陳欣慧 王正紅 彭美勛

（湖南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 湖南湘潭 411201）

引言

伴隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，舊城和基礎(chǔ)設(shè)施改造產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。無(wú)機(jī)建筑垃圾按其主要有效成份分為混凝土類垃圾和主要由廢磚和廢混凝土組成的磚混類垃圾,前者作為集料用于再生混凝土正在推廣之中[1]；后者除了用于回填和生產(chǎn)建筑砌塊外[2,3]，尚未能在其它領(lǐng)域有效再利用。我國(guó)公路建設(shè)發(fā)展迅速，對(duì)路面基層材料的需求量巨大。高速公路與高等級(jí)市政公路的基層通常采用水泥穩(wěn)定碎石，其中的碎石則常采用灰?guī)r破碎的級(jí)配碎石。磚混類再生骨料代替天然骨料應(yīng)用于高等級(jí)公路基層，將是對(duì)磚混類建筑垃圾有效消化和規(guī)模化利用的生要途徑，同時(shí)也能節(jié)約天然資源和保護(hù)環(huán)境。

研究適應(yīng)再生骨料特性的新型無(wú)機(jī)結(jié)合料，是將磚混類建筑垃圾應(yīng)用于道路基層水穩(wěn)材料的重要環(huán)節(jié)。樸應(yīng)模[4]研發(fā)了一種無(wú)熟料高爐礦渣水泥，其原料為煉鐵高爐礦渣微粉、消石灰和無(wú)水石膏，其各齡期抗壓強(qiáng)度與PO42.5水泥相當(dāng)，而成本明顯低于后者。林宗壽[5]等用礦渣、鋼渣、石膏和石灰石直接磨細(xì)制備的無(wú)熟料水泥成本更低，而其強(qiáng)度亦達(dá)到砌筑水泥的標(biāo)準(zhǔn)。張西玲于2006年研制出一種高摻量礦渣路面基層結(jié)合料，專門(mén)用來(lái)膠結(jié)水泥穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定碎石，其原料為礦渣、硅酸鹽水泥熟料、燒石膏、消石灰及少量石灰石[6]。該研究者對(duì)該水泥材料的路用性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，證實(shí)其具有凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度與PC32.5相當(dāng)，但早期收縮小，后期膨脹大，抗收縮開(kāi)裂等顯著優(yōu)點(diǎn)。蔣建宏用礦渣、消石灰及硬石膏制備的無(wú)熟料水泥的強(qiáng)度亦達(dá)到PO42.5等級(jí)，但其最佳配方中石灰/硬石膏比為3[7]，與樸的最佳配方差異較大。研究表明，這一系列無(wú)/少熟料水泥的水化產(chǎn)物中都生成富含結(jié)晶水的鈣礬石和水化碳鋁酸鈣等膨脹性晶體，故而在材料內(nèi)部形成膨脹機(jī)制以抵消干縮與溫縮。本研究先分析磚混類再生集料的路用性能，并研制無(wú)熟料礦渣水泥來(lái)膠結(jié)再生骨料級(jí)配碎石，探討其作為再生骨料碎石膠結(jié)料的可行性，為進(jìn)一步應(yīng)用研究拋磚引玉。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

磚混類再生集料為拆遷工地上收集的磚混類建筑垃圾破碎而得；天然石灰?guī)r集料為石灰石破碎而得；水泥為湖南坪塘南方水泥有限公司的PC32.5；礦渣粉為華新湘鋼S95礦渣粉，其相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表1；消石灰和石膏分別用分析純Ca(OH)2和CaSO4·2H2O；實(shí)驗(yàn)用水為澄清的自來(lái)水。

表1 礦渣粉指標(biāo)

1.2 磚混類再生集料路用性質(zhì)測(cè)試

經(jīng)破碎加工后的磚混類再生集料與天然石灰?guī)r集料均按0-4.75 mm、4.75-9.5 mm、9.5-19 mm和19-31.5 mm四種規(guī)格分裝，并根據(jù)JTJ 034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)高速公路和一級(jí)公路所要求的集料級(jí)配進(jìn)行配料。集料的各項(xiàng)路用性能根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》檢測(cè)。求取最大干密度及對(duì)應(yīng)的最佳含水量時(shí)按照J(rèn)TG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中T0804-1994的擊實(shí)實(shí)驗(yàn)丙法操作，試筒內(nèi)徑15.2 cm，高12.0 cm，分三層錘擊，每層錘擊次數(shù)98次。

1.3 礦渣無(wú)熟料水泥膠結(jié)磚混類再生集料水穩(wěn)材料制備及其抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

無(wú)熟料礦渣水泥用礦渣、消石灰與石膏的粉體混合配制。參照J(rèn)TG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，求出不同配比不同水泥摻量下，用重型擊實(shí)試驗(yàn)所得最佳含水量摻配靜壓成型試件，試模規(guī)格為Φ150×150的圓柱體,試件從試模內(nèi)脫出后送至相對(duì)濕度大于98%,溫度為20℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱恒溫恒濕養(yǎng)生到規(guī)定齡期。養(yǎng)護(hù)6 d后浸水24 h,測(cè)其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，用9個(gè)試件的平均值作為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 磚混類再生集料的路用性質(zhì)

表2 磚混類再生料各組分質(zhì)量分布/%

磚混類建筑垃圾破碎后不同粒級(jí)中組分質(zhì)量分布含量見(jiàn)表2。由表2可知，在再生集料中，碎石混凝土相對(duì)集中在粗粒級(jí)段；而磚瓦類易碎料相對(duì)集中在細(xì)粒級(jí)部分。經(jīng)過(guò)級(jí)配調(diào)整，本實(shí)驗(yàn)所采用的再生集料和天然石灰?guī)r集料均符合JTJ 034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)高速公路和一級(jí)公路所要求的集料級(jí)配范圍（見(jiàn)圖1）。磚混類再生集料與天然石灰石集料的路用性質(zhì)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。再生集料中含多孔隙且吸水率高的磚瓦，混凝土集料在破碎后裂隙發(fā)育，強(qiáng)度下降。這些均導(dǎo)致其與天然石灰?guī)r集料相比，具有高吸水率、高壓碎值、高液限指數(shù)、較低表觀密度和堆積密度等特點(diǎn)。

圖1 再生料、石灰?guī)r料的級(jí)配曲線與路面基層集料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配曲線比對(duì)圖

表3 磚混類再生集料的路用性能

由圖2可知水泥穩(wěn)定磚混類再生集料所制備的擊實(shí)試件的最佳含水量是12.7%，最大干密度是1.840 g/cm3。由圖3可知水泥穩(wěn)定石灰?guī)r集料所制備的擊實(shí)試件的最佳含水量是4.8%，最大干密度是2.379 g/cm3。由于再生料所含磚瓦類材料吸水率高，與石灰?guī)r集料相比，其最佳含水量高，最大干密度小。

圖2 4%水泥穩(wěn)定再生集料的含水量與干密度的關(guān)系曲線

圖3 4%水泥穩(wěn)定石灰?guī)r集料的含水量與干密度的關(guān)系曲線

2.2 無(wú)熟料礦渣水泥膠結(jié)再生集料碎石的配方優(yōu)化

固定礦渣無(wú)熟料水泥的摻量為再生集料的6%，取激發(fā)劑（石膏+消石灰）在該水泥中的質(zhì)量占比為0.37，改變石灰/石膏質(zhì)量比，在最佳含水量條件下制備水泥穩(wěn)定再生集料碎石圓柱試塊，其7天飽水抗壓強(qiáng)度平均值見(jiàn)圖4。由圖4可知，在石灰/石膏比為0.48時(shí)，無(wú)熟料水泥的抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)5.3MPa。固定無(wú)熟料礦渣水泥的摻量為再生集料的4%，石灰/石膏質(zhì)量比為0.48，改變激發(fā)劑在該水泥中的質(zhì)量占比，在最佳含水量條件下制備水泥穩(wěn)定再生集料碎石圓柱試塊，其7天飽水抗壓強(qiáng)度平均值見(jiàn)圖5。由圖5可知，激發(fā)劑在水泥中的占比0.37是相對(duì)優(yōu)化的配比。由此確定激發(fā)劑中石灰/石膏比0.48和激發(fā)劑在無(wú)熟料礦渣水泥中的占比0.37是用于穩(wěn)定再生集料碎石層時(shí)該水泥相對(duì)較優(yōu)的配方。

圖4 石灰/石膏比對(duì)礦渣無(wú)熟料水泥穩(wěn)定再生碎石抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 激發(fā)劑含量對(duì)礦渣無(wú)熟料水泥穩(wěn)定再生碎石抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)水泥摻量同為集料的4%時(shí)，運(yùn)用上述優(yōu)化配方制得的無(wú)熟料礦渣水泥膠結(jié)再生集料碎石與用PC32.5水泥制得的試塊的抗壓強(qiáng)度基本相同（見(jiàn)表4），說(shuō)明所配無(wú)熟料水泥的強(qiáng)度等級(jí)與PC32.5相當(dāng)。由表4也可知，水泥摻量相同時(shí)，用再生集料制得的水穩(wěn)層的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于用人工集料者。當(dāng)無(wú)熟料水泥的摻量為6%時(shí)，用其穩(wěn)定再生集料碎石的抗壓強(qiáng)度超過(guò)高等級(jí)公路所需要的5MPa的抗壓強(qiáng)度，而水泥摻量也沒(méi)有超過(guò)規(guī)范要求上限。這說(shuō)明就抗壓強(qiáng)度而言，無(wú)熟料礦渣水泥適用于膠結(jié)用作高速公路基層的磚混類建筑垃圾再生集料碎石。

表4 無(wú)熟料水泥和硅酸鹽水泥穩(wěn)定再生碎石的抗壓強(qiáng)度比較

2.3 無(wú)熟料礦渣水泥作為道路基層結(jié)合料的意義

如前文所述，無(wú)熟料礦渣水泥由于在水化時(shí)生成鈣礬石與水化碳鋁酸鈣而具有膨脹性，能補(bǔ)償后期的干燥收縮。這對(duì)于膠結(jié)高含水的磚混類建筑垃圾集料碎石有重要意義，有望以這種新型水泥作為無(wú)機(jī)結(jié)合料膠結(jié)磚混類建筑垃圾成功鋪筑高速公路及高等級(jí)市政公路的基層，為建筑垃圾大規(guī)模有效處置及資源化利用做出重要貢獻(xiàn)。

本無(wú)熟料礦渣水泥的原料廉價(jià)易得，除礦渣外，石膏還可用脫硫石膏，磷石膏等工業(yè)石膏代替，消石灰也可用電石渣代替，從而使無(wú)熟料礦渣水泥可大量消化工業(yè)廢渣且成本遠(yuǎn)低于復(fù)合硅酸鹽水泥，其用于水穩(wěn)材料兼具經(jīng)濟(jì)與社會(huì)雙重效益，有必要通過(guò)工程應(yīng)用檢驗(yàn)其實(shí)際效果。

結(jié)語(yǔ)

（1）磚混類再生集料具有高吸水率、高壓碎值、高液限指數(shù)、低堆積密度與表觀密度等不足，導(dǎo)致以其制備道路基層時(shí)抗壓強(qiáng)度低，收縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大。

（2）實(shí)驗(yàn)表明，合理配料的無(wú)熟料礦渣水泥用來(lái)膠結(jié)再生集料制備道路基層材料時(shí)，其摻量與抗壓強(qiáng)度可滿足規(guī)范對(duì)高等級(jí)公路的要求；基于其膨脹特性，有望成功應(yīng)用于含再生集料的道路基層中。

（3）無(wú)熟料礦渣水泥廉價(jià)易得，應(yīng)用于道路基層時(shí)可大量利用工業(yè)廢渣，兼具良好的經(jīng)濟(jì)效益和重大的社會(huì)環(huán)境效益，是很有前景的新型路面基層無(wú)機(jī)結(jié)合料。