周芬，張力，杜運(yùn)興

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

城市改造的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，這些建筑垃圾隨意堆放不僅會(huì)占用大量的土地，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[1].解決建筑垃圾危害的根本途徑是對(duì)建筑垃圾進(jìn)行處理使其資源化.由于建筑垃圾成分復(fù)雜，各類成分資源化的用途也不相同，實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化的前提是對(duì)各成分進(jìn)行分離.建筑垃圾中的金屬、木材、管線較容易實(shí)現(xiàn)分離，而建筑垃圾中含量最多的混凝土和砌體較難分離.目前雖有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)砌體和混凝土的分離[2]，但效率低、成本高，這樣的技術(shù)難以推廣.因此，高效利用混凝土和砌體混合料對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化有重要的意義.目前，許多學(xué)者對(duì)于這種材料粉碎料的應(yīng)用進(jìn)行了卓有成效的研究.其中，將混凝土、砌體混合粉碎料用于道路中的水泥穩(wěn)定碎石是一種可行、合理資源化的途徑.

水泥穩(wěn)定碎石是一種半剛性基層，它可以有效地承擔(dān)和傳遞上部路面荷載，該基層在道路結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用[3].Xuan等[4]將建筑垃圾作為集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石，并研究了各混合變量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的影響，認(rèn)為建筑垃圾作為水泥穩(wěn)定碎石基層可以獲得良好的力學(xué)性能.Hou等[5]將磚粉碎料與天然集料混合用于水泥穩(wěn)定碎石并進(jìn)行了研究，結(jié)果表明磚粉碎料可以用于水泥穩(wěn)定碎石中.Bassani等[6]比較了水泥窯灰穩(wěn)定再生集料和普通水泥穩(wěn)定再生集料的性能，結(jié)果表明，水泥窯灰穩(wěn)定再生集料的強(qiáng)度和剛度得到了提高，可完全用于水泥穩(wěn)定基層.孫家瑛等[7]將再生混凝土集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定基層，試驗(yàn)結(jié)果表明水泥穩(wěn)定再生混凝土集料的各項(xiàng)性能均可達(dá)到規(guī)范要求.曾夢(mèng)瀾[8]和肖杰等[9]用磚混混合再生集料代替天然集料，胡立群等[10]用廢棄磚塊分別代替天然的粗、細(xì)集料，測(cè)試了再生集料用作水泥穩(wěn)定基層的路用性能，研究結(jié)果表明再生集料用于道路基層是可行的.由于再生集料中含有磚粉碎料，磚粉碎料的強(qiáng)度一般低于混凝土粉碎料，這樣的再生集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層無疑影響其力學(xué)性能，而目前國(guó)內(nèi)外也缺乏磚粉碎料的摻量對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料性能影響的研究.

本文通過試驗(yàn)研究磚粉碎料摻量、水泥含量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料力學(xué)性能的影響，為含磚粉碎料的再生集料應(yīng)用于道路基層提供數(shù)據(jù)支撐.

表1 再生集料物理性能Tab.1 Physical properties of recycled aggregates

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的再生集料分別是磚粉碎料和混凝土粉碎料.水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥.采用《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]（JTG E42—2005）所示方法測(cè)試了兩種再生集料的物理性能，如表1所示.兩種再生集料均滿足《道路用建筑垃圾再生骨料無機(jī)混合料》[12]（JC/T 2281—2014）中Ⅱ類集料性能指標(biāo)要求.從表1可以看出，磚粉碎料粗集料（4.75 mm～31.5 mm）和細(xì)集料（0～4.75 mm）的表觀密度均小于混凝土粉碎料，磚粉碎料的吸水率是混凝土粉碎料的2.17倍，主要是由于磚粉碎料的表面具有比混凝土粉碎料更多的孔隙.磚粉碎料的壓碎值和磨耗值均大于混凝土粉碎料表明磚粉碎料的強(qiáng)度低于混凝土粉碎料，但是兩種集料的物理性能均符合規(guī)范要求.因此，兩種再生集料可以作為水泥穩(wěn)定碎石的材料.

1.2 混合料設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)研究了3個(gè)變量對(duì)含磚粉碎料水泥穩(wěn)定再生集料力學(xué)性能的影響規(guī)律，3個(gè)變量分別為：水泥含量、磚粉碎料摻量和養(yǎng)護(hù)齡期.磚粉碎料摻量是指磚粉碎料質(zhì)量占再生集料總質(zhì)量的百分比，試驗(yàn)工況中磚粉碎料摻量分別為0%、25%、50%、75%和100%.水泥含量是指水泥質(zhì)量占再生集料總質(zhì)量的百分比.水泥穩(wěn)定碎石基層中，水泥含量一般不超過6%.試驗(yàn)工況中水泥含量分別為4%、5%和6%.在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，試件分別養(yǎng)護(hù)7 d、28 d和90 d.

1.3 試件制備

按照《道路用建筑垃圾再生骨料無機(jī)混合料》（JC/T 2281—2014）推薦的級(jí)配中值配制再生集料的級(jí)配，見表2所示.采用《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[13]的 T 0843-2009方法制作試件，根據(jù)試件的最大干密度和最佳含水量計(jì)算各工況的集料質(zhì)量.根據(jù)計(jì)算結(jié)果將兩種再生集料按照預(yù)定比例配制成混合集料，加入預(yù)定水量燜料4 h，使混合集料充分吸收水分.燜料完成后加入預(yù)定水泥，拌和至均勻狀態(tài)，分三層放入直徑為150 mm的試筒中，每層均勻插搗，采用靜壓成型方法將試件制作成直徑為150 mm，高為150 mm的圓柱形試件，試件成型后養(yǎng)護(hù)6 h脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)至指定齡期后測(cè)試其力學(xué)性能.

表2 再生集料對(duì)應(yīng)篩孔尺寸通過率Tab.2 Passing rate of recycled aggregates corresponding to different sieve sizes %

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 擊實(shí)特性

圖1為水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度和最佳含水量與磚粉碎料摻量的關(guān)系，每組擊實(shí)試驗(yàn)的試件數(shù)量為2個(gè).由圖1（a）可知，水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度隨著磚粉碎料摻量的增加而減小，隨著水泥含量的增加而增大.對(duì)于各水泥含量工況，100%磚粉碎料摻量的水泥穩(wěn)定再生集料對(duì)應(yīng)的最大干密度比0%磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的最大干密度下降了9.6%～10.7%.磚粉碎料的孔隙較多，其表觀密度比混凝土粉碎料小是導(dǎo)致水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度隨著磚粉碎料摻量的增加而減小的主要原因.水泥含量的增加產(chǎn)生了更多的水化產(chǎn)物，增強(qiáng)了集料界面之間的黏結(jié)，減小了集料之間的孔隙，從而增大了其最大干密度.

由圖1（b）可知，對(duì)于各水泥含量工況，100%磚粉碎料摻量的水泥穩(wěn)定再生集料對(duì)應(yīng)的最佳含水量是0%磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的1.35～1.39倍，主要原因是磚粉碎料的吸水率大于混凝土粉碎料.隨著水泥含量的增加，水泥穩(wěn)定再生集料的最佳含水量基本不變.主要是由于在擊實(shí)過程中，由于再生集料強(qiáng)度低而發(fā)生了破碎，再生集料孔隙中的自由水會(huì)參與水泥水化作用.

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖 2（a）為水泥穩(wěn)定再生集料 7 d、28 d、90 d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，每組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件數(shù)量為13個(gè).水泥穩(wěn)定再生集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著磚粉碎料摻量的增加而減小，隨著水泥含量的增加而增大.從兩種再生集料的壓碎值和磨耗值可以看出，磚粉碎料的強(qiáng)度低于混凝土粉碎料，在水泥穩(wěn)定再生集料受壓時(shí)，磚粉碎料比混凝土粉碎料更容易發(fā)生破壞，因此隨著磚粉碎料摻量的增加，水泥穩(wěn)定再生集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)隨之降低.水泥含量的增加增強(qiáng)了水泥水化物的強(qiáng)度，在受壓時(shí)能夠更好地承擔(dān)和分散集料之間的作用力，因此隨著水泥含量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增加.

在不同齡期下考慮水泥含量和磚粉碎料摻量對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)其進(jìn)行回歸擬合，得出如下計(jì)算公式：

式中：Rc7、Rc28、Rc90表示 7 d、28 d、90 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；C表示水泥含量；B表示磚粉碎料摻量.圖2（b）為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與理論值之間的比較圖.

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Result of unconfined compressive strength

對(duì)比7 d、28 d強(qiáng)度計(jì)算公式中水泥含量和磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的系數(shù)可知，水泥含量的系數(shù)變化大于磚粉碎料摻量系數(shù)變化，表明此時(shí)水泥水化所產(chǎn)生的強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定再生集料前期強(qiáng)度增加的主要因素；對(duì)比28 d和90 d強(qiáng)度計(jì)算公式中水泥含量和磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的系數(shù)可知，磚粉碎料摻量的系數(shù)變化大于水泥含量系數(shù)變化，表明養(yǎng)護(hù)后期水泥穩(wěn)定再生集料抗壓強(qiáng)度主要受磚粉碎料摻量的影響.

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]（JTG D50—2017）規(guī)定，水泥穩(wěn)定再生集料的最低強(qiáng)度滿足二級(jí)公路中等、輕交通基層對(duì)應(yīng)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求.

2.3 劈裂強(qiáng)度

劈裂強(qiáng)度方法采用《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）的 T 0806—1994方法，劈裂試件為直徑150 mm、高150 mm的圓柱形試件，每組劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)的試件數(shù)量為13個(gè).圖3（a）為水泥穩(wěn)定再生集料7 d、28 d、90 d的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果.結(jié)果表明，100%磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的水泥穩(wěn)定再生集料90 d劈裂強(qiáng)度比0%磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的水泥穩(wěn)定再生集料90 d劈裂強(qiáng)度減小了15.2%～17.5%；水泥含量為6%時(shí)的水泥穩(wěn)定再生集料90 d劈裂強(qiáng)度比水泥含量為4%時(shí)增加了21.3%～28.3%.

對(duì)于不同齡期，分析水泥含量和磚粉碎料摻量對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料劈裂強(qiáng)度的影響，針對(duì)這些因素進(jìn)行回歸擬合，得出如下計(jì)算公式：

式中：Ri7、Ri28、Ri90分別表示 7 d、28 d、90 d 劈裂強(qiáng)度，MPa.圖3（b）為劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)值與理論值之間的比較圖.

對(duì)比7 d和28 d劈裂強(qiáng)度計(jì)算公式中水泥含量和磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的系數(shù)，可以得到：養(yǎng)護(hù)前期，水泥穩(wěn)定再生集料的劈裂強(qiáng)度主要受水泥水化后產(chǎn)生的強(qiáng)度和集料強(qiáng)度兩者共同影響；對(duì)比28 d和90 d劈裂強(qiáng)度可以得到：在養(yǎng)護(hù)后期，水泥含量和磚粉碎料摻量對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料的劈裂影響都會(huì)減弱.劈裂破壞反映的是拉伸破壞，在劈裂試驗(yàn)期間，裂縫發(fā)展于集料界面之間，由于再生細(xì)集料具有一定活性，在一定程度上提升了界面之間的黏結(jié)能力.而且，再生粗集料含有的孔隙率多，在拌和過程中，水泥漿能夠更容易進(jìn)入到再生粗集料的孔隙中.因此，此時(shí)除了集料自身強(qiáng)度性能外，集料與集料之間的強(qiáng)度也是影響其劈裂強(qiáng)度的主要因素.

圖3劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Result of splitting strength tests

圖4 為不同磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的劈裂試驗(yàn)破壞模式.當(dāng)磚粉碎料摻量為0%時(shí)，裂縫發(fā)展大部分發(fā)生在集料界面與界面之間，而隨著磚粉碎料摻量的增加，由于磚粉碎料強(qiáng)度較低，磚粉碎料為水泥穩(wěn)定再生集料的薄弱環(huán)節(jié)，裂縫發(fā)展于磚粉碎料內(nèi)部.可以看出，隨著磚粉碎料摻量的增加，水泥穩(wěn)定再生集料更多的沿著磚粉碎料內(nèi)部破壞.

圖4不同磚粉碎料摻量劈裂試驗(yàn)破壞模式Fig.4 Failure behaviour of splitting strength tests for different brick content

2.4 抗壓回彈模量

圖5 （a）所示為水泥穩(wěn)定再生集料7 d、28 d和90 d的抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果，每組抗壓回彈模量試驗(yàn)的試件數(shù)量為15個(gè).結(jié)果表明，100%磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的水泥穩(wěn)定再生集料90 d抗壓回彈模量比0%磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的水泥穩(wěn)定再生集料90 d抗壓回彈模量減小了35.8%～46.1%，6%水泥含量對(duì)應(yīng)的水泥穩(wěn)定再生集料90 d抗壓回彈模量比4%水泥含量對(duì)應(yīng)的水泥穩(wěn)定再生集料90 d抗壓回彈模量增大了9.8%～34.6%.由于磚粉碎料的孔隙大于混凝土粉碎料，在水泥穩(wěn)定再生集料承受的力相同時(shí)，磚粉碎料產(chǎn)生的變形量大于混凝土粉碎料，因此水泥穩(wěn)定再生集料的抗壓回彈模量會(huì)隨著磚粉碎料摻量的增加而減小.

針對(duì)不同齡期研究水泥含量和磚粉碎料摻量對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料抗壓回彈模量的影響，對(duì)這兩個(gè)因素回歸擬合，得出如下計(jì)算公式：

式中：Ec7、Ec28、Ec90分別表示 7 d、28 d、90 d 抗壓回彈模量，MPa.圖5（b）為抗壓回彈模量試驗(yàn)值與理論值之間的比較圖.

對(duì)比計(jì)算公式中7 d和28 d抗壓回彈模量水泥含量和磚粉碎料摻量對(duì)應(yīng)的系數(shù)，可以得到：在養(yǎng)護(hù)前期，與劈裂強(qiáng)度趨勢(shì)相同，水泥含量和磚粉碎料摻量都是水泥穩(wěn)定再生集料抗壓回彈模量變化的主要影響因素；對(duì)比28 d和90 d抗壓回彈模量可以得到：在養(yǎng)護(hù)后期，水泥含量的影響降低，是由于水泥水化基本完成，回彈模量主要由集料決定.

圖5 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Result of compressive resilient modulus

2.5 抗凍性能

水泥穩(wěn)定碎石的抗凍性能采用抗凍指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià).抗凍性指標(biāo)是指經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度與對(duì)比試件的抗壓強(qiáng)度的比值.根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，將水泥穩(wěn)定再生集料在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，在養(yǎng)護(hù)的最后1 d浸水24 h后放入高低溫交變溫?zé)嵯渲校?18℃的條件下放置16 h，然后放入20℃的水中8 h，如此循環(huán)5次，每組凍融試驗(yàn)的試件數(shù)量為18個(gè).凍融全部結(jié)束后測(cè)試同批次試件凍融前抗壓強(qiáng)度，得到水泥穩(wěn)定再生集料的抗凍指數(shù).根據(jù)測(cè)試結(jié)果，本文研究的水泥穩(wěn)定再生集料抗凍指數(shù)與磚粉碎料摻量的關(guān)系如圖6所示.

圖6 抗凍融試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Result of anti-freeze-thaw tests

由圖6可知，水泥穩(wěn)定再生集料的抗凍性能隨著磚粉碎料摻量的增加而降低，隨著水泥含量的增加而增強(qiáng).當(dāng)水泥含量增加時(shí)，水泥穩(wěn)定再生集料的抗凍指數(shù)的下降幅度逐漸減少，說明磚粉碎料摻量對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料抗凍性能的影響隨著水泥含量的增加而減小.

當(dāng)再生集料吸水后，在低溫條件下孔隙中的自由水會(huì)由于凍脹而對(duì)集料產(chǎn)生附加內(nèi)應(yīng)力.凍融條件下，所產(chǎn)生的附加內(nèi)應(yīng)力會(huì)對(duì)集料產(chǎn)生反復(fù)的擠壓，最終使集料發(fā)生破壞而降低了集料強(qiáng)度，從而使水泥穩(wěn)定再生集料的強(qiáng)度發(fā)生下降.

磚粉碎料的吸水率大，孔隙較多.隨著磚粉碎料摻量的增加，其內(nèi)部由于水凍脹產(chǎn)生的附加內(nèi)應(yīng)力對(duì)低強(qiáng)度的磚粉碎料產(chǎn)生更大的破壞.破壞后的磚粉碎料一部分會(huì)隨著融化之后的水流失，造成孔隙進(jìn)一步增加，從而導(dǎo)致了水泥穩(wěn)定再生集料抗凍性能的下降，所以其抗凍指數(shù)也會(huì)隨之下降.而隨著水泥含量的增加，水泥水化增加了界面之間的強(qiáng)度，減少了試件界面之間的空隙，因此抗凍指數(shù)會(huì)隨之增大.

3 結(jié)論

本文以磚粉碎料和混凝土粉碎料為原料，研究了水泥含量、磚粉碎料摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)含磚粉碎料的水泥穩(wěn)定再生集料的影響，主要結(jié)論如下：

1）磚粉碎料摻量的增加和水泥含量的減少均導(dǎo)致了水泥穩(wěn)定再生集料最大干密度的減小.當(dāng)水泥含量相同時(shí)，隨著磚粉碎料摻量從0%增加至100%，水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度下降了9.6%～10.72%.

2）磚粉碎料摻量的增加導(dǎo)致了水泥穩(wěn)定再生集料最佳含水量的增大.在水泥含量相同時(shí)，磚粉碎料摻量為100%時(shí)的水泥穩(wěn)定再生集料最佳含水量是磚粉碎料摻量為0%時(shí)的1.35～1.39倍；而隨著水泥含量的增加其最佳含水量基本不變.

3）各齡期水泥穩(wěn)定再生集料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量都隨著磚粉碎料摻量的增加而降低，隨著水泥含量的增加而增加.

4）水泥含量增加時(shí)，磚粉碎料對(duì)水泥穩(wěn)定再生集料抗凍性能的影響減小.

5）在考慮水泥含量和磚粉碎料摻量的條件下，建立了7 d、28 d和90 d水泥穩(wěn)定再生集料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量的計(jì)算公式.