丁永發(fā)，張虎彪，張軒碩，延常玉，李宏波，2，3*

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021；3.寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021）

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，城鎮(zhèn)拆遷、修繕以及裝修中產(chǎn)生的建筑廢棄物逐年增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑廢棄物年增長(zhǎng)率已超過(guò)10%[1]，其中磚、混凝土廢棄物占建筑廢棄物的80%～90%，而我國(guó)建筑廢棄物再生利用技術(shù)仍未成熟，磚、混凝土廢棄物長(zhǎng)期堆放，摻雜部分生活垃圾，為其后期再生利用增加了復(fù)雜性和不確定性[2-4]。為了實(shí)現(xiàn)建筑廢棄物循環(huán)再生利用，降低對(duì)天然砂石的開采，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)建筑廢棄物和工業(yè)固廢物綜合利用開展了廣泛的研究。劉子振等[5]用廢棄磚代替天然碎石制備再生混合料試件，對(duì)不同磚集料粒徑組合的試塊進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磚骨料粒徑主要集中在9.5～19 mm時(shí)對(duì)試件抗壓強(qiáng)度最為有利。李麗慧等[6]對(duì)比分析了兩種級(jí)配的含磚再生水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，接近級(jí)配下限的含磚再生骨料強(qiáng)度偏低，實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)控制粗集料比例。Z.Tang等[7]對(duì)粉煤灰/礦渣基地聚合物再生骨料混凝土準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下的壓縮行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增加因子（DIF）隨著再生骨料取代量的增加呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，礦渣的摻入提高了準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和DIF。吳超凡等[8]采用Bisar 3.0 模擬分析了再生磚、混凝土集料應(yīng)用于公路基層對(duì)路面基層剛度與層底拉應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)再生集料摻量比為40%時(shí)，基層層底拉應(yīng)力與抗壓回彈模量均達(dá)到最大值。魯攀等[9]研究了廢棄磚再生集料代替石灰?guī)r集料的路用性能，結(jié)果表明，隨廢棄磚再生集料摻比提高，混合料干縮性能呈現(xiàn)變優(yōu)趨勢(shì)。姚愛(ài)玲等[10]研究了4 種因素對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性和溫縮性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)影響因素由強(qiáng)到弱依次為級(jí)配類型、水泥劑量、養(yǎng)生齡期、硫酸鹽含量。張虎彪等[11]通過(guò)粉煤灰、煤矸石混合料的加州承載比（CBR）試驗(yàn)，確定了粉煤灰的最佳摻比為15%。從上述研究能夠看出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中于用再生碎石替代天然骨料后混合料的力學(xué)性能和變形性能，而將再生碎石按照一定比例復(fù)摻，全部替換天然骨料作為道路基層填料的研究較少。本文采用磚、混凝土再生碎石完全替代天然骨料，研究混合料的物理指標(biāo)和力學(xué)性能，旨在為水泥粉煤灰穩(wěn)定磚、混凝土再生碎石混合料應(yīng)用于公路工程提供理論支撐。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 原材料

（1）水泥采用寧夏賽馬水泥有限公司生產(chǎn)的賽馬牌P.O 42.5 水泥，水泥主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

（2）粉煤灰采用寧夏銀川市西夏區(qū)熱電廠生產(chǎn)的粉煤灰。磚、混凝土再生碎石取自寧夏銀川市金鳳區(qū)建筑集中處置中心。磚經(jīng)破碎機(jī)破碎篩分，取用篩下粒徑小于2.5 mm 的細(xì)料部分。按照四分法對(duì)粉煤灰和磚粉末取樣，利用X 射線熒光分析儀（XRF）進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知：粉煤灰化學(xué)組成成分中SiO2、Al2O3和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和＞75%，滿足用作基層和底基層結(jié)合料的技術(shù)要求；磚粉中SiO2和Al2O3含量超過(guò)65%，屬于硅鋁質(zhì)材料，具有潛在膠凝活性和火山灰活性[12]，常溫下易同CaO 結(jié)合H2O生成水化硅酸鈣（C-S-H）、水化鋁酸鈣（C-A-H）或水化硫鋁酸鈣（C-A-S-H）等水硬性膠凝材料，水硬性膠凝材料的填充效應(yīng)增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度、耐久性，降低了自收縮。從材料的微觀反應(yīng)機(jī)理分析，將粉煤灰，磚、混凝土再生碎石綜合利用于道路基層具有可行性。

表2 磚粉和粉煤灰化學(xué)成分

1.2 再生集料技術(shù)特性分析

1.2.1 壓碎值 壓碎值是衡量石料力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)和反映石料在勻速遞增荷載作用下抵抗壓碎的能力。本試驗(yàn)按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）[13]中的方法，將磚、混凝土再生碎石過(guò)9.5 mm 和13.2 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩后，取用9.5～13.2 mm 的試樣。試驗(yàn)前先將磚、混凝土再生碎石放于溫度為100 ℃的烘箱中烘干4 h，并冷卻至室溫，再進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。粗集料技術(shù)要求見(jiàn)表4。

在道路工程中用作級(jí)配碎石的粗集料應(yīng)當(dāng)符合《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）[14]中的Ⅱ類規(guī)定。由表3～表4 可知，磚、混凝土再生碎石壓碎值分別為42.8%和22.2%，磚再生碎石壓碎值較大，約為混凝土再生碎石壓碎值的2 倍，將磚、混凝土再生碎石按一定配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使混合料壓碎值滿足規(guī)范要求。根據(jù)壓碎值控制指標(biāo)按線性內(nèi)插法計(jì)算磚再生碎石摻量為：高速公路和一級(jí)公路底基層≤18.2%，二級(jí)及二級(jí)以下公路（基層≤37.8%，底基層≤62.1%）。

表3 壓碎值試驗(yàn)結(jié)果

表4 粗集料技術(shù)要求[14]

1.2.2 物理指標(biāo) 將磚、混凝土再生碎石破碎篩分，測(cè)定磚再生碎石和混凝土再生碎石粗、細(xì)兩種規(guī)格集料的基本物理指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，磚再生碎石密度低于混凝土再生碎石，吸水率遠(yuǎn)大于混凝土再生碎石，混合料制備前需將磚再生碎石浸水飽和。

表5 磚、混凝土再生碎石物理指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

為了保證級(jí)配的穩(wěn)定性，根據(jù)高速公路和一級(jí)公路水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層碎石推薦級(jí)配范圍，以及用于二級(jí)及二級(jí)以上公路基層和底基層的級(jí)配碎石，備料選擇應(yīng)不少于4 檔，本試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)磚、混凝土再生碎石骨料分為4 檔，分別為26.5～31.5 mm、16～26.6 mm、4.75～16.0 mm、0～4.75 mm，各檔骨料占比（質(zhì)量比）為5∶24.5∶35.5∶35，磚、混凝土再生碎石混合料級(jí)配設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 原材料級(jí)配曲線

2.2 配合比設(shè)計(jì)

考慮到混合料強(qiáng)度、變形、耐久性和材料經(jīng)濟(jì)性要求，水泥粉煤灰類穩(wěn)定材料的水泥摻量為3%～7%，同時(shí)，《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）[14]推薦水泥∶粉煤灰（質(zhì)量比）宜在1∶3～1∶5，水泥粉煤灰∶被穩(wěn)定材料（質(zhì)量比）宜在20∶80～15∶85，通過(guò)計(jì)算得出粉煤灰摻量宜在10%～15%；根據(jù)A.Mohammadinia 等[15]的研究結(jié)果，粉煤灰的最佳摻量在10%～20%。通過(guò)以上分析，本試驗(yàn)最終確定粉煤灰摻量為15%。本試驗(yàn)以水泥摻量、磚再生碎石摻量為變量，混合料配合比設(shè)計(jì)如表6 所示。

表6 混合料配合比設(shè)計(jì)

2.3 試驗(yàn)方案

本文采用重型擊實(shí)試驗(yàn)方法測(cè)定磚、混凝土再生碎石混合料的最佳含水率和最大干密度，將混合料按照靜壓成型法制作成徑高比為1∶1 的圓柱形試件，試件的直徑為150 mm，壓實(shí)系數(shù)為0.98。單個(gè)試件標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的計(jì)算方法為

式中：m0為單個(gè)試件標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，g；m0′為考慮損耗后的質(zhì)量，g；V 為試件體積，cm3；ωopt為混合料最佳含水率，%；ρmax為混合料最大干密度，g/cm3；γ 為試塊壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)；δ 為計(jì)算混合料質(zhì)量的冗余量，%；α 為無(wú)機(jī)結(jié)合料摻量，%；mw為加水質(zhì)量，g。

試件脫模后，將試件編號(hào)并裝入塑料袋中，移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱恒溫（20±2）℃，相對(duì)濕度95%，養(yǎng)護(hù)至7，28 d 齡期時(shí)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)期最后一天需將試件浸水24 h，達(dá)到飽水狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 最佳含水率和最大干密度的結(jié)果分析

對(duì)設(shè)計(jì)的15 組配合比進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，混合料擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果如表7 所示。

表7 混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表7 可知，隨磚再生碎石摻量增加，最佳含水率呈增大趨勢(shì)，最大干密度呈減小趨勢(shì)；水泥摻比不變，磚再生碎石摻量每增加10%，混合料的最佳含水率平均增加1.57%，最大干密度減小0.026 g/cm3。由于磚再生碎石較混凝土再生碎石孔隙率大，比表面積大，表面粗糙，混合料最佳含水率呈增大趨勢(shì)。磚再生碎石密度低于混凝土再生碎石，隨著磚再生碎石在混合料中的比例提高，其最大干密度呈減小趨勢(shì)。

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的規(guī)律分析

對(duì)15 組配合比試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，混合料各齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（fc）與磚再生碎石摻量x 存在的線性關(guān)系如表8 所示。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與磚再生碎石摻量的關(guān)系

表8 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與磚再生碎石摻量擬合關(guān)系式

由圖2 和表8 可知：當(dāng)外摻水泥劑量相同，10%磚摻量的混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，抗壓強(qiáng)度隨磚再生碎石摻量增加呈近似線性降低的趨勢(shì)，磚再生碎石摻量每增加10%，BC-X-4、BC-X-5、BC-X-6的7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均分別減小了0.263，0.190，0.217 MPa，28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均分別減小了0.260，0.410，0.510 MPa；混合料28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合曲線斜率隨水泥摻量的增大呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明水泥劑量對(duì)混合料28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較為明顯，外摻加1%～2%水泥的方式可明顯提高水泥粉煤灰穩(wěn)定磚、混凝土再生碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。根據(jù)不同等級(jí)公路無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，計(jì)算不同水泥劑量的混合料磚再生碎石摻量上限值如表9 所示。

表9 不同等級(jí)公路在不同水泥劑量下磚再生碎石摻量上限值

3.3 間接抗拉強(qiáng)度的規(guī)律分析

對(duì)15 組配合比的試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，混合料各齡期間接抗拉強(qiáng)度（ft）與磚再生碎石摻量x 存在的線性關(guān)系如表10所示。

圖3 間接抗拉強(qiáng)度與磚再生碎石摻量的關(guān)系

表10 間接抗拉強(qiáng)度與磚再生碎石摻量擬合關(guān)系式

由圖3 和表10 可知：與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似，混合料間接抗拉強(qiáng)度隨磚再生碎石摻量的增加呈減小趨勢(shì)。以水泥摻量5%為例，BC-10-5 的7 d間接抗拉強(qiáng)度為0.39 MPa，磚再生碎石摻量每增加10%，間接抗拉強(qiáng)度分別下降了7.69%，13.89%，12.90%，7.41%，可以看出磚再生碎石摻量對(duì)間接抗拉強(qiáng)度影響較大；BC-10-5、BC-20-5、BC-30-5、BC-40-5 和BC-50-5 混合料的28 d 間接抗拉強(qiáng)度相比7 d 間接抗拉強(qiáng)度分別增加了44.44%，43.75%，48.28%，48.00%，47.62%。這主要是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期增加，磚粉、粉煤灰和混合料中的活性物質(zhì)逐漸與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成了大量的C-S-H、C-A-H 或C-A-S-H 等凝膠物質(zhì)，這些物質(zhì)的生成使得磚、混凝土再生碎石與水泥砂漿界面聯(lián)系得更加緊密，顯著提高了試件內(nèi)部的密實(shí)度和膠結(jié)強(qiáng)度，直接表現(xiàn)為試件強(qiáng)度的提高。

3.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接抗拉強(qiáng)度的規(guī)律分析

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān)，它們之間的關(guān)系是當(dāng)今學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，但路面基層材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系鮮有研究。因此，參考普通混凝土常用的抗壓強(qiáng)度與間接抗拉強(qiáng)度換算關(guān)系，如式（4）所示，并對(duì)其進(jìn)行修正，得到路面基層材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系公式。

式中：ft為混凝土間接抗拉強(qiáng)度，MPa；fc為混凝土圓柱體的抗壓強(qiáng)度，MPa；k 和n 的值可以通過(guò)回歸分析得到。

通過(guò)對(duì)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度結(jié)果分別按線性函數(shù)和冪函數(shù)兩種形式進(jìn)行回歸分析，混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度關(guān)系的回歸方程如式（5）和式（6）所示，與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好，這表明兩種關(guān)系模型均可用于指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)磚粉末和粉煤灰XRF 圖譜分析可知，磚和粉煤灰的主要化學(xué)成分均為硅鋁質(zhì)材料及部分堿性氧化物，有一定的火山灰活性成分，適宜用作道路基層材料。

（2）通過(guò)磚、混凝土再生碎石壓碎值試驗(yàn)，按照集料壓碎值控制指標(biāo)，建議高速公路和一級(jí)公路底基層磚再生碎石摻量不宜超過(guò)18.2%，二級(jí)及二級(jí)以下公路基層摻量不宜超過(guò)37.8%，底基層摻量不宜超過(guò)62.1%。

（3）混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及間接抗拉強(qiáng)度均隨磚再生碎石摻量增加呈近似線性減小趨勢(shì)，根據(jù)不同等級(jí)公路強(qiáng)度要求，提出水泥摻比分別為4%，5%，6%的水泥粉煤灰穩(wěn)定磚、混凝土再生碎石混合料中磚摻量的上限值，為磚、混凝土再生碎石應(yīng)用于公路基層和底基層提供技術(shù)支撐。

（4）通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出路面基層材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系模型，其中冪函數(shù)和線性方程擬合程度較高，均可為實(shí)際工程應(yīng)用中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度相互轉(zhuǎn)化提供依據(jù)。