水泥粉煤灰再生基层混合料性能的研究

刘红科

(山西诚达公路勘察设计有限公司 太原市 030006)

0 引言

根据国家城乡建设统计数据结果显示来看，到2019年底，我国房屋建筑面积近390亿平米，而每平方米建筑产生的建筑垃圾为1.3t[1]。近些年来，我国每年的建筑废弃物产量不断增长，其中包括了渣土、废弃料等[2]；目前，建筑废弃物有着产量大、利用率极低、污染环境等缺点。有相关报道指出，到2020年我国的建筑废弃物年产量将达到50亿吨[3]；对建筑废弃物的利用率英国与美国分别可以达到80%、70%[4]，而国内的建筑废弃物的利用率只有5%，这与可持续发展战略背道而驰，因此，提高建筑废弃物的利用率，有着极其重要的意义。

我国道路半刚性基层以水泥稳定碎石基层和粉煤灰稳定碎石基层为主，这是因为水泥或者粉煤灰稳定碎石基层有着良好的抗弯拉性能，且随时间的推移其性能不断增加，使其能“从容”地面对日益增长的交通量；其次，水泥或粉煤灰稳定碎石基层有着强度高、刚度大及整体性的特点，可以间接提高面层的抗疲劳性能，从而使道路的使用年限得到增加；再者，粉煤灰的排放对环境的污染造成极大的影响，因此，道路建设中粉煤灰的使用有利于我国环保事业的健康发展。在半刚性基层拥有诸多优点的同时，它也呈现出些许不足的地方：对水泥稳定碎石基层，由于结构自身的收缩很容易引起基层开裂，进一步影响路面形成一系列整齐的反射裂缝；而粉煤灰稳定碎石基层由于成型期较长，早期强度低，影响工程的施工进度，且其水稳定性能差，在多雨地区或地下水丰富地域极易发生水损坏。水泥粉煤灰稳定碎石基层具有两者优点的同时摈弃了不好的地方，这主要是水泥作为粉煤灰的活性激发剂，粉煤灰部分与水泥产生反应形成强度，而另一部分起着填隙料的作用，使混合料形成良好的骨架密实作用。

1 再生基层集料配合比确定

水泥稳定碎石基层材料本身固有的性质与道路建设中的施工质量都对路面的性能起着至关重要的作用，因此，欲提升路面的整体性能及延长路面的正常使用寿命，处理好基层相关质量问题显得尤为重要。

1.1 水泥

本试验中采用的水泥为普通硅酸盐水泥，其相应的技术指标检测结果满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)[5],见表1。

表1 水泥技术指标检测结果

1.2 粉煤灰

试验过程中采用的是某电厂产生的粉煤灰，其检测结果满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)[6]，其中粉煤灰的组成成分含量见表2。

表2 粉煤灰组成成分检测结果

1.3 集料

试验中采用的原集料材料为花岗岩，集料的粒径分为0～5mm、5～10mm、10～20mm、20～30mm四档；再生原材料选用的是经过破碎的建筑垃圾，在混合料中主要承担骨料的作用，其试验检测结果见表3。

表3 集料技术指标检测结果

1.4 集料级配的确定

无机结合料稳定基层的早期评价指标为7d无侧限抗压强度，水泥粉煤灰基层的强度形成主要分为两个阶段，首先，水泥与水发生水化反应形成强度，其次，后期粉煤灰与氢氧化钙发生反应形成强度；水泥粉煤灰基层中，如果水泥用量过高，致使混合料结构层刚度强度变大，但与此同时混合料易发生失水现象导致混合料产生裂缝，危及路面的整体性能且不经济；结合料掺量一定的情况下，粉煤灰用量过大，则相应水泥掺量必定降低，使得结合料不能较好地均匀拌和，过剩的粉煤灰未能发生火山灰反应，从而影响基层的路用性能。混合料养生早期，粉煤灰会抑制水化反应的进行，国外相关研究也证明了这一观点。为了保证水泥粉煤灰稳定碎石基层的强度能满足要求，试验中采用的水泥与粉煤灰的比值为1∶3，结合料与集料的比值为15∶85。水泥粉煤灰稳定碎石基层采用的是连续级配，通过对各档料进行筛分，按照基层配合比设计方法[7],最终得到如表4的合成级配。

对该配合比中10～30mm的粗骨料分别用0%、20%、40%、60%、80%、100%的再生粗集料进行代替，采用击实仪法对各种混合料进行最佳含水量以及最大干密度的测试试验，试验结果见表5。

表4 合成级配

表5 不同掺配比例再生骨料试验结果

从表5中可以得到，混合料的最佳含水量随再生骨料掺量的增大而不断增大，在再生骨料掺量为100%时相较于0%其最佳含水量增加了3.17%，这是因为再生集料中孔隙较大，吸水率较高，促使最佳含水量提升；另一方面，再生骨料表面的水泥砂浆含有部分已经水化的水泥物质，而这些水泥物质中存在着结晶水，结晶水在100～105℃高温条件下容易蒸发，而在试验过程中这部分结晶水计入了最佳含水量的范畴。相反，混合料的最大干密度随再生骨料的增加而逐渐减小，这是由于再生骨料密度小，在体积不变的情况下，其质量小密度小。

2 再生基层混合料性能试验

2.1 无侧限抗压强度

成型Φ150×150mm的混合料试件，在规定的时间内对试件进行脱模，然后将其放入密闭的塑料袋中置于养护室进行养护，无侧限抗压强度见表6。

表6 混合料无侧限抗压强度试验结果

从表6中可以得到，再生基层混合料在相同的养护周期条件下，无侧限抗压强度随再生骨料掺配比例的增加而增大，当再生骨料掺配比例为80%时，其混合料的无侧限抗压强度出现最大值。出现这种情况的主要原因是由于再生骨料由建筑垃圾经过破碎处理得到，在这些粗骨料表面上形成更多的棱角，增加了集料间的嵌挤强度；另一方面，破碎后的粗骨料表面含有部分未产生水化反应的水泥，在形成新混合料的过程中这部分水泥也会发生反应，所以这就使得再生基层混合料的强度随再生骨料掺量的增加而变大。混合料的无侧限抗压强度在再生骨料相同掺量不同龄期的情况下，其强度随龄期的增加而增大，主要是因为粉煤灰反应周期较长，粉煤灰与集料的形成强度随时间的增加而增大。

2.2 劈裂强度

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[8]的要求进行试件的成型以及养护。试件在试验前，测量其浸水后的高度，选用万能试验机进行试验，结果见表7。

表7 混合料劈裂强度试验结果

试验结果表明，在相同的养护周期内，当再生骨料的掺配比例不断增大时，混合料试件的劈裂强度呈现出先增后减的趋势，当再生骨料的掺配比例达到80%时，混合料试件的劈裂强度出现最大值，与无侧限抗压强度的变化趋势相同；再生骨料在相同的掺配比例情况下，混合料试件的劈裂强度随养护周期的增加而增大，主要是混合料发生火山灰反应进一步促进了水泥发生水化反应。

2.3 冻融循环试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[8]的试验方法及要求，制定150×150mm的圆柱体试件，不同再生骨料的混合料分别制作两组试件共18个，一组为冻融试件，另一组为非冻融试件，所有试件的养护周期均为28d，达到龄期后对非冻融试件进行无侧限抗压强度测试，需冻融的混合料试件置于-18℃±1℃的冰箱中冰冻16h，然后取出试件放置在20℃±1℃的恒温水箱中8h，以此循环5次后对试件进行无侧限抗压强度测试，试验结果见表8。

表8 混合料试件冻融试验结果

从表8中可以明显看出，使用再生骨料替代后的混合料试件的抗冻系数BDR相对低于未替换再生骨料的混合料试件，这主要是因为混合料试件的抗冻系数与材料的吸水系数以及孔隙率有关，而再生骨料的吸水系数和孔隙率与原材料相比，其值都偏大，经过冻融循环试验，再生骨料在水膨胀和松弛的反复作用下受损，致使混合料试件的抗冻系数相对较小。随着再生骨料的掺配比例不断增加，混合料试件的抗冻系数BDR随之减小，在再生骨料掺配比例为0～40%间，BDR下降速度较快；而当再生骨料掺配比例在40%～100%范围内时，混合料的BDR值下降则相对较为平缓。

3 结论

(1)再生骨料掺配比例不断增加时，各养护周期的混合料试件的无侧限抗压强度均随之增加，且再生骨料掺量在80%时出现最大值，虽掺配比例为100%时，其抗压强度有所下降，但其值也高于未掺加再生骨料的混合料试件。

(2)试件的劈裂强度在相同龄期下随再生骨料掺配比例的增加而先增加后减小，80%为其峰值点；不同龄期条件下，28d混合料试件的劈裂强度相较高于7d龄期，主要是混合料中火山灰进一步促进了水泥的反应。

(3)试件的冻融系数BDR随再生骨料掺配比例的增加而减小，这主要是再生骨料吸水率大于孔隙率所导致；在再生骨料掺配比例为0～40%间，BDR下降速度较快；而当再生骨料掺配比例在40%～100%范围内时，混合料的BDR值下降则相对较为平缓。