钛石膏-矿渣对砖混再生粗集料负压强化效果评价

赵之仲，柳泓哲，杨振宇，石祥玉，赵连地; ZHAO Zhizhong; LIU Hongzhe; YANG Zhenyu; SHI Xiangyu; ZHAO Liandi

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1. 山东交通学院交通土建工程学院，山东济南 250357； 2. 北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 102616； 3. 山东高速股份有限公司，山东济南 250014； 4. 山东高速路桥国际工程有限公司，山东济南 250014

中图分类号： U416.2

最近更新：2022-07-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2022.06.013

摘要

为了解决建筑固废资源化利用的技术难题，研究了钛石膏-矿渣浆体（T‑S浆体）强化砖混再生粗集料（BCRCA）的作用机理，比较了负压强化与传统搅拌裹附强化效果的优劣，分析了T‑S浆体强化水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度和劈裂强度的变化.结果表明：T‑S浆体可以产生C‑S‑H凝胶和钙矾石微膨胀体，填充粗集料的孔隙；负压强化BCRCA的压碎值达到27.5%，吸水率降低至6.6%，表观密度提高至2.678 g/cm³，灌入饱和度相较于传统搅拌裹附强化提高了63.7%；负压强化水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度为3.8 MPa，劈裂强度为0.40 MPa，较未强化时分别提高38.5%、36.7%，抗疲劳性与抗冲刷性均提升了15%以上，强化效果明显.

关键词

砖混再生粗骨料; 水泥稳定碎石; 强化材料; 负压强化; CT扫描

随着中国城市建设的发展，建筑固废总量已占到城市垃圾总量的30%~40%^［

1‑2］.当前，中国道路工程建养每年需要消耗砂石等材料数十亿t，逐步成为了大宗建筑固废再利用的主战场^{［参考文献 3‑5}3‑5］.由于砖混再生集料存在强度低、密度小和吸水率高的劣势^{［参考文献 6‑9}6‑9］，在未经强化处理时不能满足相关使用要求，限制了其资源化利用，因此对砖混再生集料进行强化研究迫在眉睫.

采用化学浆液或溶液浸泡、渗透结晶改性、纳米技术改性和碳化处理等方法^［

10‑12］强化砖混再生集料时，需要的试剂较为昂贵，提高了强化成本，并且碳化过程需要收集CO₂并且封存，现阶段也没有合适的碳化设备^{［参考文献 13‑14}13‑14］.钛石膏是硫酸法生产钛白粉的工业固体废弃物，目前仅少量用于水泥缓凝，制备复合胶凝材料等^{［参考文献 15‑16}15‑16］.因此，使用钛石膏可以有效降低生产成本，具有很强的经济性，同时也会消耗大量废弃物，可以保护生态环境，达到以废治废的目的.

现阶段缺少效果明显、成本不高和简单易控的强化材料，也没有较好的强化处理方式.传统搅拌和浸泡强化并不能满足使用要求，已经成为制约强化再生集料广泛应用的瓶颈.从再生集料的强化方式与材料入手，选用一种成本低廉、效果优异的强化材料对砖混再生粗集料（BCRCA）进行强化，并提出一种新的负压强化方式，研究其强度的变化规律，可以解决建筑垃圾资源化利用的问题，在极大程度上促进BCRCA再生利用技术的推广.

1 原材料

水泥采用山水集团供应的P·O 42.5水泥，性能如表1所示.BCRCA由山东普绿祥环保科技有限公司提供，性能如表2所示.由表2可见，BCRCA的压碎值、吸水率和针片状含量都比较高，分析后发现是由于BCRCA破碎筛分装置还不够完善，在初期破碎分拣过程中所含杂物并不能完全去除，含有部分的砖瓦碎片、浮石和木屑等垃圾造成的.BCRCA的孔隙率较高，其中也存在部分浮石，因此导致该集料吸水率较高.

表1 水泥的性能

Table 1 Performance of cement

Performance		Requirement	Result
Normal consistency/%			28.5
Setting time/min	Initial	$\geq$ 45	131
Setting time/min	Final	$\leq$ 600	193
Soundness/mm		$\leq$ 5	0
Flexural strength/MPa	1 d	$\geq$ 3.5	4.7
Flexural strength/MPa	28 d	$\geq$ 6.5	7.3
Compressive strength/MPa	1 d	$\geq$ 17.0	24.1
Compressive strength/MPa	28 d	$\geq$ 42.5	45.9

表2 BCRCA的性能

Table 2 Performance of BCRCA

Performance		Requirement	Result
Crushed stone value/%		$\leq$ 35	32.9
Flat and elongated particle in coarse aggregate/%	20-30 mm	$\leq$ 20	14.2
	10-20 mm	$\leq$ 20	13.8
	5-10 mm	$\leq$ 20	13.3
Apparent density/(g·cm^-3)	20-30 mm		2.550
	10-20 mm		2.567
	5-10 mm		2.573
Water absorption ratio(by mass)/%	20-30 mm		8.9
	10-20 mm		9.8
	5-10 mm		9.2

2 强化方式与材料

2.1 负压强化设备

采用课题组自主研发的小型负压强化设备^［

17］对BCRCA中单颗粒或小部分粗集料进行强化.在负压的条件下，将强化材料灌入BCRCA孔隙中，从而达到填充孔隙、强化集料的目的.研究发现，采用二次搅拌的方法，在负压温度为54 ℃下，负压压力控制到75 kPa，稳压12 min时的强化效果最佳^{［参考文献 18

百度学术}18］.

2.2 强化材料

图1为钛石膏的XRD图谱.由图1可见，CaSO₄·2H₂O含量（质量分数，文中涉及的含量、剂量、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比）为41.2%，在强化过程中提供CaSO₄.

图1 钛石膏的XRD图谱

Fig.1 XRD pattern of titanium gypsum

图2为矿渣的XRD图谱.由图2可见，矿渣含有大量的Al₂O₃和SiO₂，其中活性较高的Al³⁺和Si²⁺含量丰富，在反应过程中可以提供足量的Al³⁺.但是，两者复合反应是很难进行的，所以要利用水泥来提供一定的碱性反应条件，作为复合反应的激发剂使用.因此，在P·O 42.5水泥中掺入钛石膏和矿渣，将产生大量C‑S‑H凝胶和钙矾石膨胀晶体，达到封闭、填充孔隙的效果.

图2 矿渣的XRD图谱

Fig.2 XRD pattern of slag

在反应过程中钛石膏会分离出 $S O_{4}^{2 -}$ 和Ca²⁺，矿渣提供足量的Al³⁺，水泥熟料矿物产生 $O H^{-}$ 和 $A l {(O H)}_{4}^{-}$ ，这些离子会通过浓度差扩散聚集在一起，从而发生化学反应，在反应中将会通过3个步骤形成钙矾石晶体：

第1步： $A l {(O H)}_{4}^{-} + 2 O H^{-} \to [A l {(O H)}_{6}]^{3 -}$ .

第2步： $[A l {(O H)}_{6}]^{3 -} + 3 C a^{2 +} + 12 H_{2} O \to$

{C a_{3} A l {(O H)}_{6} \cdot 12 H_{2} {O}}^{3 +}

第3步： $2 {C a_{3} A 1 {(O H)}_{6} \cdot 12 H_{2} {O}}^{_{3 +}} + 3 S O_{4}^{2 -} +$ 2H₂O→2{Ca₃A1(OH)₆ $\cdot$ 12H₂O}³⁺ $\cdot$ 3( $S O_{4}^{2 -}$ ) $\cdot$ 2H₂O.

前期研究表明^［

19‑20］，水泥作为激发剂使用的剂量为5%时，可以提供充足的碱性环境，当m（钛石膏）∶m（矿渣）=2∶3时，钙矾石的生成量较多而且反应效果最佳.因此，选取m（水泥）∶m（钛石膏）∶m（矿渣）=10∶2∶3的掺配比例制备强化浆体（T‑S浆体），同时利用扫描电子显微镜（SEM）观察养护龄期为1、7、14、21 d时T‑S浆体的微观形貌，结果如图3所示.

图3 不同养护龄期下T‑S浆体的微观形貌

Fig.3 Microstructure of T‑S paste with different curing ages

2.3 试验方法确定

2.3.1 T‑S浆体强化BCRCA

首先，以0.1为间隔，确定T‑S浆体水胶比m_W/m_B为1.3~1.8，浆体裹附效果如图4所示.观察发现：当水胶比为1.3时，浆体较稠，无法有效裹附BCRCA；当水胶比为1.8时，浆体太稀，也无法裹附在集料表面.因此，选择1.4、1.5、1.6和1.7为试验水胶比.其次，确定2种强化方式：搅拌裹附强化方式是将BCRCA放入T‑S浆体中，基于水泥初终凝时间的影响，利用净浆搅拌机分别搅拌20、40、60 min，并静置5 min，使T‑S浆体均匀裹附在BCRCA表面；负压强化方式如2.1所述.最后，待2种强化方式处理完成后，为避免集料间的黏结，用筛子轻轻筛分，在室温下静置24 h，得到强化BCRCA.根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》，分别对强化BCRCA的吸水率、压碎值和表观密度进行测定，分析在不同强化方式下BCRCA 3种性能的变化规律，确定最佳水胶比.

图4 钛石膏-矿渣浆体的裹附效果

Fig.4 Adhesion effect of titanium gypsum slag slurry

2.3.2 灌入饱和度试验

将T‑S浆体所能浸入深度与孔隙总深度的比值定义为灌入饱和度，以此来表征T‑S浆体灌入孔隙的程度.利用CT扫描技术对T‑S浆体强化BCRCA前后的孔隙充盈情况和孔隙特征进行观察，结果如图5、6所示.根据图5、6，通过分析得到，强化BCRCA的闭口孔隙占47%，开口孔隙占36%，连通孔隙占17%.

图5 强化材料灌入程度示意图

Fig.5 Schematic diagram of filling degree of strengthening materials

图6 强化BCRCA的孔隙特征扫描图

Fig.6 Scanning graph of pore characteristics of strengthening BCRCA

2.3.3 力学性能与耐久性能评价

水泥稳定碎石基层是路面结构中的主要承重层，不仅要承受由沥青面层上车辆传递下来的行车荷载，还要起到支撑沥青面层的作用，所以水泥稳定碎石基层应具有足够的强度和耐久性.因此，将强化前后的BCRCA用于水泥稳定碎石中，依据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，分别测试其无侧限抗压强度、劈裂强度、抗疲劳性能以及抗冲刷性能，分析水泥稳定碎石的性能变化规律.

3 结果与分析

3.1 集料强化性能结果分析

图7为采用2种方式强化后，BCRCA的吸水率、表观密度和压碎值的变化规律.由图7可见：

图7 BCRCA各项性能指标的变化规律

Fig.7 Variation law of each performance index of BCRCA

（1）强化BCRCA的吸水率随着水胶比的增大呈先减小后增大的趋势.分析可知，水胶比变化反映了强化浆体稠度的变化，过稠或过稀都会降低浆体的裹附效果.水胶比为1.5时，BCRCA易于被T‑S浆体包裹.当采用搅拌裹附强化方式时，随着搅拌时间的延长，吸水率不断降低，使更多的T‑S浆体浸入孔隙中，从而获得了较好的强化效果.在搅拌60 min后强化效果最佳，吸水率降至7.2%.当采用负压强化方式时，T‑S浆体能够更好地填充集料孔隙，并且反应生成钙矾石晶体和C‑S‑H凝胶，使集料更加密实，从而有效提高集料的性能，使吸水率降至6.6%，较未强化时降低32.6%.

（2）当水胶比为1.5时，强化BCRCA的表观密度达到最大值.这是由于水胶比的不同，导致浆体的稠度和流动性不同，使填充程度出现差异.搅拌时间的影响较弱，当搅拌60 min时，浆体已经开始趋向于初凝状态；搅拌40 min后，BCRCA的表观密度已达到2.673 g/cm³.当采用负压强化方式时，BCRCA的表观密度较传统搅拌裹附强化方式有所提高，此时浆体中不仅有更多反应生成的钙矾石晶体和C‑S‑H凝胶填充到孔隙中，在集料表面也会裹附一部分浆体，在其表面形成浆体强化壳，因此负压强化BCRCA的表观密度可以达到2.678 g/cm³.

（3）强化BCRCA的压碎值随着水胶比的增大而减小.当水胶比为1.7时，强化BCRCA的压碎值达到最优状态，搅拌40、60 min时的压碎值约为28.0%；经过负压强化后的压碎值降低至27.5%，与原始状态下的32.9%相比，降低了16.4%.但是，与搅拌裹附强化相比，负压强化BCRCA的吸水率有所减小.当选择水胶比为1.5时，负压强化BCRCA的吸水率最小、表观密度最大，并且压碎值也变化不大.因此，在负压强化方式下，最优水胶比为1.5.

3.2 灌入饱和度结果分析

从强化方式和孔隙特征2方面对灌入饱和度的变化规律进行分析，结果如表3所示.由表3可见：

表3 灌入饱和度的变化

Table 3 Variation change of filling saturation %

Strengthening method	Open pore	Connect pore
Stirring	23.4	15.2
Negative pressure	38.3	27.5

（1）从强化方式上来看，当采取传统搅拌裹附强化方式时，BCRCA的灌入饱和度随着搅拌时间的延长而增大，但是连通孔隙的灌入饱和度仅为15.2%，开口孔隙的灌入饱和度为23.4%.经过负压强强化后，BCRCA的灌入饱和度有明显提升，其开口孔隙和连通孔隙的灌入饱和度分别提高至38.3%、27.5%.由此看出，负压强化方式可以有效提高强化材料浆体灌入集料孔隙的程度，从而提升了BCRCA的各项性能指标，使其达到使用条件.

（2）从孔隙特征上来看，BCRCA的开口孔隙灌入饱和度比连通孔隙提升了约25.1%.因为连通孔隙中外部孔隙与内部孔隙的连接通道较为狭窄，T‑S浆体不易进入孔隙内部，从而导致灌入饱和度较差.开口孔隙具有较宽的流通通道，T‑S浆体可以更好地灌入粗集料孔隙中，从而达到密实孔隙的目的.因此，负压强化方式能够更好地强化BCRCA.

3.3 水泥稳定碎石混合料强化性能结果分析

级配设计采用4档集料，分别为G1（20~30 mm）、G2（10~20 mm）、G3（5~10 mm）和G4（0~5 mm），筛分试验后调整确定4档集料比例为m（G1）∶m（G2）∶m（G3）∶m（G4）=17∶23∶23∶37，级配如表4所示.

表4 水泥稳定碎石混合料的集料级配

Table 4 Grading of aggregate of cement stabilized stone mixture

Sieve size/mm	26.5	19	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
Passing ratio(by mass)/%	100.0	82.6	77.4	69.5	55.7	35.4	22.6	16.0	12.0	7.4	4.8	2.6

采用水泥剂量为5%，含水量按8%、9%、10%、11%和12%添加，分别进行击实试验，得到水泥稳定碎石混合料含水量与干密度的关系，结果如图8所示.

图8 水泥稳定碎石混合料含水量与干密度的关系

Fig.8 Relationship between dry density and water content of cement stabilized stone mixture

3.3.1 无侧限抗压强度分析

表5为不同龄期下的水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度.由表5可见：（1）未强化集料在95%的保证率下，水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度代表值仅为2.1 MPa，适合二级及二级以下中等交通基层或重交通下底基层使用；水泥稳定碎石混合料的90 d无侧限抗压强度代表值可达到3.9 MPa.（2）对BCRCA进行负压强化后，在95%的保证率下，水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度代表值为3.8 MPa，相较于未强化时提高约80.9%，可在一级公路和高速公路中用于中等交通基层或集中交通下底基层；水泥稳定碎石混合料的90 d无侧限抗压强度代表值达到5.6 MPa，比未强化时增长了38.5%.

表5 不同龄期下的水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度

Table 5 Compressive strength of cement stabilized stonemixtures at different ages ( MPa )

Curing age/d	Before strengthening	After strengthening
7	2.1	3.8
28	3.2	4.9
90	3.9	5.6

3.3.2 劈裂强度分析

表6为不同龄期下的水泥稳定碎石混合料劈裂强度.由表6可见：（1）BCRCA未强化时，水泥稳定碎石混合料的7 d劈裂强度代表值仅为0.30 MPa；在养护90 d后，水化作用逐渐减缓，其劈裂强度的变化趋于稳定，达到0.45 MPa.（2）BCRCA强化后，水泥稳定碎石混合料的7 d劈裂强度可达到0.41 MPa，较未强化时强度增长约36.7%；养生90 d后，水化作用完成，强度形成，此时的劈裂强度可达到0.60 MPa，比未强化时增长了33.3%.

表6 不同龄期下的水泥稳定碎石混合料劈裂强度

Table 6 Splitting strength of cement stabilized stone mixtures at different ages MPa

Curing age/d	Before strengthening	After strengthening
7	0.30	0.41
28	0.37	0.49
90	0.45	0.60

3.3.3 疲劳性能分析

在疲劳性能试验中，首先测定梁式试件的弯拉强度，以便确定疲劳试验的荷载水平，再取4~6个应力比（K）进行疲劳试验.表7为水泥稳定碎石混合料的疲劳性能.由表7可见，当BCRCA未强化时，水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命(N)仅有约47万次，当BCRCA强化后，水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命可超过62万次，强化后的平均疲劳寿命提高了30.8%，说明经过强化后的BCRCA具有良好的抗疲劳性能.

表7 水泥稳定碎石混合料的疲劳性能

Table 7 Fatigue properties of cement stabilized stone mixtures

Specimen type	Flexural tensile strength/MPa	K	N/time	Regression equation
Before strengthening	0.63	0.4	476 800	y=9.45-11.32x R²=0.990 2
		0.5	17 240
		0.6	310
		0.7	30
After strengthening	0.84	0.4	623 600	y=11.28-13.88x R²=0.933 7
		0.5	22 670
		0.6	560
		0.7	50

3.3.4 抗冲刷性能分析

在对BCRCA强化后的情况下，水泥稳定碎石混合料试件的冲刷质量损失为0.206%，与原始状态下的冲刷质量损失0.242%相比，降低了大约17.5%.主要有4种因素会影响试件冲刷质量的损失，分别是粗集料性质、养生龄期、水泥剂量以及混合料中细集料的含量.试验中水泥剂量与养生龄期均未改变，因此集料性质和细集料含量为主要影响因素.BCRCA的表面孔隙较多，会吸附一部分粉尘，增大了混合料中细集料的含量，在动水压力的作用下抗冲刷性能较弱.再生粗集料经过强化后，性质得到改善，孔隙得到填充，所以采用强化BCRCA制备的水泥稳定碎石混合料具有更好的抗冲刷性能.

4 结论

（1）在负压强化方式下，当水胶比为1.7时，砖混再生粗集料（BCRCA）的压碎值可降低至27.5%，较未强化时降低16.4%.为了兼顾吸水率与表观密度的影响，选择1.5作为最佳水胶比，此时BCRCA压碎值所受的影响不大，且吸水率、表观密度达到6.6%、2.678 g/cm³，吸水率较未强化时降低了32.6%.

（2）与传统搅拌裹附强化方式相比，经过负压强化方式强化后，BCRCA开口孔隙和连通孔隙的灌入饱和度分别提高至38.3%、27.5%，并且T‑S浆体能够更好地灌入开口孔隙，其灌入饱和度比连通孔隙提升了25.1%.

（3）强化后的BCRCA用于水泥稳定碎石基层时，其7 d无侧限抗压强度和劈裂强度分别为3.8、0.41 MPa，较未强化时提升了38.5%、36.7%，可以达到较好的强化效果.

（4）BCRCA强化后，水泥稳定碎石混合料的平均疲劳寿命提高了30.8%，抗冲刷性能提升了17.5%，具有较好的耐久性能.

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