陈欣慧 王正红 彭美勋

（湖南科技大学材料科学与工程学院 湖南湘潭 411201）

引言

伴随着我国城市建设的快速发展，旧城和基础设施改造产生了大量的建筑垃圾。无机建筑垃圾按其主要有效成份分为混凝土类垃圾和主要由废砖和废混凝土组成的砖混类垃圾,前者作为集料用于再生混凝土正在推广之中[1]；后者除了用于回填和生产建筑砌块外[2,3]，尚未能在其它领域有效再利用。我国公路建设发展迅速，对路面基层材料的需求量巨大。高速公路与高等级市政公路的基层通常采用水泥稳定碎石，其中的碎石则常采用灰岩破碎的级配碎石。砖混类再生骨料代替天然骨料应用于高等级公路基层，将是对砖混类建筑垃圾有效消化和规模化利用的生要途径，同时也能节约天然资源和保护环境。

研究适应再生骨料特性的新型无机结合料，是将砖混类建筑垃圾应用于道路基层水稳材料的重要环节。朴应模[4]研发了一种无熟料高炉矿渣水泥，其原料为炼铁高炉矿渣微粉、消石灰和无水石膏，其各龄期抗压强度与PO42.5水泥相当，而成本明显低于后者。林宗寿[5]等用矿渣、钢渣、石膏和石灰石直接磨细制备的无熟料水泥成本更低，而其强度亦达到砌筑水泥的标准。张西玲于2006年研制出一种高掺量矿渣路面基层结合料，专门用来胶结水泥稳定土和水泥稳定碎石，其原料为矿渣、硅酸盐水泥熟料、烧石膏、消石灰及少量石灰石[6]。该研究者对该水泥材料的路用性能进行了系统研究，证实其具有凝结时间长，强度与PC32.5相当，但早期收缩小，后期膨胀大，抗收缩开裂等显著优点。蒋建宏用矿渣、消石灰及硬石膏制备的无熟料水泥的强度亦达到PO42.5等级，但其最佳配方中石灰/硬石膏比为3[7]，与朴的最佳配方差异较大。研究表明，这一系列无/少熟料水泥的水化产物中都生成富含结晶水的钙矾石和水化碳铝酸钙等膨胀性晶体，故而在材料内部形成膨胀机制以抵消干缩与温缩。本研究先分析砖混类再生集料的路用性能，并研制无熟料矿渣水泥来胶结再生骨料级配碎石，探讨其作为再生骨料碎石胶结料的可行性，为进一步应用研究抛砖引玉。

1 实验

1.1 试验材料与试剂

砖混类再生集料为拆迁工地上收集的砖混类建筑垃圾破碎而得；天然石灰岩集料为石灰石破碎而得；水泥为湖南坪塘南方水泥有限公司的PC32.5；矿渣粉为华新湘钢S95矿渣粉，其相关指标见表1；消石灰和石膏分别用分析纯Ca(OH)2和CaSO4·2H2O；实验用水为澄清的自来水。

表1 矿渣粉指标

1.2 砖混类再生集料路用性质测试

经破碎加工后的砖混类再生集料与天然石灰岩集料均按0-4.75 mm、4.75-9.5 mm、9.5-19 mm和19-31.5 mm四种规格分装，并根据JTJ 034-2000《公路路面基层施工技术规范》中对高速公路和一级公路所要求的集料级配进行配料。集料的各项路用性能根据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》检测。求取最大干密度及对应的最佳含水量时按照JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0804-1994的击实实验丙法操作，试筒内径15.2 cm，高12.0 cm，分三层锤击，每层锤击次数98次。

1.3 矿渣无熟料水泥胶结砖混类再生集料水稳材料制备及其抗压强度检测

无熟料矿渣水泥用矿渣、消石灰与石膏的粉体混合配制。参照JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，求出不同配比不同水泥掺量下，用重型击实试验所得最佳含水量掺配静压成型试件，试模规格为Φ150×150的圆柱体,试件从试模内脱出后送至相对湿度大于98%,温度为20℃的标准养护箱恒温恒湿养生到规定龄期。养护6 d后浸水24 h,测其7 d无侧限抗压强度，用9个试件的平均值作为无侧限抗压强度试验结果。

2 实验结果讨论

2.1 砖混类再生集料的路用性质

表2 砖混类再生料各组分质量分布/%

砖混类建筑垃圾破碎后不同粒级中组分质量分布含量见表2。由表2可知，在再生集料中，碎石混凝土相对集中在粗粒级段；而砖瓦类易碎料相对集中在细粒级部分。经过级配调整，本实验所采用的再生集料和天然石灰岩集料均符合JTJ 034-2000《公路路面基层施工技术规范》对高速公路和一级公路所要求的集料级配范围（见图1）。砖混类再生集料与天然石灰石集料的路用性质对比结果见表3。再生集料中含多孔隙且吸水率高的砖瓦，混凝土集料在破碎后裂隙发育，强度下降。这些均导致其与天然石灰岩集料相比，具有高吸水率、高压碎值、高液限指数、较低表观密度和堆积密度等特点。

图1 再生料、石灰岩料的级配曲线与路面基层集料标准级配曲线比对图

表3 砖混类再生集料的路用性能

由图2可知水泥稳定砖混类再生集料所制备的击实试件的最佳含水量是12.7%，最大干密度是1.840 g/cm3。由图3可知水泥稳定石灰岩集料所制备的击实试件的最佳含水量是4.8%，最大干密度是2.379 g/cm3。由于再生料所含砖瓦类材料吸水率高，与石灰岩集料相比，其最佳含水量高，最大干密度小。

图2 4%水泥稳定再生集料的含水量与干密度的关系曲线

图3 4%水泥稳定石灰岩集料的含水量与干密度的关系曲线

2.2 无熟料矿渣水泥胶结再生集料碎石的配方优化

固定矿渣无熟料水泥的掺量为再生集料的6%，取激发剂（石膏+消石灰）在该水泥中的质量占比为0.37，改变石灰/石膏质量比，在最佳含水量条件下制备水泥稳定再生集料碎石圆柱试块，其7天饱水抗压强度平均值见图4。由图4可知，在石灰/石膏比为0.48时，无熟料水泥的抗压强度最大，达5.3MPa。固定无熟料矿渣水泥的掺量为再生集料的4%，石灰/石膏质量比为0.48，改变激发剂在该水泥中的质量占比，在最佳含水量条件下制备水泥稳定再生集料碎石圆柱试块，其7天饱水抗压强度平均值见图5。由图5可知，激发剂在水泥中的占比0.37是相对优化的配比。由此确定激发剂中石灰/石膏比0.48和激发剂在无熟料矿渣水泥中的占比0.37是用于稳定再生集料碎石层时该水泥相对较优的配方。

图4 石灰/石膏比对矿渣无熟料水泥稳定再生碎石抗压强度的影响

图5 激发剂含量对矿渣无熟料水泥稳定再生碎石抗压强度的影响

当水泥掺量同为集料的4%时，运用上述优化配方制得的无熟料矿渣水泥胶结再生集料碎石与用PC32.5水泥制得的试块的抗压强度基本相同（见表4），说明所配无熟料水泥的强度等级与PC32.5相当。由表4也可知，水泥掺量相同时，用再生集料制得的水稳层的强度远小于用人工集料者。当无熟料水泥的掺量为6%时，用其稳定再生集料碎石的抗压强度超过高等级公路所需要的5MPa的抗压强度，而水泥掺量也没有超过规范要求上限。这说明就抗压强度而言，无熟料矿渣水泥适用于胶结用作高速公路基层的砖混类建筑垃圾再生集料碎石。

表4 无熟料水泥和硅酸盐水泥稳定再生碎石的抗压强度比较

2.3 无熟料矿渣水泥作为道路基层结合料的意义

如前文所述，无熟料矿渣水泥由于在水化时生成钙矾石与水化碳铝酸钙而具有膨胀性，能补偿后期的干燥收缩。这对于胶结高含水的砖混类建筑垃圾集料碎石有重要意义，有望以这种新型水泥作为无机结合料胶结砖混类建筑垃圾成功铺筑高速公路及高等级市政公路的基层，为建筑垃圾大规模有效处置及资源化利用做出重要贡献。

本无熟料矿渣水泥的原料廉价易得，除矿渣外，石膏还可用脱硫石膏，磷石膏等工业石膏代替，消石灰也可用电石渣代替，从而使无熟料矿渣水泥可大量消化工业废渣且成本远低于复合硅酸盐水泥，其用于水稳材料兼具经济与社会双重效益，有必要通过工程应用检验其实际效果。

结语

（1）砖混类再生集料具有高吸水率、高压碎值、高液限指数、低堆积密度与表观密度等不足，导致以其制备道路基层时抗压强度低，收缩开裂风险大。

（2）实验表明，合理配料的无熟料矿渣水泥用来胶结再生集料制备道路基层材料时，其掺量与抗压强度可满足规范对高等级公路的要求；基于其膨胀特性，有望成功应用于含再生集料的道路基层中。

（3）无熟料矿渣水泥廉价易得，应用于道路基层时可大量利用工业废渣，兼具良好的经济效益和重大的社会环境效益，是很有前景的新型路面基层无机结合料。