吴兴辉 黄昕

【摘  要】论文通过将水泥稳定碎石基层混合料中的天然碎石细集料采用再生黏土砖细集料部分取代，并进行击实、无侧限抗压强度和劈裂等试验研究，探讨其作为集料应用于城市道路基层的可能性。结果表明，混合料最大干密度与再生黏土砖细集料取代率负相关，而最佳含水率与其正相关;在水泥剂量保持不变的情况下，再生黏土砖细集料对劈裂强度的影响小于对无侧限抗压强度的影响;在掺入5%水泥及混合料级配满足规范要求的条件下，混合料中细集料被再生黏土砖细集料的取代率小于40%时，混合料能达到目前规范中对基层的要求，可用作道路基层的水泥稳定材料。

【Abstract】By partially replacing the natural macadam fine aggregate in the cement stabilized macadam base mixture with recycled clay brick fine aggregate， and conducting experimental studies on compaction， unconfined compression strength and splitting， this paper discusses the possibility of its application as aggregate in urban road base. The results show that the maximum dry density of the mixture is negatively correlated with the substitution rate of fine aggregate of recycled clay brick， while the optimum moisture content is positively correlated with it. When the cement dosage remains unchanged， the effect of recycled clay brick fine aggregate on splitting strength is less than that on unconfined compression strength. Under the condition that 5% cement is mixed and the gradation of the mixture meets the requirements of the specification， and the substitution rate of fine aggregate in the mixture by the recycled clay brick fine aggregate is less than 40%， the mixture can meet the requirements for base in the current specification and can be used as cement stabilized material for road base.

【关键词】基层;再生黏土砖细集料;天然碎石细集料;取代率;试验

【Keywords】base; recycled clay brick fine aggregate; natural macadam fine aggregate; substitution rate; experiment

【中图分类号】U414                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）11-0188-03

1 引言

随着城市建设与改造的提速，一方面，造成了固体废物产生量持续增长，固体废物污染防治形势日益严峻的情况。有关统计显示，2020年我国建筑垃圾达到约26亿吨，据保守估计2030年将达到73亿吨，不仅侵占大量土地资源，而且造成许多环境污染问题。另一方面，各类基础设施建设对天然建筑材料的需求量持续增长，造成资源枯竭，表现出可持续发展与地材短缺矛盾日益突出的特点。以二级沥青公路为例，假设路面结构层厚度为0.5m，路面宽为20m，那么每公里消耗的砂石等材料将达到2万吨。在这种情况下，开展建筑垃圾差异化利用，采用建筑垃圾再生材料将砂石材料替代是解决筑路材料短缺及建筑垃圾围城的有效途径之一。随着国家对循环经济发展与环境保护的日益重视，建筑垃圾资源化利用工作也在各地开展起来。例如，废混凝土块、废砖瓦等再生集料可用来生产再生混凝土、再生砖、路基填料等，且再生骨料能够有效降低40%以上的建设成本，在成本上优势明显。

在道路建设方面，国外对建筑垃圾的利用较早。美国约68%的再生骨料被用于道路建设[1];德国在路基路面的建设中实现了87%的再生骨料利用率[2];日本则达到了99%。国内学者基于可持续发展战略思想，对再生黏土砖集料开展了广泛研究。例如，肖杰等[3]利用电子显微镜和工业CT对集料进行扫描，并通过试验证明砖混混合再生集料是可以应用于水泥稳定基层材料的;陈朝金[4]通过对水泥稳定再生废砖块集料的性能进行试验研究，发现碎砖块集料可用于各等级公路基层或底基层;张力[5]通过研究发现，含砖粉碎料水泥稳定再生集料可用于道路基层;赵德贺等[6]研究提出，黏土砖含量控制在30%以下是保证其路用性能良好的关键;王琦[7]通过研究建筑垃圾中石屑、碎砖路用性能，为辽阳地区道路建设应用提供了可靠的技术支持;李哲等[8]通过对路用建筑垃圾击实特性的研究发现，当配合料比例为40%砖渣，30%混凝土渣，30%砂浆时更加适用于路基填筑;余红明等[9]进行了砖混骨料再生道路水泥稳定基层的路用性能与有限元模拟研究，表明砖混骨料的路用性能满足城镇道路对水泥稳定类基层的要求;王莹[10]對建筑垃圾黏土砖细集料在水泥稳定碎石底基层中的应用进行研究，发现在道路底基层中用再生黏土砖细集料替换天然集料的最佳替换率为20%。在实际工程应用方面，北京市、陕西省、山东省、河北省、吉林省等多地均有将砖混类再生骨料用于基层、底基层施工建设的案例，这些工程的实施，不但节省了建筑垃圾外运的费用，减少了存储对土地的占用，降低了天然砂石集料的开采与加工对生态环境的破坏与污染，而且使得工程费用降低，大量资金得到节约，社会效益显著。

本研究依托渭东新城建设项目的一级、二级城市道路建设，对项目区拆迁产生的建筑垃圾黏土砖以细集料形式部分取代天然碎石细集料在水泥稳定碎石基层的应用开展试验研究，探讨其作为集料应用于城市道路基层的可能性，为后期项目的建设提供理论支撑。

2 原材料

研究中水泥采用普通硅酸盐P·O42.5（缓凝）水泥，其主要指标见表1。

由表1可以看出，试验所用水泥各项技术指标均符合JTJ/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》的要求。为防止水泥稳定碎石基层因收缩产生裂缝，水泥稳定碎石基层中水泥用量不宜超过6%，且考虑混合料需要一定的强度，故本研究中水泥剂量取常用的5%。

试验所用粗集料为石灰岩，细集料为经破碎后具有一定级配的黏土砖和石灰岩。材料检测结果为石灰岩碎石压碎值为23.3%，吸水率为0.5%;砖块压碎值为29.5%，吸水率为10.58%。

3 试验方案

3.1 混合料级配设计

将筛分后的再生黏土砖细集料和天然碎石集料按照表2中的要求，分别回配成石灰岩粗集料、石灰岩石屑细集料和再生黏土砖细集料，然后设计了利用再生黏土砖细集料按照0%、20%、40%、60%、80%、100%的比例分别取代石灰岩石屑作为混合料中的细集料制作了6组试件。

3.2 试件制备

本次试验中，试件主要有φ150mm且径高比为1的圆柱体试件。圆柱体试件主要用于抗压强度、劈裂试验。试件根据击实试验结果计算每份料的质量和加水量，然后采用静压法成型，压实度控制在98%。

3.3 测试方法简述

试验按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》相关规定执行，试件养生龄期分别为7d、28d、90d;试件养生条件为温度20±2℃，相对湿度不小于95%。

4 试验结果分析

4.1 击实特性

随再生黏土砖细集料取代率变化，最大干密度和最佳含水率的对比关系见图1。

由图1可以看出，随着再生黏土砖取代率的增加，混合料的最大干密度逐渐降低，干密度的变化范围为2.386～2.209g/cm3，最佳含水率逐渐增加，含水率的变化范围为5.4%～10.9%。其中当再生黏土砖掺量为0%时对应最大干密度为2.386g/cm3，最佳含水率为5.4%。试验中，6组混合料的级配完全一致，之所以出现此种情况是因为再生黏土砖的表观密度较天然碎石小，相同体积的质量较小;再生黏土砖细集料本身孔隙率大，相比于天然碎石吸水率大。

4.2 无侧限抗压强度

随再生黏土砖细集料取代率变化，不同龄期无侧限抗压强度的对比关系见图2。

由图2可知，在水泥剂量一定的情况下，混合料不同龄期的无侧限抗压强度与再生黏土砖细集料取代率呈负相关关系，且在细集料取代率大于40%的条件下，无侧限抗压强度降低较为迅速;但随着龄期增加，未水化的水泥颗粒开始水化，水泥水化物与集料结合使得混合料的无侧限抗压强度有所提高。曲线中取代率为0%时7d无侧限抗压强度为6.5MPa，当混合料中细集料由再生黏土砖细集料取代率为20%、40%、60%、80%、100%时，其无侧限抗压强度分别为取代率为0%时的93.8%、84.6%、63.1%、53.8%、41.5%。

根据JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》要求，对于一级公路重交通情况，水泥稳定材料基层7d龄期无侧限强度为4.0～6.0MPa，考虑实际施工过程中水泥剂量波动值为±0.5%，故取抗压强度标准值为5.0MPa，经计算得出对应的细集料掺量为43.3%。为便于施工，可取再生黏土砖细集料取代石屑细集料质量的40%为最大取代率。

4.3 劈裂强度

随再生黏土砖细集料取代率变化，不同龄期劈裂强度的对比关系见图3。

由图3可知，同一水泥剂量下，随着再生黏土砖细集料取代率增大，28d、90d劈裂强度均呈下降趋势，但劈裂强度随着龄期增长而提高。其机理主要是由于新的水泥浆体将未水化的水泥颗粒表面包裹，对水分进入水泥颗粒表面造成阻碍，削弱并阻碍了水泥颗粒的进一步水化。曲线中取代率为0%时，对应的90d劈裂强度为0.72MPa，对应的取代率为20%、40%、60%、80%、100%时对应的劈裂强度为取代率为0%时的97.2%、91.6%、86.1%、79.1%、73.6%。根据15MR201《城市道路——沥青路面》对水泥稳定类集料劈裂要求大于0.5MPa的規定可知，本次试验所有再生黏土砖细集料取代率的试件，其劈裂强度都满足规定。

将无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验进行对比可以发现，再生黏土砖细集料取代率的增加对混合料无侧限抗压强度的影响明显高于对劈裂强度的影响，其机理主要是由于混合料中集料本身的强度和内部粘结力共同作用导致的。混合料在成型和经过一定龄期的养护后，主要由集料颗粒、水泥石与集料表面的界面过渡区和水泥石3部分组成，而以往的研究也证明了在劈裂强度试验中，与试件的拉伸试验破坏模式相近，劈裂强度试验的破坏模式也大多是过渡区先发生破坏，所以过渡区的强度对劈裂强度的影响较大。再生黏土砖细集料颗粒表面相对于天然碎石而言，表面更粗糙且孔隙多，在混合料的拌和过程中，再生黏土砖细颗粒表面更容易被水泥浆渗入;而且由于再生黏土砖细集料往往含有一定量的活性物质，使得更多的生成物在水泥水化过程中产生。这2种因素共同作用，使得掺入再生黏土砖细集料后的水泥稳定碎石比普通天然细集料的水泥稳定碎石的粘聚力有所提高。故而虽然再生黏土砖细集料强度较低，影响了混合料的劈裂强度，但在一定程度上混合料粘聚力的增加又抵消了这部分影响。

5 结论

①混合料最大干密度与再生黏土砖细集料取代率负相关，而最佳含水率与再生黏土砖细集料取代率正相关。

②在水泥剂量一定的情况下，混合料不同龄期的无侧限抗压强度、劈裂强度与再生黏土砖细集料取代率呈负相关关系;再生黏土砖细集料取代率的增加对混合料无侧限抗压强度的影响明显高于对劈裂强度的影响。

③在P·O42.5（缓凝）水泥掺入量为5%，并且混合料级配满足规范要求的前提下，混合料中细集料被再生黏土砖细集料取代率小于40%时，混合料能达到目前规范中对基层的要求，可用作道路基层的水泥稳定材料。此外，在实际施工当中，应考虑建筑砖块的稳定性，避免因为砖块中杂质过多而引起强度不足问题。

【参考文献】

【1】张晓华，孟云芳，任杰.浅析国内外再生骨料混凝土现状及发展趋势[J].混凝土，2013（7）：80-83.

【2】刘喜.建筑垃圾在公路路基中的再生应用研究[J].公路工程，2019，44（4）：208-212.

【3】肖杰，吴超凡，湛哲宏，等.水泥稳定砖与混凝土再生集料基层的性能研究[J].中国公路学报，2017，30（2）：25-32.

【4】陈朝金.水泥稳定再生废砖块集料性能研究[D].西安：长安大学，2012.

【5】张力.含砖粉碎料水泥稳定再生集料的性能研究[D].长沙：湖南大学，2019.

【6】赵德贺，张登峰，孙艺涵.水泥稳定建筑废弃物再生骨料基层的配合比设计与力学性能[J].交通科技，2013（1）：136-139.

【7】王琦.建筑垃圾中石屑、碎砖路用性能研究与应用[J].价值工程，2015，34（28）：154-155.

【8】李哲，韩保刚.路用建筑垃圾击实特征试验分析[J].交通节能与环保，2014，10（6）：65-71.

【9】余红明，孟涛，刘港归，等.砖混骨料再生道路水泥稳定基层的路用性能与有限元模拟研究[J].新型建筑材料，2020，47（11）：107-111.

【10】王莹.建筑垃圾黏土砖细集料在水泥稳定碎石底基层中的应用研究[D].长春：吉林大学，2020.