摘要
为给不同粒径再生集料的精细化利用提供参考，该文研究了再生集料粒径、掺量对水泥稳定再生集料混合料抗冻性能的影响。对不同粒径再生集料的基本性能指标进行测试，并通过击实试验确定最佳含水率和最大干密度，以 4% 的水泥掺量制备试件，通过测试混合料经冻融循环后的无侧限抗压强度损失来评价混合料的抗冻性能。试验结果表明：随着再生集料粒径和掺量增大，混合料的最佳含水率增大，最大干密度减小；掺加 4.75~9.5 mm 再生集料时，经过 5 次冻融循环，混合料冻融循环后强度随着掺量增加先升高后降低，经过 10 次冻融循环，混合料冻融循环后强度随着掺量增加逐渐降低；掺加 9.5~19 mm 与 19~26.5 mm 的再生集料时，随着再生集料掺量、粒径以及冻融循环次数的增加，混合料的冻融循环后强度逐渐降低。再生集料水泥稳定混合料抗冻性能变化规律随再生集料掺量、粒径的变化而各有不同，综合来看，随着再生集料掺量、粒径以及冻融循环次数的增加，其混合料抗冻性能变差。
Abstract
This paper investigated the effects of particle size and content of recycled aggregate on the anti-freezing performance of cement-stabilized recycled aggregate mixture, so as to provide a reference for the fine utilization of recycled aggregate with different particle sizes. The basic performance indexes of recycled aggregates with different particle sizes were tested, and the optimum moisture content and maximum dry density were determined by compaction test. The specimens were prepared with 4% cement content, and the anti-freezing performance of the mixture was evaluated by testing the unconfined compressive strength loss of the mixture after the freeze-thaw cycle. The results show that the optimum moisture content increases, and the maximum dry density of the mixture decreases with the increasing particle size and content of recycled aggregate. When recycled aggregate of 4.75 ‒ 9.5 mm is added, after five freeze-thaw cycles, the strength of the mixture first increases and then decreases with the increasing content of recycled aggregate. After ten freeze-thaw cycles, the strength of the mixture decreases with the increase in the content of recycled aggregate. When the recycled aggregate of 9.5 ‒ 19 mm and 19 ‒ 26.5 mm is added, with the increasing content and particle size of recycled aggregate, as well as the number of freeze-thaw cycles, the strength of the mixture deteriorates. The variation law of the anti-freezing performance of cement-stabilized recycled aggregate mixture is different with the change in content and particle size of recycled aggregate. In general, with the increasing content and particle size of recycled aggregate, as well as the number of freeze-thaw cycles, the anti-freezing performance of the mixture is worse.
0 引言
随着中国城市化的快速发展，大量市政基础设施建设和改造工程导致建筑固废产量急剧增加。据统计，目前中国的建筑固废存储量已达 200 多亿吨，且仍以年均 20 亿~30 亿吨的速度产生新的建筑固废[1-2]。并且中国关于建筑固废处理缺乏权威性的指导文件，这些建筑固废绝大部分只经简单处理就填埋或露天堆放，造成了严重的环境污染和资源浪费问题[3-6]。国家发改委发布的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中也提出要提高固废资源利用效率[7]。公路建设中需要消耗大量的天然矿石资源，但目前国家出台的相关政策限制了开山采石，使得公路建设中存在集料短缺的情况[8]。若能将建筑固废代替部分天然集料用于公路建设，不仅能缓解建筑固废带来的一系列环境问题，还能大量节约天然集料资源，降低公路建设的工程成本，是实现可持续发展的有力举措。
目前，再生集料的利用问题已经引发了国内外学者的广泛关注。将再生集料利用于水泥稳定基层中可以缓解目前天然集料短缺的状况，也有望处理大量的废弃建筑垃圾[9-11]。国内外大量学者展开了再生集料水稳基层的相关研究[12-15]。建筑固废再生集料水泥稳定混合料性能劣于天然集料混合料，主要是由于再生料中含有性质较差的碎砖块和砂浆等材料，这类材料会降低混合料的整体性能[16-18]。 Zedda 等[19]调查并测试了在道路垃圾填埋场处理的再生料的来源和质量，研究发现再生材料虽具有不同物理特性，但其力学性能与天然骨料相同，证实了建筑废弃物经处理后，可以替代天然骨料；胡力群等[20] 的研究结果表明废砖块对水稳混合料的力学性能有不同程度的不利影响；Xuan 等[21] 的研究也表明在建筑固废再生集料中砖比例是影响再生集料混合料强度的关键因素之一。因此剔除建筑固废再生集料中的不利组分后再应用是一大研究热点。但目前对于建筑固废各组分的分离技术并不成熟，因此对建筑固废进行分组分利用难度较大，导致建筑固废整体利用率和利用等级都较低。建筑固废再生集料与天然集料按比例掺配利用是另一大研究热点。 Arulrajah 等[22] 从建筑固废中分拣出碎玻璃和旧混凝土，通过一定处理生成再生骨料，将两种材料按不同的比例掺配替代天然骨料，结果表明当建筑固废再生集料掺量合适时，混合料也能满足规范要求；曾梦澜等[23] 对建筑固废再生集料的基本性质进行了研究，并通过不同掺量再生集料替换天然集料，研究掺量变化对水泥稳定再生集料基层混合料的性能影响，综合各项性能提出再生集料的最佳掺量。再生集料与天然集料按比例掺配利用是目前对再生集料的主要利用方式，如何在保证混合料性能的前提下尽可能增加再生集料的掺量是提升再生集料利用率的关键。
国内外学者们对建筑固废再生集料分组分、按比例掺配利用开展了大量研究，为建筑固废再生集料的应用提供了重要参考，但并未完全解决建筑固废再生集料分粒径利用问题，再生集料的利用率仍有待进一步提高。基于此，本文旨在研究再生集料粒径、掺量对混合料抗冻性能的影响，以期为再生集料分粒径利用提供参考，从而进一步提高再生集料综合利用率。
本研究针对再生集料分粒径利用问题，首先对各粒径再生集料进行基本性能测试，并且与天然集料进行对比分析，指出再生集料的根本缺陷；再制备水泥稳定混合料试件测试各方案经不同冻融循环次数下的抗冻性能；最后，根据试验结果分析讨论再生集料粒径和掺量对水泥稳定再生集料混合料抗冻性能的影响规律。
1 材料与试验
1.1 原材料性能
（2）集料。试验采用的建筑固废再生集料来源于新旧建筑修建与拆迁。对再生集料进行分拣，发现主要成分为混凝土块和碎砖块，砖比例为 10% 左右。
选用等质量的 4.75~9.5 mm、9.5~19 mm、19~26.5 mm 3档再生粗集料，同时选用对应 3档粒径的天然集料作为试验对照组进行粗集料基本性能研究。
表1 粗集料性能检测结果
Table1 Test results of coarse aggregate performance
由表1 可知：再生粗集料表观密度比天然粗集料降低了 11% 左右，吸水率为天然粗集料的 12~19 倍，同种集料类型下，集料粒径越小，其吸水率越大；再生粗集料压碎值比天然粗集料增大了 22%~32%，相同集料类型下，集料的粒径越大其压碎值越大；针片状颗粒含量方面，再生粗集料和天然粗集料相差不多。造成上述性能差距的主要原因是再生粗集料中含有疏松多孔、吸水率高、强度低的水泥砂浆和砖。
表2 细集料性能检测结果
Table2 Test results of fine aggregate performance
由表2 可知：再生细集料的表观密度相比天然细集料的表观密度降低了约 13%；再生细集料的吸水率约为天然细集料吸水率的 3 倍；再生细集料与天然细集料的液塑限也有明显差异，再生细集料的塑性指数明显大于天然细集料的；此外，再生细集料的含泥量远远高于天然细集料的。再生细集料中含有较多的渣土、水泥砂浆和砖渣等材料，这可能是导致再生细集料性能与天然细集料性能差异的原因。
1.2 试验设计
本试验采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）推荐的骨架密实型级配范围中值，如表3 所示。并通过该规范中标准振动击实试验确定水泥稳定再生集料混合料的最佳含水率和最大干密度，分析在不同掺量下不同粒径再生集料对水泥稳定再生集料混合料的最佳含水率和最大干密度的影响[28]。试验所得的最佳含水率和最大干密度作为后续抗冻试验成型试件的依据。试验方案设计如表4 所示。
表3 骨架密实型级配
Table3 Grading of compact skeleton type
表4 试验方案设计
Table4 Test scheme design
1.3 试件制备与养护
本文试验采用振动压实试验方法确定最佳含水率和最大干密度，试件制备参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中振动压实方法成型圆柱体试件，试件尺寸为 150 mm×150 mm[28]。采用规范中标准养护条件进行养护，养护温度（20± 2）℃，相对湿度 95% 以上[28]。
1.4 试验方法
参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》 （JTG E51—2009）中的无机结合料稳定材料冻融试验方法，将成型完后的试件放置在标准养生室养护 28 d，在到达养护龄期的前 1 天，将试件放置水箱浸泡 24 h，水箱水面须高出试件 50.0 mm，浸泡完毕后用干毛巾将试件表面水分擦干，使用游标卡尺测量试件高度，精确至 0.1 mm。将试件放入高低温交变式温度箱中，将低温设置成-18℃，冻结时间设置为 16 h，高温设置成 20℃，时间设置为 8 h。当完成 1 次冻融循环，将试件从温度箱中取出并测量试件的高度和质量，随后放入温度箱中进行第 2 次冻融循环，以此类推直至完成所有次数冻融循环，而后进行无侧限抗压强度测试。冻融循环试件及强度试验见图1、2。
图1 冻融循环中的试件
Figure1 Specimen in freeze-thaw cycle
图2 冻融循环后强度试验
Figure2 Strength test after freeze-thaw cycle
试验数据的相关计算按式（1）~（4）进行：
(1)
(2)
(3)
(4)
式中：RDC 为经过冻融循环后试件的无侧限抗压强度（MPa）；P1 为经过冻融循环后的试件破坏时的最大压力（N）；RC为未进行冻融循环试件的无侧限抗压强度（MPa）；P2为未进行冻融循环试件破坏时的最大压力（N）；A 为试件的截面面积（mm2）；D 为试件的直径（mm）；RBDR为经过冻融循环后试件的抗压强度损失率（%）。
2 试验结果与讨论
2.1 击实特性
表5 和图3、4 为振动压实试验结果。
表5 振动压实试验结果
Table5 Vibration compaction test results
图3 最佳含水率变化趋势
Figure3 Variation trend of optimum moisture content
由表5 及图3、4 可知：
（1）随着再生集料掺量的增加，混合料的最佳含水率逐渐增加，最大干密度逐。以掺加 4.75~9.5 mm 再生集料为例，再生集料掺量从 0 增加至 100%，最佳含水率依次增加 5.3%、 27.2%、 12.3%，最大干密度依次减小 2.3%、3.3%、2.6%，再生集料增加至 100% 时，最佳含水率相比天然集料增加了 50.5%，最大干密度减小了 7.9%。这可能是因为再生集料中碎砖、旧砂浆等孔隙裂缝较多，压碎值较高，吸水率较高，当再生集料掺量增加时，这类物质增加，导致混合料的最佳含水率逐渐增加，最大干密度逐渐减小[29]。
图4 最大干密度变化趋势
Figure4 Variation trend of maximum dry density
（2）固定再生集料掺量，随着再生集料粒径的增大，混合料的最佳含水率逐渐增加，最大干密度逐渐减小。以 100% 掺量再生集料为例，当分别掺加 3档粒径再生集料时，按粒径从小到大，最佳含水率分别为 7.66%、8.16%、8.58%，最大干密度分别为2.177 g/cm3、 2.117 g/cm3、2.076 g/cm3。分析原因可能是再生集料粒径越大，其成型破碎率越高，混合料内部孔隙数量越多，其最佳含水率越高，最大干密度越低[30]。
2.2 抗冻性能
表6 和图5、6 为抗冻试验结果。
表6 抗冻试验结果
Table6 Anti-freezing test results
图5 无侧限抗压强度试验结果
Figure5 Test results of unconfined compressive strength
由表6 及图5、6 可知：
（1）当分别掺加 4.75~9.5 mm 和 9.5~19 mm 档粒径的再生集料时，水泥稳定再生集料混合料经过 0 次、5 次冻融循环后，无侧限抗压强度随掺量增加先提高后降低，当冻融循环次数增加至 10 次时，无侧限抗压强度随掺量一直降低；掺加 19~26.5 mm 粒径再生集料时，经过 0 次、5 次、10 次冻融循环，无侧限抗压强度均一直降低。这可能是粒径较小的再生集料中未水化的水泥颗粒等活性成分相对较多，掺量较低时，这种活性成分与水泥凝结效果更好，抗冻性能有所提高，掺量继续增加，再生集料本身的缺陷占据主导作用，抗冻性能开始下降。粒径较大的再生集料中活性成分较少，从一开始，其本身的质量缺陷占据主导作用，抗冻性能随掺量增加而降低。
图6 抗压强度损失率试验结果
Figure6 Test results of compressive strength loss rate
（2）以掺加 30% 的 4.75~9.5 mm 档粒径再生集料为例，冻融次数从 0 次增加至 10 次，无侧限抗压强度依次下降了 4.5%、28.8%，随着冻融循环次数增加，强度急剧下降。这可能使冻融循环次数增加对混合料内部损伤破坏加剧，使无侧限抗压强度降低趋势加剧。
（3）经过 5 次冻融循环，掺加 4.75~9.5 mm 档粒径时，强度损失随掺量先减小后增大，在 30% 掺量附近强度损伤最小，说明 5 次冻融循环后，相比冻融前， 30% 掺量以下的 4.75~9.5 mm 粒径再生集料混合料强度有所增长。这可能是短期冻融对小粒径再生集料中未水化的水泥颗粒等活性成分有一定活化作用，提高了其活化性能。
（4）以 9.5~19 mm 再生集料 5 次冻融循环为例，再生集料掺量从 0 到 100%，强度损失依次为 6.9%、 8.1%、9.8%、15.9%，除 5 次冻融循环后的 4.75~9.5 mm 再生集料，随着再生集料掺量增加，混合料强度损失逐渐增大，抗冻性变差。这可能是随着再生集料掺量增加，再生集料中孔隙率和吸水率较大的中砂浆、碎砖等增多，在冻融循环后，混合料内部冻胀作用加剧对其内部造成损伤，降低了其性能，抗冻性变差。
（5）以 100% 掺量再生集料 10 次冻融循环为例，分别掺加 3 档粒径再生集料时，按集料粒径从小到大的强度损失依次为 39.5%、53.2%、63.2%，说明在同一掺量和同一冻融循环次数下，再生集料粒径越大，其混合料抗冻性越差。这可能是再生集料粒径越大，其在成型中破碎率越高，混合料内部孔隙数量大大增加，冻融循环作用下，冻胀作用越明显，对混合料内部损伤破坏作用越大，混合料抗冻性越差。
（6）分别掺加 3 档粒径再生集料时，5 次冻融循环和 10 次冻融循环强度损失相差明显，以 100% 掺量 4.75~9.5 mm 档粒径再生集料为例，5 次和 10 次冻融循环强度损失依次为 13.8% 和 39.5%。这可能是冻融次数增加，加剧了混合料内部孔隙的冻胀作用，破坏了其内部结构，使其抗冻性能降低。
3 结论与展望
3.1 结论
本文通过击实试验得到再生集料粒径和掺量对混合料的最佳含水率和最大干密度的影响规律，并研究了水泥稳定再生集料混合料的抗冻性能，对水泥稳定碎石基层冻融损伤机理以及影响因素进行了分析。通过设计室内冻融循环试验，研究再生集料掺量、粒径、冻融循环次数等因素对水泥稳定基层抗冻性能的影响，得出以下结论：
（1）集料基本性能测试结果表明，再生集料相比于天然集料的根本缺陷在于：再生集料的表观密度远低于天然集料的；再生集料的吸水率和压碎值远大于天然集料的；再生细集料的含泥量远高于天然集料的；再生细集料的塑性指数明显大于天然细集料的。
（2）击实试验结果表明，随着再生集料掺量的增加，水泥稳定再生集料混合料的最佳含水率逐渐增加，最大干密度逐渐减小；随着再生集料粒径的增加，水泥稳定再生集料混合料的最佳含水率逐渐增加，最大干密度逐渐减小。
（3）冻融循环后水泥稳定再生集料混合料抗压强度整体上有明显下降，说明冻融循环作用会破坏混合料内部孔隙结构，降低其性能。掺加 4.75~9.5 mm 再生集料时，经过 5 次冻融循环，强度损失随着掺量增加呈先减小后增大的趋势，经过 10 次冻融循环，混合料抗冻性能随着掺量增加而一直降低；掺加 9.5~19 mm 与 19~26.5 mm 的再生集料时，随着再生集料掺量、粒径以及冻融循环次数的增加，混合料的抗冻性能逐渐降低。
（4）造成水泥稳定再生集料混合料抗冻性能变化的原因如下：再生集料粒径越大，比表面积越小，与水泥凝结越差；并且粒径越大在成型时破碎率越高，混合料内部孔隙数量增加，冻胀破坏作用越明显，抗冻性能越差。随着再生集料掺量增加，再生集料中孔隙率和吸水率较大的中砂浆、碎砖等增多，在冻融循环后，混合料内部冻胀作用加剧，对其内部造成损伤，导致抗冻性能变差。
3.2 展望
本文通过一系列室内试验，研究了建筑固废再生集料在水泥稳定碎石基层中的应用，也研究了再生集料掺量、粒径对水泥稳定再生集料混合料抗冻性能的影响，得出了一定的结论与成果，但限于研究条件和研究时限，还有一些内容须进行更深入的研究：
（1）本文涉及的试验均为宏观试验，对于再生集料不同粒径对混合料性能的影响，可以从微观角度进行研究，揭示不同粒径再生集料微观形貌、砂浆和碎砖分布等集料内在规律，利用微观手段分析不同粒径再生集料与水泥之间的黏结情况，进一步揭示不同粒径下的混合料性能变化机理。
（2）本文对水泥稳定再生集料混合料基层的抗冻性能进行了研究，水泥稳定再生集料混合料的抗冲刷性能、疲劳性能以及收缩性能等路用性能对再生集料在基层中的应用影响重大。水泥稳定再生集料混合料的抗冲刷性能、疲劳性能以及收缩性能等路用性能受再生集料粒径和掺量的影响还有待进一步研究。
（3）再生集料混合料在成型过程中的颗粒破碎情况以及对级配的破坏情况会影响混合料的各种抗冻性能。关于不同粒径再生集料在成型过程中的颗粒破碎情况和对级配的破坏情况，以及对抗冻性能的影响还有待具体研究和分析。
