水泥稳定再生集料的力学特性及影响因素研究

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水泥稳定再生集料的力学特性及影响因素研究

侯月琴1，纪小平2，刘陵庆2

(1.西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，陕西 西安 710049;2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

摘要：旨在揭示水泥稳定再生集料(CSRA)的力学特性及其影响因素。设计了4种不同RCA掺量的CSRA，测试其击实特性、抗压强度、抗压回弹模量、劈裂强度与弯拉强度，并建立强度增长方程及力学指标间的关系方程。结果表明，利用废弃混凝土能够生产出满足现行规范要求的再生集料(RCA)，且RCA中含有一定活性的硅酸盐，对CSRA的力学特性存在有利影响。当龄期小于60 d时，CSRA的无侧限抗压强度与抗压回弹模量随RCA掺量的增加先降低后增大，当龄期为90 d时，则随RCA掺量的增加而降低。CSRA的劈裂强度与弯拉强度随RCA掺量的增加而增大。所建立的CSRA强度增长方程可较为精确地表征强度增长特性；当试验条件受限时，利用力学指标关系方程可预估其他力学指标。CSRA用于路面基层中，无侧限抗压强度与劈裂强度满足现行规范要求，RCA掺量可达100%。

关键词：道路工程；水泥稳定再生集料；试验研究；力学特性；强度增长方程

0 引言

我国正处于基础建设高峰期，每年会产生大量的废弃混凝土。同时地震等自然灾害也会产生大量的废弃混凝土。虽然我国各级政府鼓励废旧材料的再生利用，但由于各种原因，目前仍有大量废弃混凝土被直接运往城市郊区露天堆放或简单填埋。这种处理方式不但占用了大量土地，而且会造成一定的环境污染。废弃混凝土经分拣、剔筋、破碎、分级后形成的粒径小于40 mm的集料，称为废弃混凝土再生集料(RCA)[1]。与天然碎石相比，废旧混凝土再生集料的密度小、强度低、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设计水泥稳定再生集料基层，具有良好的环境及经济效益[6]。高启聚等[7]认为水泥稳定再生集料具有良好的路用性能。张超等[8]研究了废弃混凝土再生集料的性能及其在道路基层中的应用。胡力群等[9]将废弃黏土砖以不同比例替代天然碎石配制水泥稳定基层，建议混合料中废砖块粗集料和细集料的替代率分别不超过70%和90%。侯月琴提出了水泥稳定再生集料的强度设计标准[10]。然而，相关研究很少涉及水泥稳定再生集料基层的长龄期力学特性、力学强度增长方程等。

本文设计了不同RCA掺量与水泥剂量的CSRA，测试不同龄期的抗压强度、抗压回弹模量、劈裂强度与弯拉强度，建立力学强度增长方程及力学指标关系方程，为混合料及路面结构设计提供参考。

1 原材料与混合料设计

1.1 原材料

采用普通硅酸盐水泥，其技术性能满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)中关于P.O 42.5的要求。废弃水泥混凝土的强度等级为C30，经分拣、剔筋、破碎及分级后，制备成规格为20～30 mm，10～20 mm，5～10 mm和0～5 mm的RCA。试验用天然集料为花岗岩，规格为20～30 mm，10～20 mm，5～10 mm和0～5 mm。根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)的相关方法，测试集料的技术性能，结果见表1、表2。由结果可知，再生粗集料的压碎值高于花岗岩集料，但仍满足《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034—2000)中不大于30%的要求；针片状含量则低于花岗岩集料，但满足规范不大于15%的要求；吸水率远大于花岗岩集料。再生细集料的砂当量远高于花岗岩细集料，且坚固性与棱角均较好。由此可以说明，再生集料满足公路路面基层的使用要求。

表3为集料的筛分结果。由结果可知，再生集料除个别粒径超限外，其余粒径均能满足要求。因此，只要选择合适的设备并严格控制粒径，把超粒级的颗粒筛除并且重新加以破碎，就能生产出符合要求的RCA。

表1 粗集料技术性能

Tab.1 Technical performance of coarse aggregates

集料类型压碎值/%表观相对密度吸水率/%针片状含量/%5～10mm10～20mm20～30mm5～10mm10～20mm20～30mm5～10mm10～20mm20～30mm花岗岩18226272691265512611102253731RCA267265726842638625348417259

表2 细集料技术性能

Tab.2 Technical performance of fine aggregates

集料类型表观相对密度砂当量/%坚固性/%棱角性/s花岗岩25986897141RCA24839056445

RCA由天然砂石材料与水泥砂浆组成，含有C-S-H(xCaO·SiO2·yH2O)、钙矾石、单硫型硫铝酸钙和Ca(OH)2等水化产物，这些成分以非晶相存在，且具有一定的活性。图1为RCA的FIRT傅立叶红外光谱分析结果。由结果可知，RCA含有一定活性的硅酸盐。当RCA用于水泥稳定基层时，这些活性物质能与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生火山灰反应而形成水硬性产物。

表3 集料筛分结果

Tab.3 Sieve result of aggregates

筛孔尺寸/mm天然集料通过率/%再生集料通过率/%0～5mm5～10mm10～20mm20～30mm0～5mm5～10mm10～20mm20～30mm3151001001001001001001009932651001001009510010010082519100100100175100100996829510098923336100100365024759991880304982250202367320700617050006380003000000756700031000

图1 RCA的光谱分析结果
Fig.1 Result of spectroscopy analysis of RCA

1.2 混合料级配

将RCA按0，30%，60%和100%替代花岗岩配制4种CSRA级配，结果见表4。文献[11]指出，水泥稳定基层的水泥用量不宜超过6%；在实际应用中，常用的水泥剂量为5%左右；此外，随着骨架密实型级配与振动成型方法的应用，水泥剂量逐步降低。综合考虑，每种级配的水泥剂量统一采用4%和5%，共计8种混合料。

表4 CSRA的级配

Tab.4 Gradation of CSRA

RCA掺量/%通过以下筛孔(mm)的通过率/%31526519954752360600750100988802544333221114203010097979555433520996176010096978756433620082141001009638065363552168111

2 试验方法

根据《公路工程无机结合料稳定类材料试验规程》(JTG E51—2009)，采用重型击实法确定CSRA的最大干密度和最佳含水量。按照静压成型法分别成型高150、直径为150 mm的圆柱形试件和长400 mm、宽100 mm、高100 mm的长方体试件，圆柱体试件用于测试无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量，长方体试件用于测试弯拉强度。参照《公路工程无机结合料稳定类材料试验规程》中的T 0805—1994测试7，28，60 d和90 d的无侧限抗压强度，参照T 0808—1994测试7，28，60 d 和90 d的抗压回弹模量，参照T0806—1994测试7，28，60 d和90 d的劈裂强度，参照T 0851—2009测试7，28，60 d和90 d的弯拉强度。试件均在温度为(20±2)℃、湿度为95%的标准环境下养生。

3 结果与讨论

3.1 击实特性

图2为CSRA的最大干密度与最佳含水量。由结果可知，最大干密度随着RCA掺量的增加而降低，最佳含水量则随着RCA掺量的增加而增加。这是由再生集料的密度较天然集料偏小而吸水率相对较大决定的。

图2 击实试验结果
Fig.2 Result of compaction test

3.2 无侧限抗压强度

图3为CSRA的无侧限抗压强度结果，由结果可知：

(1)CSRA的无侧限抗压强度随龄期呈非线性增长，在0～28 d早期阶段增长速率较快，而后逐渐变小。RCA的掺量对强度大小有影响，但不影响强度增长规律。

(2)CSRA的无侧限抗压强度与RCA掺量没有明显的关系。当龄期小于60 d时，CSRA无侧限抗压强度随RCA掺量的增加先降低后增加；当龄期为90 d时，CSRA无侧限抗压强度随RCA掺量的增加而降低。

(3)《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)对水泥稳定类材料的7 d无侧限抗压强度要求如表5所示。当水泥剂量为5%时，CSRA的7 d无侧限抗压强度为4.25 MPa，满足特重交通条件下的基层使用要求；当水泥剂量为4%时，CSRA的7 d无侧限抗压强度为3.23～3.57 MPa，满足重、中交通条件下的基层使用要求。显然，可通过降低水泥剂量，使得CSRA的强度降低到其他轻交通条件下的要求。由上分析，再生集料在水泥稳定基层中可100%利用。

图3 无侧限抗压强度
Fig.3 Unconfined compressive strength

表5 水泥稳定类材料的7 d无侧限抗压强度(单位：MPa)

Tab.5 7 d unconfined compressive strength of cement stabilized material(unit：MPa)

层位特重交通重、中交通轻交通基层35～4530～4025～35底基层≥25≥20≥15

3.3 抗压回弹模量

图4为CSRA的抗压回弹模量结果，由结果可知：

(1)CSRA的抗压回弹模量随龄期呈非线性增长，变化规律与无侧限抗压强度一致。

(2)当龄期小于60 d时，CSRA抗压回弹模量随RCA掺量的增加先降低后增大；当龄期为90 d时，CSRA抗压回弹模量随RCA掺量的增加而降低，其变化规律与无侧限抗压强度一致。

(3)5%水泥剂量下的抗压回弹模量是4%水泥剂量的1.21～1.37倍。

图4 抗压回弹模量
Fig.4 Compressive resilient modulus

3.4 劈裂强度

图5为CSRA的劈裂强度结果，由结果可知：

(1)CSRA的劈裂强度随龄期呈非线性增长，变化规律与无侧限抗压强度一致。

(2)CSRA的劈裂强度随RCA掺量的增加而增大。其原因主要是水泥稳定集料的劈裂强度除了与集料的强度有关外，还与混合料内部的黏聚力有密切关系。劈裂强度试验中试件破坏首先发生于集料-水泥石界面，因此界面强度对劈裂强度有较大影响。RCA表面比花岗岩更粗糙，且有很多孔隙，水泥浆在拌和过程中更容易渗入RCA，提高界面强度，进而提高劈裂强度；另外，RCA含有一定活性的硅酸盐(见图1)，能与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生火山灰反应，生成水硬性产物进而形成强度。以上两种因素使得CSRA的劈裂强度随RCA掺量的增大而增大。

(3)《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)中，水泥稳定类材料的90 d劈裂强度不应小于0.4 MPa。由结果可知，水泥剂量为4%，5%时，CSRA的90 d劈裂强度为0.52～0.71 MPa，满足基层与底基层的使用要求，也就是说再生集料在水泥稳定基层中可100%利用。

图5 劈裂强度
Fig.5 Splitting strength

图6 弯拉强度
Fig.6 Flexural strength

3.5 弯拉强度

图6为CSRA的弯拉强度结果，由结果可知：

(1)CSRA弯拉强度随龄期呈非线性增长。

(2)CSRA弯拉强度随RCA掺量的增加而增大，100%掺量的90 d弯拉强度为零掺量的1.24倍，其原因与劈裂强度的一致。

(3)5%水泥剂量下的弯拉强度是4%水泥剂量的1.11～1.41倍。

3.6 强度增长方程

根据无侧限抗压强度、抗压回弹模量、劈裂强度和弯拉强度随龄期的变化结果可知：CSRA的力学强度随龄期呈非线性增长，早期增长较快、后期增长较小，示例见图7。参考相关文献[12]，建立CSRA的强度增长方程，见式(1)。利用强度增长方程可以精确预估不同龄期的强度，为确定控制疲劳开裂的CSRA强度设计标准提供依据。

(1)

式中，t为龄期，一般t7 d；Rt为t龄期的力学强度(无侧限抗压强度、回弹模量、劈裂强度与弯拉强度)；R∞为∞龄期的力学强度；本文取R∞为R90；a, b为系数。

图7 RCA的力学强度与龄期的关系(RCA掺量60%)
Fig.7 Relationship between mechanical strength of RCA and curing age (RCA content is 60%)

4种RCA掺量，2种水泥剂量，5个龄期，因此每个力学指标共有40组测试结果。依次根据40组测试结果并进行回归分析，计算得到CSRA无侧限抗压强度、回弹模量、劈裂强度与弯拉强度的模型参数，相关性系数R2在0.97以上，结果见表6。

3.7 力学指标间的关系模型

绘制CSRA无侧限抗压强度与劈裂强度、抗压回弹模量与无侧限抗压强度、弯拉强度与劈裂强度的关系曲线，见图8。由结果可知，CSRA无侧限抗压强度与劈裂强度、抗压回弹模量与无侧限抗压强度、弯拉强度与劈裂强度呈线性关系，见式(2)～式(4)。

表6 CSRA的强度增长方程系数

Tab.6 Coefficient of strength growing equation of CSRA

力学强度水泥剂量/%模型参数RCA掺量/%03060100无侧限抗压强度/MPa4050ac0482044305300582bc0470054704150366ac0516051905180613bc0447043004380337抗压回弹模量/MPa4050ae046204350495054be0508055704660405ae0516049005080662be0456048004510275劈裂强度/MPa4050as0469048404950513bs0516049604770459as0495049404590471bs0471046905130503弯拉强度/MPa4050aw0279031702970310bw0862073707810754aw0415050304890452bw0583046304840521

(2)

(3)

(4)

图8 力学强度指标关系
Fig.8 Relationship of mechanical strength indexes

4 结论

(1) 利用废弃混凝土能够生产出满足公路沥青路面水泥稳定基层使用与级配要求的再生集料；再生集料中含有一定活性的硅酸盐，能与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生火山灰反应而形成水硬性产物，对CSRA的力学特性存在一定的有利影响。

(2) 当龄期小于60 d时，CSRA的无侧限抗压强度与抗压回弹模量随RCA掺量的增加先降低后增大；当龄期为90 d时，则随RCA掺量的增加而降低。而CSRA的劈裂强度与弯拉强度随RCA掺量的增加而增大。

(3) 建立了CSRA强度增长方程，可较为精确地表征强度增长特性；CSRA的无侧限抗压强度与劈裂强度、抗压回弹模量与无侧限抗压强度、弯拉强度与劈裂强度存在良好的线性关系，当试验条件受限时，可用于某一指标预估其他力学指标。

(4) 水泥稳定再生集料用于路面基层中，无侧限抗压强度与劈裂强度满足规范要求，RCA掺量可达100%。

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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)

Abstract：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%.

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

References：

收稿日期：2016-01-11

基金项目：国家自然科学基金项目(51408044); 中国博士后科学基金项目(2015T80999); 中央高校基本科研业务费专项资金项目(0009-2014G1211007)

作者简介：侯月琴(1981-)，女，青海乐都人，工学博士.([e-mail])

doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.009

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)12-0056-06