毛 喆

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450)

近10 a來，我國(guó)公路交通事業(yè)蓬勃發(fā)展。2020年底，我國(guó)四級(jí)及以上等級(jí)公路里程已達(dá)494.45萬km，技術(shù)等級(jí)構(gòu)成為：四級(jí)公路72.8%，三級(jí)公路8.8%，二級(jí)公路8.0%，一級(jí)公路2.4%，高速公路3.1%，等外公路4.9%[1]。我國(guó)公路現(xiàn)有鋪裝路面約300萬km，水泥混凝土鋪裝路面占比約為71%[2]。隨著服役時(shí)間增長(zhǎng)及交通量增加，越來越多的混凝土路面需要拆除重修；另外由于超載和規(guī)劃等因素，我國(guó)公路路面的實(shí)際使用壽命往往達(dá)不到設(shè)計(jì)使用壽命，故舊路拆除產(chǎn)生的廢棄混凝土量呈增大趨勢(shì)。另一方面，混凝土的生產(chǎn)耗費(fèi)大量的能源和資源，碳排放量可觀。從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)和碳排放角度考慮，將舊路拆除產(chǎn)生的廢棄混凝土用作新混凝土路面材料，既可解決廢棄混凝土的處置問題，也可節(jié)約能源和資源，是交通土建工程綠色化、低碳化的重要途徑。

一般情況下，由于廢棄混凝土粉碎后得到的再生骨料表面附著有砂漿，其中夾帶氣孔，導(dǎo)致再生骨料呈現(xiàn)較大的孔隙率和吸水率。使用再生混凝土骨料部分取代天然骨料后，會(huì)導(dǎo)致新拌混凝土的工作性降低，對(duì)強(qiáng)度也有不同程度的影響，因此需對(duì)再生粗骨料進(jìn)行預(yù)處理。目前主要的預(yù)處理方法包括物理強(qiáng)化方法[3-4]和化學(xué)強(qiáng)化方法[5-6]。物理強(qiáng)化方法是通過再生粗骨料與外界或自身之間的摩擦使其表面附著砂漿脫落，進(jìn)而達(dá)到骨料強(qiáng)化的目的?；瘜W(xué)強(qiáng)化法是用化學(xué)漿液填充再生粗骨料內(nèi)部的孔隙，或與再生粗骨料中的成分反應(yīng)，其生成物填充再生粗骨料內(nèi)的孔隙，從而起到強(qiáng)化作用。

干燥收縮和彎拉強(qiáng)度是反映再生混凝土的路用性能的重要指標(biāo)，是開裂控制的主要變量。本文通過引入復(fù)合膠凝材料凈漿和滲透結(jié)晶材料對(duì)再生骨料進(jìn)行預(yù)處理，研究不同天然骨料取代率對(duì)再生骨料混凝土的干燥收縮和彎拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及配合比

再生粗骨料由舊混凝土路面破碎獲得，舊混凝土抗折強(qiáng)度為5.7 MPa(取自工程驗(yàn)收資料)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30-2014)。水泥為冀東P.O42.5普通硅酸鹽水泥。為了保證混凝土拌合物的工作性，使用一級(jí)低鈣粉煤灰代替20%的普通硅酸鹽水泥，并使用德瑞興DC-6006引氣型減水劑。水泥基滲透結(jié)晶材料為以硅酸鹽水泥和活性化學(xué)物質(zhì)為主要成分制成的粉狀材料，型號(hào)為Durab-T1，由上海凱頓百森建筑材料科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》(GB18445-2012)要求。粉煤灰需水量95%；砂為中砂，細(xì)度模數(shù)2.8。碎石骨料比重2.62，吸水率1.18%；再生粗骨料比重2.54，吸水率3.16%。再生粗骨料和碎石骨料分別見圖1和圖2所示。

圖1 再生粗骨料 圖2 碎石骨料

首先將破碎后的再生粗骨料用自來水沖洗，以去除大部分附著的粉末，并在空氣中晾干。將再生粗骨料和碎石骨料篩分，并復(fù)配以使兩者的粒徑分布接近。得到的再生粗骨料和碎石骨料的粒徑分布曲線見圖3所示。

圖3 再生粗骨料和碎石骨料粒徑分布

為了增強(qiáng)再生粗骨料與水泥石間的界面過渡區(qū)，采取了兩種處理方式，分別為復(fù)合膠凝材料漿體預(yù)裹法和滲透結(jié)晶材料預(yù)浸法。漿體預(yù)裹法步驟如下：將水泥、粉煤灰按比例混合，在雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)中攪拌1 min，加入一半水?dāng)嚢? min；按表1加入再生粗骨料和天然粗骨料并繼續(xù)攪拌2 min；加入細(xì)骨料和剩余的一半水并攪拌1 min。滲透結(jié)晶材料預(yù)浸法步驟如下：將水泥基滲透結(jié)晶材料與水按5∶2(體積比)稱量，先把水泥基滲透結(jié)晶材料放入攪拌機(jī)，并加入水?dāng)嚢? min；再加入再生粗骨料，攪拌2 min使再生粗骨料表面均勻覆蓋漿體；取出再生粗骨料備用(須在20 min內(nèi)使用)；按比例配制混凝土。混凝土配比為：水泥∶粉煤灰∶細(xì)骨料∶水∶減水劑=268∶67∶702∶136∶4.8(kg/m3)。

表1 再生骨料和天然粗骨料用量

1.2 試驗(yàn)方法

(1)干燥收縮測(cè)試：按表1所示配合比成型尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，每個(gè)配合比制作3個(gè)試件，拆模后放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d。從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出后，放到室溫為(20±2)℃、相對(duì)濕度(60±5)%的恒溫恒濕室中，測(cè)量28、32、40、60、90、120及180 d的干燥收縮應(yīng)變。

(2)彎折強(qiáng)度測(cè)試：按上述配合比成型尺寸為150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體試件，每個(gè)配合比制作3個(gè)試件，拆模后放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d進(jìn)行測(cè)試。加荷速度為0.06 MPa/s。

2 結(jié)果分析和討論

2.1 干縮應(yīng)變

測(cè)得的各配比干燥收縮應(yīng)變隨齡期的發(fā)展曲線見圖4所示。

圖4 試件干燥收縮應(yīng)變變化規(guī)律

從圖4(a)可以看出，總體上隨著齡期增長(zhǎng)，與碎石骨料混凝土類似，經(jīng)復(fù)合膠凝材料漿體預(yù)裹處理的再生骨料混凝土的干燥收縮應(yīng)變持續(xù)增大，但增長(zhǎng)趨勢(shì)漸漸平緩。從標(biāo)養(yǎng)室移到相對(duì)濕度60%環(huán)境中后，45%替代率的混凝土的干燥收縮應(yīng)變急劇增大，這種趨勢(shì)在其他替代率的混凝土中沒有出現(xiàn)；另外在120 d齡期，干縮應(yīng)變?cè)龃罅?1%。再生骨料內(nèi)部多孔，彈性模量比碎石的彈性模量低，故對(duì)變形的約束作用較低，所以在高替代率下干縮應(yīng)變較大。較低替代率下(指<30%替代率)的干縮應(yīng)變與碎石骨料混凝土的干縮應(yīng)變基本相當(dāng)，差值小于10%。值得注意的是，60 d齡期后，30%替代率下的干縮應(yīng)變反而小于碎石骨料混凝土的干縮應(yīng)變，這表明再生骨料的使用對(duì)干燥收縮有影響，但混凝土的其他性質(zhì)可能比再生骨料使用率對(duì)干燥收縮的影響相對(duì)更大。新拌混凝土含氣量測(cè)試表明，該混凝土的含氣量為4.0%，小于碎石骨料混凝土的含氣量(4.4%)。這意味著在無抗凍性要求時(shí)，可以從降低混凝土含氣量入手，降低再生骨料混凝土的干燥收縮。從圖4(b)可以看出，與復(fù)合膠凝材料漿體預(yù)裹處理相比，滲透結(jié)晶材料預(yù)浸處理對(duì)干燥收縮的降低作用更明顯。45%替代率的干燥收縮小于30%替代率下的干燥收縮，也是因?yàn)榍罢叩暮瑲饬啃∮诤笳?。?duì)干縮應(yīng)變而言，在原材料、水膠比相同的前提下，控制因素是再生骨料替代率和含氣量。

2.2 彎拉強(qiáng)度

圖5示出了不同預(yù)處理方法對(duì)再生骨料混凝土28 d彎拉強(qiáng)度的影響?？梢娊?jīng)過預(yù)處理，各替代率下的彎拉強(qiáng)度均大于5.0 MPa。我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD40-2011)表3.0.8規(guī)定，交通荷載等級(jí)為“極重、特重、重”時(shí)，彎拉強(qiáng)度需大于5.0 MPa；交通荷載等級(jí)為“中等”時(shí)，彎拉強(qiáng)度需大于4.5 MPa；交通荷載等級(jí)為“輕”時(shí)，彎拉強(qiáng)度需大于4.0 MPa。本文中再生骨料經(jīng)過預(yù)處理，各替代率下的彎拉強(qiáng)度均大于5.0 MPa，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖5 不同預(yù)處理試件彎拉強(qiáng)度

高替代率下(指45%替代率)，滲透結(jié)晶材料預(yù)浸處理效果更好，其彎拉強(qiáng)度甚至超過了碎石骨料混凝土的彎拉強(qiáng)度。與碎石骨料混凝土相比，各替代率下彎拉強(qiáng)度降低程度均低于6%。一般認(rèn)為，砂漿和粗骨料間的界面過渡區(qū)孔隙較多，其混凝土力學(xué)性能和耐久性能均弱于其他區(qū)域。水泥基滲透結(jié)晶材料與再生骨料表面的殘留砂漿以及新的凈漿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣等物質(zhì)，填補(bǔ)界面過渡區(qū)中的孔隙，使界面過渡區(qū)強(qiáng)化，故提高了其力學(xué)性能。另外，由于骨料和砂漿的熱膨脹系數(shù)不同，彈性模量也不同，導(dǎo)致混凝土在溫度變化、發(fā)生收縮或承受荷載時(shí)容易產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致微裂縫產(chǎn)生。此時(shí)，未反應(yīng)完的水泥基滲透結(jié)晶材料與再生骨料中的水發(fā)生水化反應(yīng)，其產(chǎn)物對(duì)微裂縫產(chǎn)生自修補(bǔ)作用，這將對(duì)混凝土的長(zhǎng)期服役性能產(chǎn)生有益影響?；炷恋膹澙瓘?qiáng)度受骨料與硬化漿體間的界面過渡區(qū)影響較大，再生骨料經(jīng)過水洗及預(yù)處理后，有效降低了表面的孔隙率和吸水率，增強(qiáng)了界面過渡區(qū)的力學(xué)性質(zhì)，使彎拉強(qiáng)度得到了有效保證。

3 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，再生骨料經(jīng)過復(fù)合膠凝材料漿體預(yù)裹處理和滲透結(jié)晶材料預(yù)浸處理，在不大于30%替代率下，均可使混凝土干縮應(yīng)變?cè)龃笾岛蛷澙瓘?qiáng)度降低值控制在10%以內(nèi)。在原材料和配合比一定的情況下，調(diào)整再生骨料使用率和再生混凝土含氣量，是控制干縮應(yīng)變的有效途徑。再生骨料滲透結(jié)晶材料預(yù)處理優(yōu)于復(fù)合膠凝材料凈漿預(yù)處理。