杜 浩，杜先照

（1.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；2.武汉地铁集团有限公司 湖北 武汉 430030）

0 前言

混凝土再生集料简称再生集料，是将废弃混凝土经过破碎、筛分、清洗，以及按一定比例相互混合后得到的集料。第二次世界大战以后，美国、前苏联、德国、荷兰、日本等国相继对废弃混凝土的再生利用进行了研究。我国对混凝土再生集料的研究起步相对较晚，特别是在公路行业，对水泥混凝土路面再生利用的研究与应用，相比于建筑行业而言，不够系统、深入。在机场场道工程领域，对水泥混凝土道面再生利用所开展的研究和工程实践更为欠缺。杨庆国（2005）[1]、扈恩增（2006～2009）[2,3]、周海春（2007）[4]、郭恩等（2008）[5]等分别对道面混凝土再生集料的性能进行了研究，研究的成果对路面废旧混凝土的再生利用具有重要参考价值。

然而，以上研究均针对公路路面废弃混凝土，对于机场道面废弃混凝土再生集料的性能，国内尚无研究。考虑到机场混凝土道面设计及施工的特殊性，结合上海虹桥国际机场A滑行道K0-K2段大修工程，本文对大修产生的道面混凝土再生集料性能进行了系统研究。通过大量室内试验，明确了再生集料的性能并对生产工艺进行了改进。

1 再生集料的来源

本文选取虹桥国际机场A滑行道K0-K2段面层整体翻修产生的废弃混凝土作为原材料，采用镐头机或风镐，对废弃混凝土块进行人工初次破碎，并手工剔除钢筋、木块等杂质后，将解小的混凝土块体送入颚式破碎机进行一次破碎的方式来生产道面混凝土再生集料，具体情况见表1所列。废弃混凝土中含有30%左右的硬化水泥砂浆及70%左右的天然集料。天然集料中碎石居多，也含有极少量的卵石。

表1 再生集料的来源情况一览表

2 再生集料的性能

按照《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005)[6]中“T0301-2005粗集料取样法”的要求，充分考虑再生粗细集料离析的可能性，在集料加工现场的皮带运输机端部选取一组代表性试样，总重量约1 t。首先对这组试样进行了室内筛分试验，得出道面混凝土再生集料的级配特征，再研究了再生集料的形态特征及各项性能。

本文重点对再生粗集料的性能开展试验研究。而对于再生细集料，由于其主要起填充作用，仅对其个别基本性能进行试验研究。为了更好地体现和了解道面混凝土再生集料的特性，选取天然集料进行对比试验，天然粗集料采用普通石灰岩碎石，天然细集料则采用普通石灰岩石屑和天然河砂。试验中均以2.36 mm作为再生粗细集料的分界。

2.1 再生集料的级配特征

按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中“T0302-2005粗集料及集料混合料的筛分试验”的要求，对再生集料进行筛分试验，试验采用标准方孔筛，筛孔尺寸为0.075～37.5 mm。考虑到再生集料中大粒径颗粒很多，集料在运输过程中，以及堆放在实验室内时难免产生离析现象，因此对重量约1 t的取样量都进行了筛分，以最准确地反映道面混凝土再生集料的真实级配情况。筛分试验结果见表2所列。

从表2可以看出，通过颚式破碎机一次破碎后的再生集料颗粒偏粗，粒径大于37.5 mm的再生集料含量非常高，占集料总质量的64.99%；再生细集料（颗粒粒径小于2.36 mm）含量较少，仅有2.57%；部分再生集料的颗粒粒径超过100 mm，最大粒径甚至达到150 mm。

表2 再生集料的筛分试验结果一览表

2.2 再生粗集料的性能

再生粗集料有三种基本形态：一是复合颗粒，即表面包裹着部分水泥砂浆的石子；二是天然集料颗粒，即与砂浆脱离的石子（表面或粘附少量砂浆）；三是水泥砂浆颗粒。其中复合颗粒约占90%，天然集料颗粒约占7%，水泥砂浆颗粒约占3%。粒径大于31.5 mm的再生集料基本都为复合颗粒，随着粒径的减小，复合颗粒的含量也相应减少。粒级为13.2～26.5 mm的再生集料中，各形态颗粒含量较稳定，基本维持在80%左右的复合颗粒和20%左右的天然集料颗粒，水泥砂浆颗粒的含量极少。粒级为2.36～9.5 mm的再生集料中，三种形态颗粒含量较均匀，随着粒径的减小，水泥砂浆颗粒的含量大幅增加。

为了研究再生粗集料的性能，进行了大量室内试验，试验过程均按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中的相关要求进行，试验结果汇总于表3。

表3 再生粗集料性能试验结果汇总表

2.2.1 含水率

按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中“T0305-1994粗集料含水率试验”的要求，将通过室内风干的不同粒级再生粗集料和天然粗集料分别放入烘箱内加热烘干，烘箱温度控制在105℃，测定不同时间的粗集料质量变化。其结果如图1所示。

由图1可知，天然粗集料的含水率很小，约为0.25%；再生粗集料的含水率较大，达到2.4%～4.4%。不同粒径的天然粗集料含水率均在0.2%～0.3%之间，颗粒粒径的变化对含水率的影响很小；然而再生粗集料的粒径大小对含水率的影响较大，粒径越小，则含水率越大。主要因为集料中的硬化水泥砂浆体中含有大量的凝胶物质，在105℃的温度下这些凝胶物质会释放部分结晶水。长安大学的张超等人[7]对磨细的硬化水泥净浆进行热分析试验，发现水泥石在加热时会产生显著的吸热现象，并伴随质量的损失。因此，再生集料的质量在高温加热时发生明显减小正是水泥石中的结晶水大量损失所造成的。

一般情况下再生粗集料的粒径越小，则颗粒中的水泥浆体含量越高且比表面积越大，加热时的质量损失越大。而粒级31.5 mm的再生集料含水率高于26.5 mm的再生集料，主要是因为31.5 mm再生集料中基本不再含有天然集料颗粒，水泥浆体含量反而高于26.5 mm再生集料。

天然粗集料在105℃烘箱中加热4 h后质量基本不再变化；而2.36～16 mm再生粗集料加热36 h后质量才基本不再变化，19～31.5 mm再生粗集料则需要加热48 h。在105℃下水泥石释放结晶水是一个缓慢的过程，粒径越小的再生粗集料比表面积越大，受热越均匀，集料内部的水分也越容易脱离，因此脱水速率也越快。

2.2.2 密度和吸水率

天然粗集料通常按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中“T0304-2005粗集料密度与吸水率试验（网篮法）”测定集料的密度与吸水率。该方法最后要求将潮湿集料放入105℃烘箱中烘干至恒重，以称取集料的烘干质量ma。由含水率试验结果可知，再生粗集料中的水泥浆体在105℃下会释放结晶水，这部分结晶水的损失会造成ma的测定值偏小许多，因此再生粗集料并不能完全按照试验规程中的方法计算密度与吸水率，否则会造成吸水率和表观密度的计算结果偏大，毛体积密度的计算结果偏小（表干密度不受影响）。

如果按照试验规程测定再生粗集料的密度与吸水率，在计算吸收水分时，必须扣除再生粗集料在加热烘干时内部结晶水的损失。实际操作中，需首先通过含水率试验对测得的ma值进行修正，然后再代入规程中的计算公式计算密度与吸水率，修正公式如式（1）所列。

式中：m'a——修正后的再生粗集料烘干质量；

ma——试验测定的再生粗集料烘干质量；

ω——再生粗集料的含水率。

其中，测定含水率的再生集料与测定密度与吸水率的集料必须保持级配一致且质量接近，且两个试验的集料均应烘干至恒重或采用相同的加热时间（不少于6 h，自由水一般4～6 h可烘干）。

该项目仍按照试验规程中网篮法的要求测定天然粗集料与再生粗集料的密度与吸水率，并对再生粗集料的测值进行修正。试验结果表明，再生粗集料的密度低于天然粗集料，而吸水率大于天然粗集料。造成再生粗集料密度较低的原因主要是集料附着的水泥砂浆密度较低且孔隙率较大。天然粗集料的表观密度与毛体积密度较为接近，相比而言，再生粗集料的表观密度与毛体积密度的差值较大，进一步说明再生粗集料的表面较为粗糙，开口孔隙较多。比较表干密度与毛体积密度的大小可知，再生粗集料两者的差值大于天然粗集料，这也从一定程度上反映出再生粗集料的吸水率较大。再生粗集料的吸水率高且吸水速度快，这主要是因为附着的水泥砂浆吸水率较高且孔隙率较大，并且废弃水泥混凝土在拆除和破碎过程中会产生一定损伤，使再生集料内部出现一些微裂缝。

比较未修正与修正后的试验数据，再生粗集料的表观密度与毛体积密度的偏差为0.06～0.12 g/cm3，而重复试验的精密度要求不超过0.02 g/cm3；未修正时的再生粗集料吸水率偏大2.81%，而重复试验的精密度要求不超过0.2%。因此，在测定再生粗集料的密度与吸水率时，必须测定集料的含水率并对密度与吸水率进行修正，否则会造成试验结果严重失真。

再生粗集料吸水率的修正公式可表示为式（2）。

式中：ω'x——修正后的再生粗集料吸水率；

ωx——未修正的再生粗集料吸水率。

国内无论是公路行业还是建筑行业，在测定再生集料的密度与吸水率时基本都完全按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）或《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(JGJ 53-92)中的试验方法进行，未对测值进行修正，一般文献测得的再生粗集料吸水率均在2.5%～10%之间，测值偏大很多。

2.2.3 其他性能

（1）按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中“T0312-2005粗集料针片状颗粒含量试验（游标卡尺法）”的要求，测定粒径4.75 mm以上的再生粗集料和天然粗集料的针片状颗粒含量。结果表明再生粗集料的针片状颗粒含量小于天然粗集料，这是由于废弃混凝土在破碎过程中，部分针片状颗粒易被破碎成小颗粒，从而使针片状颗粒含量减少，集料形状得到改善。

（2）按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中“T0316-2005粗集料压碎值试验”的要求，测定的天然粗集料的压碎值为20.2%，再生粗集料的压碎值为20.5%，两者的抗压碎能力接近，但是再生粗集料的压碎值变异性大，试验的可重复性较差。粗集料的压碎值与集料的品种和产地有关，还与颗粒形状有关，针片状颗粒含量高的粗集料，其压碎值较高。再生粗集料的压碎值主要与废弃混凝土的强度及所采用的集料品种有关，因此不同来源的再生粗集料的压碎值差异较大。

（3）按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中“T0317-2005粗集料磨耗试验（洛杉矶法）”的要求，采用A级粒度，测定了再生粗集料和天然粗集料的洛杉矶磨耗损失。再生粗集料的洛杉矶磨耗损失为20.6%，比天然粗集料高出许多。再生粗集料的耐磨性比天然粗集料要差，这主要是因为再生粗集料中的水泥砂浆强度较低，在磨耗过程中容易破碎。

（4）按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中“T0314-2000粗集料坚固性试验”的要求进行试验，结果表明再生粗集料的质量损失百分率为8.1%，坚固性比天然粗集料要差。这主要是因为再生粗集料的孔隙率较大且内部可能存在微裂缝，结构不致密，在干湿或冻融循环下易遭到破坏。公路上通过坚固性试验得到的再生粗集料质量损失百分率一般在8%～21%之间。再生粗集料的坚固性与集料的生产工艺及废弃混凝土的强度有关，机场道面混凝土的强度较高，因此相比于其他再生集料，该项目生产的道面混凝土再生集料具有较好的耐久性。

2.3 再生细集料的性能

再生细集料有四种基本形态：一是复合颗粒，即表面粘附部分水泥砂浆的石屑；二是与水泥浆体完全脱离的砂粒；三是破碎时产生的石屑；四是水泥浆体或砂浆颗粒。其中，复合颗粒的含量极少，砂粒与石屑的含量也不多，大部分再生细集料为水泥浆体或砂浆颗粒。尤其是粒径小于0.15 mm的细粉，基本全为破碎时产生的水泥浆体粉末。下面分别从含水率和表观密度两个方面来分析再生细集料的性能。

2.3.1 含水率

按照《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）中“T0332-2005细集料含水率试验”的要求，将通过室内风干的再生细集料、天然石屑和天然砂分别放入烘箱内加热烘干，烘箱温度控制在105℃，测定不同时间的细集料质量变化。细集料含水率试验结果如图2所示。

根据试验结果可知，天然细集料的含水率都很小，天然石屑为0.60%，天然砂为0.18%，而再生细集料的含水率较大，达到4.25%。与再生粗集料类似，这是由于再生细集料中的水泥石含有大量结晶水所致。天然细集料加热2～4 h后质量不再变化；而再生细集料加热12h后质量才基本不再变化。

2.3.2 表观密度

按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中“T0328-2005细集料表观密度试验（容量瓶法）”的要求，分别测定再生细集料、天然石屑和天然砂的表观密度。天然石屑和天然砂在测试密度前均在温度105℃烘箱中烘干至恒重；考虑到再生细集料中结晶水的影响且风干集料中的自由水含量很小，再生细集料在测试密度前不进行加热烘干。在该项试验中再生细集料的表观密度为2.378 g/cm3，天然石屑和天然砂的分别为2.703 g/cm3和2.591 g/cm3，结果表明再生细集料的表观密度较小。

3 再生集料生产工艺的改进

根据再生集料的级配特征可知，通过一次破碎的再生集料级配较差，大粒径颗粒过多，细集料含量偏少，并不符合实际工程应用的要求，因此必须对再生集料的级配进行调整，改进道面混凝土再生集料的生产工艺，这样不仅有利于提高破碎产量，改善再生集料的品质，还可以降低生产成本。

水泥稳定碎石用于道路基层时，一般要求最大粒径不得超过31.5 mm；级配碎石用于道路底基层或垫层时，一般要求集料的最大粒径不得超过37.5 mm。然而从表2可以看出，粒径大于31.5 mm的再生集料占集料总质量的69.68%。因此，如果将虹桥国际机场的道面混凝土再生集料应用于水泥稳定碎石或级配碎石中，其利用率最高也仅能达到30%左右。为了提高再生集料的利用率，减少再生集料中粗颗粒的含量，需要对粒径大于31.5 mm的集料进行循环破碎，从而将再生集料的颗粒粒径控制在31.5 mm以内。

假定31.5 mm以上的颗粒全都经过再次破碎，则此时生产出的再生集料的级配组成应接近于表2中0～31.5 mm再生集料的组成比例，由表2可计算出通过一次破碎且控制最大粒径的再生集料的级配，级配曲线如图3所示。

从图3可以看出，即使是通过一次破碎且控制最大粒径的再生集料，其颗粒仍然较粗，细集料偏少，不满足规范中水泥稳定碎石基层和级配碎石层对集料的级配要求，因此有必要在集料一次破碎的基础上进行二次破碎，即首先对废弃混凝土进行一次破碎和二次破碎，然后按照控制最大粒径的要求对超尺寸颗粒进行循环破碎直到所有颗粒的粒径都小于31.5 mm。采用二次破碎且控制最大粒径的方式生产道面混凝土再生集料，可将再生集料级配进一步变细，从而较易满足规范的要求，提高再生集料的利用率。

4 结论

（1）通过筛分试验研究了经一次破碎产生的再生集料的级配特征，结果表明通过一次破碎的再生集料级配较差，大粒径颗粒过多，细集料含量偏少。

（2）通过室内试验研究了机场水泥混凝土再生粗集料的物理性能（含水率、密度、吸水率、针片状颗粒含量）、力学性能（压碎值、洛杉矶磨耗损失）和耐久性能（坚固性），并提出了密度和含水量的修正方法，同时研究了再生细集料的含水率和表观密度。

（3）对再生集料的生产工艺进行了改进，采用二次破碎且控制最大粒径的方式生产道面混凝土再生集料，将再生集料级配进一步变细，从而满足规范的级配要求，提高再生集料的利用率。

[1]杨庆国，易志坚，任超，等.道路旧混凝土再生集料及其在路面中应用的试验研究[J].重庆交通学院学报，2005，24(6):71-75.

[2]扈恩增.再生混凝土粗集料性能的试验研究[J].四川建筑，2006，26(4):149-151.

[3]扈恩增.道路再生混凝土粗集料的路用性能研究[J].铁道建筑，2009，(5):113-115.

[4]周海春.再生集料混凝土的性能分析与施工[D].重庆：重庆大学，2007.

[5]郭恩，赵之杰，张阳.旧水泥混凝土路面再生骨料性能探讨[J].西部交通科技，2008(8):9-11.

[6]JTG E42-2005，公路工程集料试验规程[S].

[7]张超，丁纪忠，郭金胜.废弃水泥混凝土再生集料在半刚性基层中的应用[J].长安大学学报，2002，22(5):1-4.