选砖块费时费力，如果不将砖块有效利用，建筑垃圾就无法充分利用，因此砖块对水泥稳定建筑垃圾基层的影响不可忽略。

由于水泥稳定建筑垃圾基层的材料特性，以及在使用过程中还受到温度、湿度变化的影响，因此需要检验水泥稳定建筑垃圾基层的耐久性。本文主要以不同砖块含量的建筑垃圾研究水泥稳定建筑垃圾基层的抗冻性能以及收缩性能，并从微观角度观察水泥稳定建筑垃圾基层的内部结构变化、细微裂缝的积累、水化物的产生等。将宏观与微观相结合分析砖块含量对水泥稳定建筑垃圾基层的耐久性的影响。

1 原材料

1）采用山水牌32.5级粉煤灰硅酸盐水泥，其技术指标见表1，性质符合《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）的要求[12]。

2）建筑垃圾取自沈阳李相固废回收站，其中砖块含量为18.18%（质量分数，下同），由于建筑垃圾中的砖块含量存在一定的离散性，并且考虑到本研究对不同来源建筑垃圾的普适性，决定扩大建筑垃圾中砖块含量的取值范围，分别取建筑垃圾中砖块含量为0，10%，20%，30%共4组进行试验。

3）天然集料为石灰岩。按照《公路工程集料试验规程》（ JTG E42—2005）的相关试验方法进行试验[13]，得出集料技术指标（如表2所示）。由表2可以看出，建筑垃圾与天然集料相比其吸水率大、压碎值大、表观密度小，并且砖块的吸水率、压碎值最大。建筑垃圾中旧混凝土与砖块的压碎值均不满足《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）中高速公路或一级公路压碎值不大于30%的要求[13]，需掺配天然集料满足水泥稳定建筑垃圾基层的强度要求。

在水泥稳定建筑垃圾基层组成设计中，通过筛分试验得到建筑垃圾破碎后的粒径为2.36～20 mm，加入天然集料后合成为骨架密实型混合料。在粒径为0～5 mm，20～40 mm 的集料中掺入天然碎石，其质量占混合料总质量的40%。混合料中粒径为0～5 mm的建筑垃圾的质量分数为8.5%，粒径为5～20 mm的建筑垃圾质量分数为51.5%;粒径为0～5 mm的天然碎石质量分数为26.8%，粒径为20～40 mm的天然碎石的质量分数为13.2%。其级配采用骨架密实型级配（如表3所示）[14]。

2 试件制备及试验方案

为确定砖块含量对水泥稳定建筑垃圾耐久性的影响，对砖块含量分别为0，10%，20%，30%的建筑垃圾制成的试件进行抗冻性试验、干缩试验、温缩试验，每项试验为4组。同时，对不同含量的砖块试件进行SEM 扫描电镜（S-3400N Ⅱ型扫描电子显微镜，日本日立公司提供）分析，观测其冻融循环前后、干缩试验后的界面微观结构，试验场景见图1。

试验过程依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）进行[15]。水泥剂量为5%（质量分数），最大干密度和最佳含水率见表4，该配合比下不同砖块含量的水泥稳定建筑垃圾的各项力学性能见表5。

1）抗冻性能是影响基层稳定性的重要因素，建筑垃圾吸水率高，经过低温后易发生冻胀，继而引起结构性破坏。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）[15]的方法制作18个150 mm×150 mm 的圆柱体试件进行抗冻性试验，其中9个为冻融试件，9个为非冻融试件，冻融试件在-18 ℃温度下冷冻16 h，放入20 ℃ 水中融化8 h，共进行5次冻融循环。

2）干缩是由水泥稳定建筑垃圾基层内部水分损失导致材料体积收缩，干缩的发生基层结构宏观上会表现收缩开裂，研究干缩性能可以防止基层的开裂。不同砖块含量的试验组每组制作6个试件，采用静力法制作50 mm×50 mm×240 mm 梁式试件，放入标准恒温恒湿养护箱进行养护，温度为（20±1）℃，湿度为90%以上，养生龄期为7 d，最后一天在（20±1）℃水浴中饱水24 h。3个试件用于测干缩性能，3个试件用于测试件失水率，前7天每天记录1次千分表读数，7 d以后每2 d记录1次千分表数据，共观测29 d。

3）温缩是由于材料在较大的温度和湿度反复作用下产生的体积收缩，在温度变化的作用下，基层产生疲劳应力，当温度变化时基层材料产生的拉应力超过基层材料的抗拉强度时，导致基层产生温缩裂缝。试验温度模拟沈阳地区的环境温度，温度区间设为-30～20 ℃，每10 ℃为一个温度梯段，每个温度梯段恒温3 h，在保温结束前的5 min内读取温缩应变值。

對经受冻融循环后的试件在界面处取1 cm3 试样进行SEM 扫描电镜分析。用无水乙醇将试样充分浸泡结束其水化反应，再将试样烘干进行SEM扫描电镜分析。

3 宏观试验结果及分析

参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）进行水泥稳定建筑垃圾基层材料的抗冻性试验、干缩试验、温缩试验，残留强度比、质量变化、干缩量、累计干缩应变、失水率、干缩系数、温缩系数等各项指标的试验结果均依据该规范进行计算[15]。

3.1 抗冻性能

无机结合料稳定材料基层的抗冻性以冻融循环后残留强度比（抗压强度损失）BDR、质量变化率Wn 进行评价，BDR 计算如式（1）所示，Wn 计算如式（2）所示。

半刚性材料抗冻性指标BDR：

试件经过5次冻融循环后，对试件外观进行检查，记录是否有破损的情况，然后进行无侧限抗压强度试验，测定试件强度RDC。

所得冻融循环后残留强度比及质量变化率见图2。

由图2可知：1）当砖块含量从0增加至30%，5次冻融循环后残留强度比降低6.78%。当建筑垃圾中砖块含量从10%增加到20%，以及从20%增加到30%时，冻融循环后残留强度比分别降低了3.20%，2.25%。2）随着建筑垃圾中砖块含量的增加，5 次冻融循环后，质量变化率逐渐增大，约为0.47%。砖块含量由0增加到10%时，质量变化率增加了0.09%，由10%增加至20%时质量变化率增加了0.18%，由20%增加至30%时质量变化率增加了0.20%。

另外，经过冻融试验的试件外表存在破损情况，破损的集料主要是砖块，其他的建筑垃圾破损较少，天然碎石基本完整。砖块含量越多，破损越严重。不含砖块时，破损主要方式是试件表面集料整块掉落;建筑垃圾中含有砖块时，破损有2种方式：试件表面集料整块掉落以及试件表面的砖块破碎。

建筑垃圾中砖块含量增加，水泥稳定建筑垃圾基层材料的抗冻性能减弱。由于砖块吸水率>其他建筑垃圾吸水率>天然碎石吸水率，随着建筑垃圾中砖块含量的增加，吸水率也就越大，集料中蕴含的自由水越多。水泥稳定碎石基层的冻融损伤主要由孔隙水发生冻胀造成集料破损，强度降低。建筑垃圾经过吸水、冰冻后，试件发生劣化。所以经过相同的冻融循环次数后，砖块的含量越大，抗压强度就越低。

由图3可知，试件在进行干缩试验的前7天的失水率、干缩应变、干缩量变化最大，之后的变化幅度逐渐减小，趋于平缓。随着砖块含量的增加，失水率、干缩应变、干缩量都相应增加。与砖块含量为0时相比，砖块含量为30%时试件的失水率增加了1.39%，干缩应变增加了100×10^-6，干缩量增加了0.024 mm。砖块含量的增加会使混合料的抗干缩性能降低，增加干缩裂缝的数量，降低后期路面的使用性能。

含建筑垃圾的混合料的干缩变化主要发生前7天，在观测的第7天时，干缩失水率、干缩量已达到总变化量的70%，干缩应变已达到总应变的76%;在观测的第7天至第23天，失水率、干缩应变和干缩量增长速度逐渐放缓，增长速度明显小于前7天;在观测期第23天以后，失水率、干缩应变和干缩量基本不再增长。随着建筑垃圾中砖块含量升高，水泥稳定建筑垃圾的干缩应变、干缩量、失水率增大。干缩系数在前期与后期差别不大，在第10天至第15天时砖块含量越高干缩系数越大。因此，为减小基层干缩性能的影响，需要注意在路面基层铺筑完成后及时采取适当的养护措施。

水泥稳定建筑垃圾基层干缩性能较差，主要是因为混合料中掺加了建筑垃圾，由于建筑垃圾孔隙率较大的特性，混合料内部的孔隙率相比于天然碎石的混合料大，吸水率高，导致混合料失水率大，可收缩变形的空间也越大。砖块相比于其他建筑垃圾吸水率大，随着建筑垃圾中砖块含量的增加，混合料的含水量增加，失水率增加、干缩量增大，进而导致其干缩应变增大。

3.3 温缩性能

基层材料的温缩性能主要以温缩系数αt 来衡量，计算公式如式（8）所示。

由图4、图5可知，随砖块含量的增加，温缩系数、温缩应变均是先减小后增大。由图6可知，与砖块含量为0时相比，砖块含量30%时的累计温缩应变增大了16.9%，平均温缩系数增大了16.6%;温度降到0 ℃以下，自由水结冰膨胀抵消了部分收缩变形，表现为10 ℃→0 ℃温缩系数达到最小值。

由于砖块的孔隙率大，当建筑废料总量一定时，随着砖块含量的增加，混合料内部的孔隙率增加，供收缩变形的空间增加。因此，导致累计温缩应变和平均温缩系数均随着砖块含量的增加而变大。

4 微观试验分析

SEM 扫描电镜可以对水泥稳定建筑垃圾基层的界面过渡区进行微观结构分析，并将微观结构与宏观分析相结合，定性分析水泥稳定建筑垃圾基层耐久性劣化机理。分别取冻融试验前后不同砖块含量的界面试样，放大500倍作SEM 扫描电镜观察，结果如图7所示。取干缩试验后不同砖块含量的界面试样，放大2 000倍进行SEM 扫描电镜观察，结果如图8所示。

由图7可知，未经冻融循环时不同砖块含量的水稳建筑垃圾界面的密实度不同，当砖块含量为30%时较砖块含量为0时表面结构松散，并有不规则的孔洞，造成试件的孔隙率增大，这是由于砖块含量的增加使混合料的吸水性增加，集料中含有的自由水较多，使水泥颗粒分散，导致有不规则的孔洞产生。当冻融循环时孔隙中的水发生冻胀，经过多次冻融循环后，集料产生更大的膨胀，产生裂纹，强度降低。随着砖块含量的增加，试件中湿扩散率以及试件内部的潮湿密度也随着孔隙率增加而相应增大[16]，试件中有更多的自由水参与冻融循环过程，加剧水泥稳定建筑垃圾基层的冻融破坏。从图7中可以看出，冻融循环后的试件界面变得更加松散，并有微裂纹产生，界面的稳定密实是水稳建筑废料基层稳定的基础，界面稳定主要靠化学作用、机械作用、分子间作用力（范德华力），集料与水泥浆的黏结主要靠分子间作用力[16]，此时在宏观上会发生试件表面的集料整块掉落。

由图8观察可得，经2 000倍电镜扫描，界面中布满了絮状的水化产物水化硅酸钙（C—S—H）以及少量的针状的钙矾石，C—S—H 是水化产物的主要生成物，占水化产物的70%。由图8可知，当砖块含量增加时，由于集料中的水分增加，水化反应更彻底，但由于水分过多导致水泥颗粒分散水化产物由致密变得疏松，此时经水化反应后剩余的水在干缩试验过程中会以自由水的形式挥发，在宏观干缩试验时体现为失水率高，由于水分挥发后试件内可收缩变形的空间增大，从而导致试件的干缩量大、累计干缩应变大。

5 结语

本文通过抗冻性试验、干缩试验、温缩试验，以及SEM 扫描电镜分析，研究了建筑垃圾中不同砖块含量对水泥稳定建筑垃圾基层耐久性能的影响，得出以下结论。

1）当建筑垃圾中砖块含量从0增加至30%，5次冻融循环后残留强度比降低6.78%，质量变化率增加0.47%。

2）随着砖块含量的增加，失水率、干縮应变、干缩量都呈现增加趋势，而温缩系数、温缩应变则均是先减小后增大。

3）随着砖块含量的增加，相应的微观结构孔隙率增大，水化产物结构疏松，界面与集料间范德华力减小使水泥稳定建筑垃圾基层的耐久性劣化。

4）考虑到建筑垃圾砖块含量的离散性，以及对不同来源建筑垃圾砖块含量的普适性， 本文研究结果可以为砖块含量0～30%的建筑垃圾再生水泥稳定基层提供理论支持。

在今后的研究工作中，还需要进一步考察疲劳性能、抗冲刷性能等性能参数与不同砖块含量的关系，以更加全面地了解水泥稳定建筑废料基层的耐久性能。