水泥稳定二灰碎石回收料强度特征及机理分析

水泥稳定二灰碎石回收料强度特征及机理分析

汪于凯

中建八局第三建设有限公司，江苏 南京 210000

摘要：基于无侧限抗压强度试验和间接拉伸强度试验，研究水泥稳定二灰碎石回收料的强度特征，分析其强度形成机理。研究结果表明：随着回收料取代率的增加，水泥稳定再生混合料的强度降低。回收料取代率增加10%，无侧限抗压强度降低0.2MPa~0.3MPa，间接拉伸强度降低0.01MPa~0.02MPa。再生混合料强度降低的根本原因是回收料中含有灰浆团块。

关键词：道路工程，水泥稳定，二灰碎石，强度特征

我国90%以上的高等级公路都采用半刚性基层，半刚性基层材料又以水泥稳定碎石和石灰粉煤灰稳定碎石（又称二灰碎石）应用最为广泛^[1-3]。随着交通量的迅速增长，路面结构经过一定的使用年限开始出现不同程度的损坏，在道路维修和改建过程中产生大量的基层废料。传统的处理方法是对这些材料进行填埋或废弃处理，这不仅浪费了大量有价值的资源，还造成了严重的环境污染。因此废旧基层材料的再生利用问题逐渐成为道路技术研究的一个重要方向。

对于二灰碎石基层废料，国内普遍采用水泥稳定再生技术，将二灰碎石基层回收料再生为水泥稳定碎石混合料。但该再生技术的研究尚处于起步阶段，存在的问题是二灰碎石再生混合料强度偏低，这将降低回收料的利用率。因此，研究水泥稳定二灰碎石回收料的强度特征，分析其强度形成机理，不仅可以更好地使用废旧基层材料，提高水泥稳定二灰碎石再生料的性能，还可以完善半刚性基层回收料的再生技术，具有重要的理论意义和应用价值。

1. 试验材料和试验方法

1. 1. 试验材料

本研究采用的二灰碎石回收料来源于上海市南六公路的旧二灰碎石基层，使用年限约15年，回收料为现场机械挖掘经筛分后的原状回收料。新集料为石灰岩天然集料，回收料与新集料的最大公称粒径均为26.5mm，其基本性能见表1。由表可知，与天然集料相比，回收料的吸水率较高，密度较小。

表1 回收料与石灰岩集料的基本性能

表2 石灰岩集料与回收料的级配组成

水泥为江苏太仓海螺牌32.5级复合硅酸盐水泥（PC 32.5）；石灰为磨细的生石灰，CaO、MgO总量为75%~80%；粉煤灰为上海某电厂的调湿灰，SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃总量约为85%，烧失量小于5%。

1. 2. 再生混合料设计方案

采用新集料设计水泥稳定碎石混合料作为对比混合料，代号为NA，具体集料用量比例见表3。对于回收料，采用以下6个方案进行混合料设计：方案1、2：混合料中100%、80%的集料由回收料配制，混合料代号为RA-100、RA-80；方案3、4：混合料中粗集料的100%、50%由回收料中的粗料（即表2中的回收料J和K档）取代，混合料代号为RCA-100、RCA-50；方案5、6：混合料中的细集料的100%、50%由回收料中的细料（即表2中的I档回收料）取代，混合料代号为RFA-100、RFA-50。6组再生混合料的集料用量比例见表3。

表3 再生混合料和对比混合料的集料用量比例（%）

1. 3. 再生混合料强度试验方法

1. 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）^[4]中T0805-1994进行，试件尺寸为Φ100mm×100mm。每组3个试件，并依据该规程中T0845-2009进行标准养生，养生龄期为7d、28d和90d。本研究采用的是无侧限抗压强度代表值。

2. 间接抗拉强度试验

间接抗拉强度试验依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）^[4]中T0806-1994进行。间接抗拉强度试件的试件尺寸、养生方法与养生龄期同无侧限抗压强度试验。本研究采用的是间接抗拉强度代表值。

2. 强度试验结果分析

   1. 无侧限抗压强度试验

按上文确定的方法测试6组再生混合料和对比混合料的无侧限抗压强度，试验结果见表4，其中各组混合料的水泥用量均为4.5%。

表4 不同回收料取代率下的无侧限抗压强度

由表4可知：在各种龄期下，再生混合料的无侧限抗压强度均低于水泥稳定碎石混合料NA，且随着回收料取代率的增加，强度呈降低趋势。养生7d时，取代率增加10%，强度降低0.208MPa；28d和90d时，取代率增加10%，强度分别降低0.274MPa和0.294MPa。

在相同回收料取代率下，随着养生龄期的增加，无侧限抗压强度呈增大趋势，且前28d增长较快，28d至90d增长较慢。这主要是因为未水化的水泥颗粒被新生的水泥浆体包裹，导致外界的水分很难进入到未水化的水泥颗粒表面，阻碍了水泥颗粒的水化反应，从而致使后期的混合料强度增长较慢。

1. 2. 间接抗拉强度试验

按上文确定的方法测试6组再生混合料和对比混合料的间接抗拉强度，试验结果见表5，其中各组混合料的水泥用量均为4.5%。

表5 不同回收料取代率下的间接抗拉强度

由表5可知：养生龄期和回收料取代率对再生混合料的间接抗拉强度的影响同无侧限抗压强度，随着养生龄期的增加，强度呈增大趋势，随着回收料取代率的增加呈减小趋势。养生7d时，取代率增加10%，强度降低0.013MPa；28d和90d时，取代率增加10%，强度分别降低0.015MPa和0.017MPa。

3. 强度降低机理分析

随着回收料取代率的增加，再生混合料的强度降低，推测与二灰碎石回收料中的灰浆团块有关。与天然集料不同，回收料的集料颗粒表面裹覆着一定量的灰浆。一方面，灰浆以粒径小于0.075mm的粉料形式存在或裹覆在集料颗粒表面；另一方面，灰浆以一定数量较小粒径的集料颗粒形成较大粒径的颗粒团块。其中粒径大于4.75mm的颗粒团块称为灰浆团块，它在很小的外力作用下，就可能溃散为较小粒径的颗粒散体，见图1所示。

（a）灰浆团块 （b）灰浆团块溃散后

图1 回收料中的灰浆团块

1. 1. 灰浆的剩余活性

回收料中灰浆含量的测试方法参考相关资料^[5-8]，采用浓度为10%的盐酸溶液将灰浆从回收料中剥离，灰浆含量试验结果见表1最后一列。回收料灰浆的剩余活性检测方法参考《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671-2021）^[9]。本节中的灰浆为回收料粉料（<0.075mm的部分）。具体为采用回收料粉料替代30%的复合硅酸盐水泥（PC 32.5），用其28d抗折强度与该标准硅酸盐水泥试件的28d抗折强度比来表征，并采用粉煤灰和石灰岩粉料作为对照组。试验结果见表6。

表6 28d抗折强度试验结果

由表可知：与标准试件相比，回收料-水泥试件的28d抗折强度比为0.66，比粉煤灰-水泥试件低0.25，比石灰岩-水泥试件高0.09。由此可见，回收料中的灰浆仍存在一定的剩余活性，但活性较小。

1. 2. 灰浆对回收料压碎值及磨耗值的影响

为分析灰浆对回收料压碎值及磨耗值的影响，剔除回收料中的灰浆团块，分别测试剔除前后回收料的压碎值和磨耗值，并与采用天然集料进行对比，试验结果见图2。由图2可知：与剔除灰浆团块前相比，剔除后回收料的压碎值和磨耗值分别降低了24%和29%，但高于天然集料，分别为天然集料的1.3倍和1.1倍。这主要是因为剔除灰浆团块后的回收料集料表面仍含有一定量的灰浆，在外力作用下，灰浆会从集料表面脱离；加之回收料经过长时间的使用，集料内部可能存在一定程度的损伤，使回收料集料强度有所下降，从而导致回收料压碎值与磨耗值大于天然集料。

图2 回收料剔除灰浆团块前后的压碎值及洛杉矶磨耗值

1. 3. 灰浆含量对强度的影响

回收料对再生混合料强度的影响可能与回收料中含有一定量的灰浆有关。根据各档回收料的灰浆含量（见表2）和再生混合料的级配组成（见表3），可计算各组再生混合料的灰浆含量。将再生混合料的灰浆含量与各龄期下的无侧限抗压强度进行相关性分析，分析结果见图3。由图3可知，随着回收料中灰浆含量的增大，再生混合料的无侧限抗压强度呈降低趋势。养生7d时，灰浆含量增加10%，强度降低1.218MPa；28d和90d时，灰浆含量增加10%，强度分别降低1.552MPa和1.663MPa，灰浆含量对再生混合料的强度影响显著。

图3 回收料灰浆含量与无侧限抗压强度的关系

4. 结语

本研究采用水泥稳定再生技术回收二灰碎石基层废料，基于无侧限抗压强度试验和间接拉伸强度试验，研究结果表明：随着回收料取代率的增加，再生混合料的强度降低。回收料取代率增加10%，无侧限抗压强度降低0.2MPa~0.3MPa，间接拉伸强度降低0.01MPa~0.02MPa。再生混合料强度降低的根本原因是回收料中含有灰浆团块，灰浆团块具有较大的压碎值和磨耗值，剩余活性较小，灰浆含量会显著降低再生料的强度。

5. 参考文献

[1] 沙庆林．高等级公路半刚性基层沥青路面[M]．北京：人民交通出版社，1998

[2] 李立寒，谈至明，姜爱峰．二灰碎石强度特性影响因素试验研究[J]．同济大学学报，2003，31(4)：424-427

[3] 高民欢．我国沥青路面基层的现状与发展趋势[J]．中外公路，2003，23(4)：65-67

[4] 中华人民共和国行业标准.公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E51-2009）.北京：中华人民共和国交通运输部，2010

[5] 袁飚．再生混凝土抗压抗拉强度取值研究[D]．同济大学，硕士论文，2007

[6] 杜辉．废弃水泥混凝土综合再生利用的实验及理论研究[D]．北京工业大学，硕士论文，2007

[7] Vivian W.Y. Tama, C.M. Tamb, K.N. Lea. Removal of Cement Mortar Remains from Recycled Aggregate Using Pre-soaking Approaches[J]. Resources, Conservation and Recycling. 2007(50): 82-101

[8] 李立寒，常康，汪于凯等．基于灰浆含量控制的石灰粉煤灰碎石基层回收料水泥稳定再生方法：中国，CN104876477B. 2017-01-11

[9] 中华人民共和国国家标准．水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T 17671-2021）[S]．北京：国家市场监督管理总局，2022

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