侯月琴，紀(jì)小平，劉陵慶

(1.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049;2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

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水泥穩(wěn)定再生集料的力學(xué)特性及影響因素研究

侯月琴1，紀(jì)小平2，劉陵慶2

(1.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049;2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

旨在揭示水泥穩(wěn)定再生集料(CSRA)的力學(xué)特性及其影響因素。設(shè)計了4種不同RCA摻量的CSRA，測試其擊實特性、抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量、劈裂強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度，并建立強(qiáng)度增長方程及力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系方程。結(jié)果表明，利用廢棄混凝土能夠生產(chǎn)出滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的再生集料(RCA)，且RCA中含有一定活性的硅酸鹽，對CSRA的力學(xué)特性存在有利影響。當(dāng)齡期小于60 d時，CSRA的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量隨RCA摻量的增加先降低后增大，當(dāng)齡期為90 d時，則隨RCA摻量的增加而降低。CSRA的劈裂強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度隨RCA摻量的增加而增大。所建立的CSRA強(qiáng)度增長方程可較為精確地表征強(qiáng)度增長特性；當(dāng)試驗條件受限時，利用力學(xué)指標(biāo)關(guān)系方程可預(yù)估其他力學(xué)指標(biāo)。CSRA用于路面基層中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，RCA摻量可達(dá)100%。

道路工程；水泥穩(wěn)定再生集料；試驗研究；力學(xué)特性；強(qiáng)度增長方程

0 引言

我國正處于基礎(chǔ)建設(shè)高峰期，每年會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土。同時地震等自然災(zāi)害也會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土。雖然我國各級政府鼓勵廢舊材料的再生利用，但由于各種原因，目前仍有大量廢棄混凝土被直接運往城市郊區(qū)露天堆放或簡單填埋。這種處理方式不但占用了大量土地，而且會造成一定的環(huán)境污染。廢棄混凝土經(jīng)分揀、剔筋、破碎、分級后形成的粒徑小于40 mm的集料，稱為廢棄混凝土再生集料(RCA)[1]。與天然碎石相比，廢舊混凝土再生集料的密度小、強(qiáng)度低、孔隙及吸水率大[2-5]。采用再生集料部分或完全替代天然碎石設(shè)計水泥穩(wěn)定再生集料基層，具有良好的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益[6]。高啟聚等[7]認(rèn)為水泥穩(wěn)定再生集料具有良好的路用性能。張超等[8]研究了廢棄混凝土再生集料的性能及其在道路基層中的應(yīng)用。胡力群等[9]將廢棄黏土磚以不同比例替代天然碎石配制水泥穩(wěn)定基層，建議混合料中廢磚塊粗集料和細(xì)集料的替代率分別不超過70%和90%。侯月琴提出了水泥穩(wěn)定再生集料的強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[10]。然而，相關(guān)研究很少涉及水泥穩(wěn)定再生集料基層的長齡期力學(xué)特性、力學(xué)強(qiáng)度增長方程等。

本文設(shè)計了不同RCA摻量與水泥劑量的CSRA，測試不同齡期的抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量、劈裂強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度，建立力學(xué)強(qiáng)度增長方程及力學(xué)指標(biāo)關(guān)系方程，為混合料及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 原材料與混合料設(shè)計

1.1 原材料

采用普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)性能滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)中關(guān)于P.O 42.5的要求。廢棄水泥混凝土的強(qiáng)度等級為C30，經(jīng)分揀、剔筋、破碎及分級后，制備成規(guī)格為20～30 mm，10～20 mm，5～10 mm和0～5 mm的RCA。試驗用天然集料為花崗巖，規(guī)格為20～30 mm，10～20 mm，5～10 mm和0～5 mm。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)的相關(guān)方法，測試集料的技術(shù)性能，結(jié)果見表1、表2。由結(jié)果可知，再生粗集料的壓碎值高于花崗巖集料，但仍滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 034—2000)中不大于30%的要求；針片狀含量則低于花崗巖集料，但滿足規(guī)范不大于15%的要求；吸水率遠(yuǎn)大于花崗巖集料。再生細(xì)集料的砂當(dāng)量遠(yuǎn)高于花崗巖細(xì)集料，且堅固性與棱角均較好。由此可以說明，再生集料滿足公路路面基層的使用要求。

表3為集料的篩分結(jié)果。由結(jié)果可知，再生集料除個別粒徑超限外，其余粒徑均能滿足要求。因此，只要選擇合適的設(shè)備并嚴(yán)格控制粒徑，把超粒級的顆粒篩除并且重新加以破碎，就能生產(chǎn)出符合要求的RCA。

表1 粗集料技術(shù)性能

表2 細(xì)集料技術(shù)性能

RCA由天然砂石材料與水泥砂漿組成，含有C-S-H(xCaO·SiO2·yH2O)、鈣礬石、單硫型硫鋁酸鈣和Ca(OH)2等水化產(chǎn)物，這些成分以非晶相存在，且具有一定的活性。圖1為RCA的FIRT傅立葉紅外光譜分析結(jié)果。由結(jié)果可知，RCA含有一定活性的硅酸鹽。當(dāng)RCA用于水泥穩(wěn)定基層時，這些活性物質(zhì)能與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)而形成水硬性產(chǎn)物。

表3 集料篩分結(jié)果

圖1 RCA的光譜分析結(jié)果Fig.1 Result of spectroscopy analysis of RCA

1.2 混合料級配

將RCA按0，30%，60%和100%替代花崗巖配制4種CSRA級配，結(jié)果見表4。文獻(xiàn)[11]指出，水泥穩(wěn)定基層的水泥用量不宜超過6%；在實際應(yīng)用中，常用的水泥劑量為5%左右；此外，隨著骨架密實型級配與振動成型方法的應(yīng)用，水泥劑量逐步降低。綜合考慮，每種級配的水泥劑量統(tǒng)一采用4%和5%，共計8種混合料。

表4 CSRA的級配

2 試驗方法

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)，采用重型擊實法確定CSRA的最大干密度和最佳含水量。按照靜壓成型法分別成型高150、直徑為150 mm的圓柱形試件和長400 mm、寬100 mm、高100 mm的長方體試件，圓柱體試件用于測試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量，長方體試件用于測試彎拉強(qiáng)度。參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料試驗規(guī)程》中的T 0805—1994測試7，28，60 d和90 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，參照T 0808—1994測試7，28，60 d 和90 d的抗壓回彈模量，參照T0806—1994測試7，28，60 d和90 d的劈裂強(qiáng)度，參照T 0851—2009測試7，28，60 d和90 d的彎拉強(qiáng)度。試件均在溫度為(20±2)℃、濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)生。

3 結(jié)果與討論

3.1 擊實特性

圖2為CSRA的最大干密度與最佳含水量。由結(jié)果可知，最大干密度隨著RCA摻量的增加而降低，最佳含水量則隨著RCA摻量的增加而增加。這是由再生集料的密度較天然集料偏小而吸水率相對較大決定的。

圖2 擊實試驗結(jié)果Fig.2 Result of compaction test

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3為CSRA的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果，由結(jié)果可知：

(1)CSRA的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期呈非線性增長，在0～28 d早期階段增長速率較快，而后逐漸變小。RCA的摻量對強(qiáng)度大小有影響，但不影響強(qiáng)度增長規(guī)律。

(2)CSRA的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與RCA摻量沒有明顯的關(guān)系。當(dāng)齡期小于60 d時，CSRA無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨RCA摻量的增加先降低后增加；當(dāng)齡期為90 d時，CSRA無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨RCA摻量的增加而降低。

(3)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2006)對水泥穩(wěn)定類材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求如表5所示。當(dāng)水泥劑量為5%時，CSRA的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.25 MPa，滿足特重交通條件下的基層使用要求；當(dāng)水泥劑量為4%時，CSRA的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.23～3.57 MPa，滿足重、中交通條件下的基層使用要求。顯然，可通過降低水泥劑量，使得CSRA的強(qiáng)度降低到其他輕交通條件下的要求。由上分析，再生集料在水泥穩(wěn)定基層中可100%利用。

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3 Unconfined compressive strength

層位特重交通重、中交通輕交通基層35～4530～4025～35底基層≥25≥20≥15

3.3 抗壓回彈模量

圖4為CSRA的抗壓回彈模量結(jié)果，由結(jié)果可知：

(1)CSRA的抗壓回彈模量隨齡期呈非線性增長，變化規(guī)律與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一致。

(2)當(dāng)齡期小于60 d時，CSRA抗壓回彈模量隨RCA摻量的增加先降低后增大；當(dāng)齡期為90 d時，CSRA抗壓回彈模量隨RCA摻量的增加而降低，其變化規(guī)律與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一致。

(3)5%水泥劑量下的抗壓回彈模量是4%水泥劑量的1.21～1.37倍。

圖4 抗壓回彈模量Fig.4 Compressive resilient modulus

3.4 劈裂強(qiáng)度

圖5為CSRA的劈裂強(qiáng)度結(jié)果，由結(jié)果可知：

(1)CSRA的劈裂強(qiáng)度隨齡期呈非線性增長，變化規(guī)律與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一致。

(2)CSRA的劈裂強(qiáng)度隨RCA摻量的增加而增大。其原因主要是水泥穩(wěn)定集料的劈裂強(qiáng)度除了與集料的強(qiáng)度有關(guān)外，還與混合料內(nèi)部的黏聚力有密切關(guān)系。劈裂強(qiáng)度試驗中試件破壞首先發(fā)生于集料-水泥石界面，因此界面強(qiáng)度對劈裂強(qiáng)度有較大影響。RCA表面比花崗巖更粗糙，且有很多孔隙，水泥漿在拌和過程中更容易滲入RCA，提高界面強(qiáng)度，進(jìn)而提高劈裂強(qiáng)度；另外，RCA含有一定活性的硅酸鹽(見圖1)，能與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水硬性產(chǎn)物進(jìn)而形成強(qiáng)度。以上兩種因素使得CSRA的劈裂強(qiáng)度隨RCA摻量的增大而增大。

(3)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2006)中，水泥穩(wěn)定類材料的90 d劈裂強(qiáng)度不應(yīng)小于0.4 MPa。由結(jié)果可知，水泥劑量為4%，5%時，CSRA的90 d劈裂強(qiáng)度為0.52～0.71 MPa，滿足基層與底基層的使用要求，也就是說再生集料在水泥穩(wěn)定基層中可100%利用。

圖5 劈裂強(qiáng)度Fig.5 Splitting strength

圖6 彎拉強(qiáng)度Fig.6 Flexural strength

3.5 彎拉強(qiáng)度

圖6為CSRA的彎拉強(qiáng)度結(jié)果，由結(jié)果可知：

(1)CSRA彎拉強(qiáng)度隨齡期呈非線性增長。

(2)CSRA彎拉強(qiáng)度隨RCA摻量的增加而增大，100%摻量的90 d彎拉強(qiáng)度為零摻量的1.24倍，其原因與劈裂強(qiáng)度的一致。

(3)5%水泥劑量下的彎拉強(qiáng)度是4%水泥劑量的1.11～1.41倍。

3.6 強(qiáng)度增長方程

根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量、劈裂強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度隨齡期的變化結(jié)果可知：CSRA的力學(xué)強(qiáng)度隨齡期呈非線性增長，早期增長較快、后期增長較小，示例見圖7。參考相關(guān)文獻(xiàn)[12]，建立CSRA的強(qiáng)度增長方程，見式(1)。利用強(qiáng)度增長方程可以精確預(yù)估不同齡期的強(qiáng)度，為確定控制疲勞開裂的CSRA強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

(1)

式中，t為齡期，一般t7 d；Rt為t齡期的力學(xué)強(qiáng)度(無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、劈裂強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度)；R∞為∞齡期的力學(xué)強(qiáng)度；本文取R∞為R90；a,b為系數(shù)。

圖7 RCA的力學(xué)強(qiáng)度與齡期的關(guān)系(RCA摻量60%)Fig.7 Relationship between mechanical strength of RCA and curing age (RCA content is 60%)

4種RCA摻量，2種水泥劑量，5個齡期，因此每個力學(xué)指標(biāo)共有40組測試結(jié)果。依次根據(jù)40組測試結(jié)果并進(jìn)行回歸分析，計算得到CSRA無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、劈裂強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度的模型參數(shù)，相關(guān)性系數(shù)R2在0.97以上，結(jié)果見表6。

3.7 力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系模型

繪制CSRA無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系曲線，見圖8。由結(jié)果可知，CSRA無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度呈線性關(guān)系，見式(2)～式(4)。

表6 CSRA的強(qiáng)度增長方程系數(shù)

(2)

(3)

(4)

圖8 力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系Fig.8 Relationship of mechanical strength indexes

4 結(jié)論

(1) 利用廢棄混凝土能夠生產(chǎn)出滿足公路瀝青路面水泥穩(wěn)定基層使用與級配要求的再生集料；再生集料中含有一定活性的硅酸鹽，能與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)而形成水硬性產(chǎn)物，對CSRA的力學(xué)特性存在一定的有利影響。

(2) 當(dāng)齡期小于60 d時，CSRA的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量隨RCA摻量的增加先降低后增大；當(dāng)齡期為90 d時，則隨RCA摻量的增加而降低。而CSRA的劈裂強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度隨RCA摻量的增加而增大。

(3) 建立了CSRA強(qiáng)度增長方程，可較為精確地表征強(qiáng)度增長特性；CSRA的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度存在良好的線性關(guān)系，當(dāng)試驗條件受限時，可用于某一指標(biāo)預(yù)估其他力學(xué)指標(biāo)。

(4) 水泥穩(wěn)定再生集料用于路面基層中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，RCA摻量可達(dá)100%。

[1] 王羅春，趙由才.建筑垃圾處理與資源化[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004. WANG Luo-chun, ZHAO You-cai. Construction Waste Disposal and Resource Utilization [M].Beijing: Chemical Industry Press, 2004.

[2] HOU Yue-qin, JI Xiao-ping, ZOU Ling, et al. Performance of Cement-Stabilised Crushed Brick Aggregates in Asphalt Pavement Base and Subbase Applications[J]. Road Materials and Pavement Design, 2016,17(1): 120-135.

[3] HOU Yue-qin, JI Xiao-ping, SU Xiu-li, et al. Laboratory Investigations of Activated Recycled Concrete Aggregate for Asphalt Treated Base[J].Construction and Building Materials, 2014, 65(8)：535-542.

[4] ZHU Ji-qing, WU Shao-peng, ZHONG Jin-jun, et al. Investigation of Asphalt Mixture Containing Demolition Waste Obtained from Earthquake-damaged Buildings[J]. Construction and Building Materials, 2012,29 (3):466-475.

[5] 侯月琴，紀(jì)小平，張文剛，等. 含建筑垃圾再生骨料的瀝青穩(wěn)定碎石的性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2013,35(10):60-64. HOU Yue-qin, JI Xiao-ping, ZHANG Wen-gang, et al. Research on Performances of Asphalt Treated Base Containing Recycled Concrete Aggregate[J].Journal of Wuhan University of Technology, 2013,35(10):60-64.

[6] 耿翠潔，陳德珍，施惠生. 道路建設(shè)中廢料再生利用的綜合環(huán)境效益評估指標(biāo)體系[J].公路交通科技, 2012, 29(10):142-148,153. GENG Cui-jie, CHEN De-zhen, SHI Hui-sheng. Evaluation Index System for Assessing Environmental Impacts Associated with Road Construction with Recycled Waste Materials[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development，2012, 29(10):142-148，153.

[7] 高啟聚,叢林,郭忠印. 廢棄水泥混凝土路面板在路面基層中的再生利用[J].公路交通科技,2008,25(2):20-23. GAO Qi-ju, CONG Lin, GUO Zhong-yin. Recycling of Waste Cement Concrete Pavement Slab in Pavement Base Course[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008,25(2):20-23.

[8] 張超,丁紀(jì)忠,郭金勝. 廢棄水泥混凝土再生集料在半剛性基層中的應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2002,22(5):1-4. ZHANG Chao, DING Ji-zhong, GUO Jin-sheng. Use of Scrap Concrete Materials in Semi-rigid Base-course[J]. Journal of Chang’an University：Natural Science Edition, 2002,22(5):1-4.

[9] 胡力群,沙愛民.水泥穩(wěn)定廢粘土再生集料基層材料性能試驗[J].中國公路學(xué)報, 2012,25(3):73-79. HU Li-qun, SHA Ai-min. Performance Test of Cement Stabilized Crushed Clay Brick for Road Base Material[J]. China Journal of Highway and Transport, 2012,25(3):73-79.

[10] 侯月琴.水泥混凝土再生集料在瀝青路面中的應(yīng)用研究[D].西安:長安大學(xué),2014. HOU Yue-qin. Research on Application of Recycled Cement Concrete Aggregate in Asphalt Pavement[D].Xi’an:Chang’an University, 2014.

[11] JTJ 034—2000, 公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S]. JTJ 034—2000, Technical Specifications for Construction of Highway Roadbed [S].

[12] 李頔,蔣應(yīng)軍,任皎龍.基于振動法的抗疲勞斷裂水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)[J].建筑材料學(xué)報,2013,16(2):276-282. LI Di,JIANG Ying-jun, REN Jiao-long. Strength Standard of Anti Fatigue-Fracture Cement Stabilized Macadam Based on Vibration Testing Method[J]. Journal of Building Materials, 2013,16(2):276-282.

Study on Mechanical Property and Influencing Factors of Cement Stabilized Recycled Aggregate

HOU Yue-qin1, JI Xiao-ping2, LIU Ling-qing2

(1.School of Human Settlements and Architectural Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an Shaanxi 710049, China;2. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710064, China)

In order to reveal the mechanical property of cement stabilized recycled aggregate (CSRA) and influencing factors, 4 kinds of CSRA with different proportions of recycled concrete aggregate (RCA) are designed, the compaction property, compressive strength, compressive resilient modulus, spitting strength and flexural tensile strength are tested, and the strength growing equation and the relationship equation of mechanical parameters are established. The result shows that (1) the RCA produced with waste concrete can meet the requirements of current specifications, and has some beneficial effect on the mechanical property of CSRA because it contains silicate with certain activity; (2) when the curing age is less than 60 d, the unconfined compressive strength and compressive resilient modulus of CSRA first increase and then decrease with the increasing of RCA content, and they decrease with the increasing of RCA content when the curing age is 90 d; (3) the splitting strength and flexural strength of CSRA increase with the increasing of RCA content; (4) the established strength growth equation can more accurately predict the growth characteristics of strength of CSRA, and when experimental condition is limited, the other mechanical indicators of CSRA can be estimated using the established relationship equation of CSRA mechanical indicators; (5) UCS and splitting strength can meet the requirements of current specifications when CSRA is applied in pavement base, and the RCA content can be up to 100%.

road engineering; cement stabilized recycled aggregate; experimental study; mechanical property;strength growing equation

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金項目(51408044); 中國博士后科學(xué)基金項目(2015T80999); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(0009-2014G1211007)

侯月琴(1981-)，女，青海樂都人，工學(xué)博士.(houyueqin527@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.009

U416.217

A

1002-0268(2016)12-0056-06