孫吉書，竇遠(yuǎn)明，劉熙媛

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401)

水泥混凝土路面是世界上廣泛采用的高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)形式，尤其是在重載車輛較多的港口道路應(yīng)用非常廣泛，在我國(guó)有路面結(jié)構(gòu)鋪裝的高等級(jí)公路中，水泥路面約占72.03%[1]。由于我國(guó)先前建設(shè)的水泥混凝土路面面板較薄，已不能適應(yīng)現(xiàn)代化重載交通的需求，加上其中大部分已經(jīng)接近使用年限及車輛超載現(xiàn)象，許多早期的水泥混凝土路面已經(jīng)破損嚴(yán)重，需要大修或重建。目前，我國(guó)對(duì)于道路養(yǎng)護(hù)、維修及大修而產(chǎn)生的廢舊水泥路面混凝土板的再生利用效率較低，每年不能充分利用的廢舊混凝土超過(guò)千萬(wàn)噸[2]。尚若能夠?qū)U舊水泥混凝土板破碎、加工用于新的水泥混凝土路面的建設(shè)，將能大大節(jié)約建設(shè)資源、并減少?gòu)U舊水泥路面板的堆放產(chǎn)生的污染問(wèn)題，有利于環(huán)保。

筆者通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)，研究舊水泥路面板再生混凝土的主要路用性能指標(biāo)(抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、耐磨性能等)及其隨各種原材料與配合比因素的變化規(guī)律，探討在水泥混凝土路面建設(shè)中合理利用這些舊水泥路面板再生混凝土的可行性，以期將廢舊水泥路面板資源化，節(jié)約建筑材料，提高公路工程的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。

1 原材料性質(zhì)試驗(yàn)

1.1 粗骨料

用于生產(chǎn)再生粗骨料的廢舊水泥路面板來(lái)自天津市大港區(qū)某公路，該公路已經(jīng)通車運(yùn)行9年，因重載交通問(wèn)題而嚴(yán)重破壞，原水泥路面按照重交通荷載設(shè)計(jì)。文中試驗(yàn)采用的再生粗骨料是將廢舊水泥路面板破碎、篩分、分級(jí)處理以后的粗骨料，粒徑均大于4.75 mm)。而石灰?guī)r碎石作為新的粗骨料。

按照J(rèn)TG E 42—2005《公路工程骨料試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)試驗(yàn)方法[3]，試驗(yàn)得出石灰?guī)r碎石新骨料與再生粗骨料的技術(shù)性質(zhì)如表1。

表1 粗骨料的主要力學(xué)性質(zhì) Table 1 Main mechanical properties of coarse aggregates /%

1.2 細(xì)集料

細(xì)骨料采用Ⅱ級(jí)中砂(天然河砂)，細(xì)度模數(shù)為2.2，含泥量小于2.1%。

1.3 水 泥

水泥采用普通硅酸鹽水泥(42.5#)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2。

表2 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)

Table 2 Main technical indexes of cement

2 試驗(yàn)方案

2.1 混凝土的配合比

參照文獻(xiàn)[4]，保持水泥用量不變，在粗骨料中分別摻入25%，50%，75%和100%的再生粗骨料。經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)，試驗(yàn)確定出不同再生粗骨料摻入量時(shí)的再生混凝土的材料用量見(jiàn)表3。

表3 再生混凝土的配合比
Table 3 Proportions of recycled aggregate concrete

編號(hào)水泥/(kg·m-3)水/(kg·m-3)砂/(kg·m-3)新粗骨料/(kg·m-3)再生粗骨料/(kg·m-3)再生粗骨料所占比例/%NC411181689122600RC-25411193689919.5306.525RC-50411204689613.0613.050RC-75411216689306.5919.575RC-10041122768901226.0100

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)JIGT 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)的相關(guān)方法[5]，制作試件并進(jìn)行試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度和混凝土耐磨性能試驗(yàn)的試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，混凝土試件澆筑振搗后24 h拆模，拆模后在養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，到達(dá)特定齡期后進(jìn)行相關(guān)路用性能指標(biāo)的試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

通過(guò)系統(tǒng)的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同齡期、不同廢舊水泥路面板再生粗骨料摻入量時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度，如表4。

表4 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度 Table 4 Compressive strength of recycled aggregate concrete /(kg·m-3)

從表4中的試驗(yàn)結(jié)果可以得知，再生粗骨料在粗骨料中所占比例對(duì)再生混凝土的早期抗壓強(qiáng)度影響不大，而對(duì)于其后期(7 d齡期之后)抗壓強(qiáng)度具有顯著的影響，相對(duì)于相同配合比情況下的新骨料混凝土，再生粗骨料所占比例分別為25%，50%，75%和100%時(shí)，再生混凝土28 d齡期的抗壓強(qiáng)度分別下降了5.3%，8.7%，15.0%和23.3%；而3 d齡期時(shí)其相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度變化值均在10%以下。但是再生混凝土的抗壓強(qiáng)度具有隨再生粗骨料所占比例的增大而降低的趨勢(shì)，并且在再生粗骨料的所占粗骨料的比例大于50%時(shí)，這種抗壓強(qiáng)度降低的趨勢(shì)更加明顯。

再生混凝土強(qiáng)度降低的主要原因是再生骨料周圍不可避免的附著有一定的水泥膠漿，使得新老水泥漿體之間的黏結(jié)強(qiáng)度不如全新混凝土，加上就混凝土路面板破碎過(guò)程中造成的部分石子發(fā)生開(kāi)裂，引起再生粗骨料強(qiáng)度降低造成的[6-7]。

3.2 彎拉強(qiáng)度

水泥混凝土路面的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)是混凝土的彎拉強(qiáng)度，不同再生骨料所占比例情況下的再生混凝土彎拉強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 再生混凝土的彎拉強(qiáng)度 Table 5 Flexural strength of recycled aggregate concrete

試驗(yàn)結(jié)果表明，與相同配合比的全新骨料普通混凝土相比，當(dāng)水泥路面再生骨料所占比例大于50%時(shí)，再生混凝土的彎拉強(qiáng)度會(huì)明顯降低，而小于50%時(shí)，這一趨勢(shì)并不十分明顯，當(dāng)再生骨料所占比例為25%～100%時(shí)，再生混凝土28 d齡期的彎拉強(qiáng)度分別下降了6.4%，9.6%，14.9%和19.6%，其它齡期的情況基本相同。

同時(shí)，試驗(yàn)范圍內(nèi)各種配合比的再生混凝土28 d齡期彎拉強(qiáng)度均大于4.5 MPa，其彎拉強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范[8-9]對(duì)中等交通等級(jí)水泥混凝土路面建筑材料的強(qiáng)度要求。

3.3 耐磨性能

作為水泥混凝土路面的面層建筑材料，水泥混凝土材料需要承受車輪荷載的反復(fù)沖擊與擠壓、摩擦，其必須具有足夠的耐磨性能，根據(jù)《規(guī)程》[5]的相關(guān)方法，試驗(yàn)得出不同再生骨料所占比例時(shí)再生混凝土28 d齡期的耐磨性能，如表6。

表6 再生混凝土的耐磨性能 Table 6 Wear resistant ability of recycled aggregate concrete

表6中的耐磨性能試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)混凝土中再生骨料所占比例小于50%時(shí)，再生混凝土的單位面積磨損量變化不大，而當(dāng)再生粗骨料所占比例大于50%時(shí)，再生混凝土的單位面積磨損量將會(huì)隨著再生粗骨料所占比例的增大而顯著增大(耐磨性能顯著下降)；與相同配合比的全新骨料普通混凝土相比，再生粗骨料所占比例分別為25%，50%，75%和100%時(shí)，再生混凝土的單位面積磨損量分別增大了3.8%，6.9%，16.6%和25.8%。

眾多的研究成果表明[10-11]，在混凝土中摻入適量粉煤灰可以提高耐磨性能，筆者保持其它因素不變，以Ⅱ級(jí)粉煤灰等量取代0%～30%的水泥，測(cè)得不同情況下再生混凝土的耐磨量如表7。

表7 粉煤灰再生混凝土的耐磨性能 Table 7 Wear resistant ability of fly-ash recycled aggregate concrete /(g·m-2)

由表7可見(jiàn)，摻入適量的粉煤灰可以提高再生混凝土的耐磨性能，相對(duì)于不摻粉煤灰混凝土而言，當(dāng)粉煤灰摻入量為10%～30%時(shí)，RC-25的單位磨損量分別減小了2.6%，4.1%和3.6%，NC的單位磨損量分別減小了2.4%，4.0%和3.6%，并且當(dāng)粉煤灰摻入量為20%左右時(shí)，粉煤灰再生混凝土的耐磨性能最佳，當(dāng)粉煤灰摻入量為20%時(shí)RC-25的耐磨性能與NC不摻粉煤灰時(shí)的耐磨性能基本相同。因此，再生混凝土用于水泥混凝土路面的面層時(shí)，再生骨料所占比例不宜大于50%，同時(shí)，亦在混凝土等量摻入20%的粉煤灰以改善再生混凝土的耐磨性能。

4 結(jié) 論

1)水泥路面再生粗骨料在粗骨料中所占比例對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度具有顯著的影響，特別是再生粗骨料所占比例大于50%時(shí)的遠(yuǎn)期強(qiáng)度，與相同配合比的全新骨料普通混凝土相比，再生粗骨料所占比例分別為25%，50%，75%和100%時(shí)，再生混凝土28 d齡期的抗壓強(qiáng)度分別下降了5.3%，8.7%，15.0%和23.3%；而3 d齡期時(shí)其相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度變化值均在10%以下。

2)當(dāng)水泥路面再生粗骨料所占比例大于50%時(shí)，再生混凝土的彎拉強(qiáng)度會(huì)明顯降低，而小于50%時(shí)，這一趨勢(shì)并不十分明顯，當(dāng)再生骨料摻入量為25%～100%時(shí)，再生混凝土28 d齡期的彎拉強(qiáng)度分別下降了6.4%，9.6%，14.9%和19.6%，其它齡期的情況基本相同。

3)當(dāng)再粗生骨料所占比例小于50%時(shí)，再生混凝土與全新混凝土的耐磨性能相差不大，而當(dāng)再生粗骨料所占比例大于50%時(shí)，再生混凝土的耐磨性能顯著降低。在再生混凝土中摻入適量粉煤灰可以提高其耐磨性能，并且粉煤灰摻入量以20%左右為最佳。

4)從強(qiáng)度、耐磨性能等路用性能指標(biāo)綜合考慮，用于水泥混凝土路面的面層時(shí)，再生混凝土中再生粗骨料所占比例不宜大于50%。

[1] 交通運(yùn)輸部.2012年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[R].北京:交通運(yùn)輸部,2013.Ministry of Transportation & Communications.2011 Highway and Waterway Transportation Industry Statistical Bulletin [R].Beijing: Ministry of Transportation & Communications,2012.

[2] 張華英,郭建國(guó).利用廢棄混凝土配制高性能粉煤灰混凝土的研究[J].粉煤灰,2009(5):19-21.Zhang Huaying,Guo Jianguo.Research on preparation of high-performance fly ash concrete with waste concrete [J].Chinese Journal of Fly Ash,2009(5):19-21.

[3] JTG E 42—2005 公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2005.JTG E 42—2005 Test Methods of Aggregate for Highway Engineering [S].Beijing:China Communications Press,2005.

[4] 張亞梅,秦鴻根,孫偉,等.再生混凝土配合比設(shè)計(jì)初探[J].混凝土與水泥制品,2002(1):7-9.Zhang Yamei,Qin Honggen,Sun Wei,et al.Preliminary study on the proportion design of recycled aggregate concrete [J].China Concrete and Cement Products,2002 (1):7-9.

[5] JTG E 30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2005.JTG E 30—2005 Test Methods of Cement and Concrete for Highway Engineering [S].Beijing:China Communications Press,2005.

[6] 魏鴻,凌天清,卿明建,等.再生水泥混凝土界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特性分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,27(5):709-711.Wei Hong,Ling Tianqing,Qing Mingjian,et al.Analysis on the structural characteristics of ITZ of recycled concrete [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(5):709-711.

[7] 魯雪冬,葉躍忠,嚴(yán)章榮.再生骨料高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度研究[J].路基工程,2007(4):105-107.Lu Xuedong,Ye Yuezhong,Yan Zhangrong.Study on the compressive strength of recycled aggregate high-strength concrete [J].Subgrade Engineering,2007(4):105-107 [8] JTG F 30—2003 公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2003.JTG F 30—2003 Technical Specification for Construction of Highway Cement Concrete Pavements [S].Beijing: China Communications Press,2003.

[9] JTG D 40—2011 公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011． JTG D 40—2011 Specifications for Design of Highway Cement Concrete Pavement [S].Beijing:China Communications Press,2011.

[10] 趙曉妍,王文杰.粉煤灰對(duì)混凝土耐磨性能的影響[J].粉煤灰,2010(5):16-17.Zhao Xiaoyan,Wang Wenjie.Effects of fly ash on wear resistant ability of concrete [J].Coal Ash China,2010(5):16-17.

[11] 陳愛(ài)玖,潘麗云,王靜,等.粉煤灰再生混凝土磨耗試驗(yàn)研究[J].混凝土,2010(10):89-91.Chen Aijiu, Pan Liyun,Wang Jing,et al.Test research on wear resistance of recycled concrete with fly-ash [J].Concrete,2010(10):89-91.