水泥稳定建筑固废碎石基层性能研究

2022-03-02时成林姚俊杰宋文祝

四川水泥 2022年1期

时成林姚俊杰宋文祝王勇

（1.吉林建筑大学，吉林长春 130119； 2.吉林省公路管理局，吉林长春 130012 ）

0 引言

随着我国城市化进程的推进，老旧房屋拆迁改造工作日益增多，使得我国每年的建筑固废数量呈递增的趋势。截至2020年，我国因新建、拆除、装修等建筑业生产活动产生的建筑固废已突破26亿吨，占城市固废总量的30%～40%。对于建筑固废的处理，我国目前主要以填埋堆放为主，占用大量的土地，污染水土环境，对环境造成不良的影响。因此，如何有效利用建筑固废，成为我国亟待解决的问题。近年来，随着环境保护问题的持续升温，废弃资源的再利用成为国内外学者的研究重点。建筑固废的利用尚存在一些问题急需解决，因为建筑固废的来源不同，使得建筑固废的组成成分较为复杂，经过分拣、破碎和筛分后的建筑固废性能差别较大，导致建筑固废难以被充分利用。

国内外许多学者对建筑固废在道路上的应用进行了相关的研究。樊兴华等人对建筑固废骨料的特性进行了相关研究，发现与天然集料相比建筑固废具有密度低、吸水率大、压碎值大的特点[1]。田振对再生水泥混凝土集料进行了研究，其结论说明随着试件龄期的增长，水泥稳定再生混凝土试件的无侧限抗压强度增长幅度高于水泥稳定碎石，这说明建筑固废掺量的增加能提高水泥稳定材料后期强度[2]。肖杰将砖和混凝土混合掺入水泥稳定碎石中研究建筑固废对混合料的影响，发现随着建筑固废掺量的增加混合料的抗冲刷性能和温缩性能有着较大幅度的下降，建筑固废掺量超过60%时各个龄期的无侧限抗压强度和劈裂强度开始下降[3]。刘克非对水泥稳定建筑固废材料进行了干缩试验，结果表明水泥稳定建筑固废干缩较大，失水率高，建筑固废掺量不宜超过50%[4]。郭远臣将建筑固废的含泥量和天然碎石进行对比，发现建筑固废的含泥量远高于天然碎石[5]。吴超凡对水泥稳定建筑固废基层路面结构进行了受力分析，结果表明随着建筑固废掺量的增加，路表弯沉值先增后减，基层层底弯拉应力同样先增后减[6]。

将建筑固废用于基层，首先要研究建筑固废材料性能，开展一系列室内试验，探讨水泥稳定建筑固废碎石无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量、抗冻性等路用性能，研究建筑固废水泥稳定碎石材料的路用性能，为建筑固废的应用提供理论支撑。

1 原材料特性

1.1 水泥

试验采用32.5复合硅酸盐水泥，其性能满足《通用硅酸盐水泥》（GB175）的要求，水泥的技术指标见表1。

表1 水泥性能试验结果

1.2 碎石集料

试验采用石灰岩碎石，分4档，碎石集料的压碎值、表观密度、吸水率见表2。

表2 集料性能试验结果

1.3 建筑固废

建筑固废集料为混凝土楼板经拆除、分拣、破碎和筛分而成的，建筑固废的破碎采用颚式破碎机进行破碎，破碎后筛分为三档备用。建筑固废集料的压碎值、表观密度和吸水率见表3。

表3 集料性能试验结果

从外观看建筑固废集料的棱角性较好，表面有较多的孔隙，与天然集料相比，建筑固废集料表面较为粗糙。从表2、表3可以看出碎石的压碎值和吸水率分别比建筑固废的小16%和93.4%，碎石的密度比建筑固废密度大4%，碎石强度比建筑固废高，在利用建筑固废时要考虑到吸水率大所导致的基层防水、防冻问题。规范中对于压碎值的规定为≤30%，试验中所采用的碎石和建筑固废满足规范要求。

2 混合料组成

将碎石和建筑固废各档料用标准筛进行筛分，将建筑固废以0%、25%、50%、75%这几种比例掺入混合料中，调整级配使合成级配满足规范级配上、下限的要求，级配见表4。

表4 水泥稳定建筑固废碎石级配表

3 试验结果和分析

试验中将0%、25%、50%、75%、100%五种建筑固废掺量进行试验，探讨了击实试验、无侧限抗压强度、劈裂强度、抗冻性、静态回弹模量等路用性能。

3.1 击实特性

不同水泥剂量、不同建筑固废掺量情况下混合料最佳含水率和最大干密度的变化趋势，见图1、图2。

图1 最大干密度趋势图

图2 最佳含水率趋势图

由图1、图2可以看出，随着建筑固废掺量的逐渐增加，水泥稳定建筑固废碎石的最大干密度呈下降趋势，最佳含水率呈上升趋势。这是因为建筑固废的密度低于碎石，吸水率高于碎石，随着建筑固废含量的增加，混合料的内部孔隙增多，使得混合料的密度下降。因为建筑固废含有大量的微小孔隙和裂缝，使得建筑固废吸水量增多，因此随着建筑固废掺量的增加混合料的最佳含水率逐渐增加。从水泥剂量的角度看，水泥剂量对混合料的最大干密度和最佳含水率的影响较小，因为水泥的质量在混合料中的占比较小，其影响较弱。从图2可以看出随着水泥剂量的增加，最佳含水率有小幅的上升，这是因为水泥的水化反应需要混合料中的水进行反应，随着水泥剂量的增加，水化反应需要的水的质量也会上升。

3.2 无侧限抗压强度

水泥稳定建筑固废碎石各个建筑固废掺量下7d、28d、90d、180d龄期的无侧限抗压强度结果见图3。

图3 无侧限抗压强度试验结果

由图3、图4可以看出，随着建筑固废掺量的增加，水泥稳定建筑固废碎石的无侧限抗压强度在下降。当建筑固废掺量为25%时下降幅度较小，而当建筑固废的掺量达到50%时，抗压强度大幅下降。这是因为建筑固废相比于碎石其内部有较多的裂缝和孔隙这使得其压碎值大于天然碎石，强度小于碎石，因此掺加过多的建筑固废会使强度大幅下降。建筑固废中含有水泥活性成分，其火山灰反应仍在继续，这一作用对于强度的形成是有利的，所以掺加25%的建筑固废混合料的强度下降幅度较小。从龄期上看7～28d这一阶段强度提升最为明显，28d之后强度提升有限，这说明添加建筑固废对于水泥稳定建筑固废的长龄期强度提升有限，虽然建筑固废中会有火山灰反应但因为是混凝土旧料所以反应的程度很弱，因而不能对混合料长龄期强度的形成有所帮助。

图4 劈裂强度试验结果

《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）对于高速公路和一级公路中、轻交通道路的底基层7d无侧限抗压强度的要求为2～4MPa，试验中掺入建筑固废的水泥稳定碎石7d无侧限抗压强度最低为2.98MPa，满足规范要求，可以用于高速公路和一级公路中、轻交通道路底基层的铺设。建筑固废掺量达到25%、50%时7d无侧限抗压强度分别为3.85MPa和3.13MPa满足规范中对于高速公路和一级公路对于中、轻交通道路基层的7d强度要求。综上，从7d无侧限抗压强度可以看出，掺入建筑固废的水泥稳定碎石可以用于高速公路和一级公路底基层的修筑，对于二级及二级以下重交通和中、轻交通道路的道路基层也适用(见表5)。

表5 水泥稳定材料的7d龄期无侧限抗压强度标准 MPa

3.3 劈裂强度

因为工程中常用5%水泥剂量，各水泥剂量7d强度均满足规范要求，为了研究应用的广泛，故路用性能试验中水泥剂量采用5%。水泥稳定建筑固废碎石90d龄期的劈裂强度结果见图4。可以看出，随着建筑固废掺量的增加，水泥稳定建筑固废碎石的劈裂强度逐渐下降，在建筑固废的掺量达到75%时劈裂强度大幅下降。通过和图3进行对比可以发现，水泥稳定建筑固废碎石的劈裂强度随建筑固废掺量的增加，强度变化趋势和无侧限抗压强度变化趋势一致，这主要是因为相同材料的抗压强度和劈裂强度具有一定的关系。建筑固废本身的强度不如碎石，因为建筑固废自身表面有较多的小裂纹和孔隙，故随着掺量的增加，混合料中的薄弱部位增多，使得劈裂强度下降。

3.4 抗压回弹模量

不同建筑固废掺量下水泥稳定建筑固废碎石的90d、180d、180d冻融后抗压回弹模量试验结果见图5。

图5 抗压回弹模量试验结果

由图5可知随着建筑固废掺量的增加，混合料的抗压回弹模量呈逐渐下降的趋势，建筑固废掺量和抗压回弹模量的变化趋势与无侧限抗压强度的变化趋势一致。因为建筑固废中有较多的孔隙，这使得其与相同质量较低受力时，随着建筑固废掺量的增加，建筑固废在试件中占有的体积增大，当试件体积中建筑固废占比较大时，对于水泥稳定建筑固废碎石的削弱作用非常明显，这是建筑固废掺量增加对于试件强度呈削弱作用的主要原因。

通过对比90d和180d抗压回弹模量可以发现，各个建筑固废掺量的180d抗压回弹模量相比于90d抗压回弹模量分别提高11%、12%、26%、34%，这说明随着建筑固废掺量的增加，龄期对于抗压回弹模量的提升越明显。建筑固废中含具有活性的SiO2和Al2O3玻璃态物质，当普通水泥稳定碎石中掺入一定数量粒径较细的建筑固废后，建筑固废中的部分活性物质能够和水泥水化生成的Ca(OH)2发生一定的火山灰反应，这种反应对于长龄期试件的强度和模量提升较为明显，因此随着建筑固废掺量的增加，龄期对于模量的提升越明显。

3.5 冻融循环试验结果

抗冻试验试件龄期为180d，冻融循环次数为10次，水泥稳定建筑固废碎石抗冻性通过冻融循环前后无侧限抗压强度变化来表征，抗冻指数（BDR）为试件冻融后抗压强度和180d无侧限抗压强度的比值。此外在满足规范的基础上对进行过冻融的抗压回弹模量试件进行强度试验，以进一步表征试件的抗冻性能，试验结果见图6。

图6 冻融循环试验结果

由图6可以看出，随着建筑固废掺量的增加，水泥稳定建筑固废碎石的抗冻性能下降。原因是建筑固废有着较多的孔隙和裂缝，导致试件在浸泡时水会填满这些缝隙并滞留在其中，而这些在孔隙中的水经过冷冻后体积会膨胀，进一步的撑开孔隙使得原本脆弱的结构进一步破坏。同时建筑固废有着较大的吸水率，试件经过浸泡后建筑固废吸收大量的水分无法排出，而这些多出来的水分经过冻融循环会削弱试件内部的粘结力和结构的稳定性，进而使得水泥稳定固废碎石的性能下降。