0 引言

建筑垃圾是指建筑物在建造和拆除过程中产生的固体废弃物，随着城市化进程的加快，中国每年产生的建筑垃圾高达20亿吨，占城市垃圾总量的10%以上^[1-2]。然而大量的建筑垃圾没有得到有效利用，对城市的环境和经济造成了极大的影响^[3-6]，如何将大量建筑垃圾资源化利用已成为一个亟待解决的问题。实际上，建筑垃圾再利用具有重要的经济和环境价值，一些研究人员对建筑垃圾的应用技术展开了研究，包括利用建筑垃圾生产再生矿粉、机制砂和骨料等^[7-9]，不仅有助于降低建筑垃圾处理成本^[10]，解决建筑垃圾的环境污染和占地问题^[11]，同时减少天然骨料开采导致的环境问题，具有显著经济环境效益^[12]。

建筑垃圾破碎筛分制备的再生骨料(CA)具有与天然砂石材料相似的物理力学性质^[13]，因此有研究者逐渐开始探讨将再生骨料作为天然砂石材料的替代品在道路工程中的应用前景和价值，其中将建筑垃圾再生骨料掺入水泥稳定碎石(CSM)中吸引了广大研究人员的关注^[14]。研究人员重点研究了掺再生骨料的水泥稳定碎石(CACSM)的力学耐久性能^[15]。顾善东等^[16]指出掺建筑垃圾再生集料的水泥稳定碎石干缩性能略有降低；肖杰等^[17]指出掺再生集料虽然会对水泥稳定碎石路用性能产生一定影响，但影响在可控范围内；刘克非等^[18]指出掺再生粗集料会导致基层有较高的失水率和干缩量，使基层易产生干缩裂缝，认为再生粗集料掺量不宜超过粗集料总量的一半；曾梦澜等^[19]认为CACSM力学强度随再生集料掺量先增大后减小，并显著降低混合料抗冲刷性能和干缩性能，对抗冻性几乎没有影响；已有研究表明添加适量的再生骨料不会大幅降低水泥稳定碎石的力学性能，且CACSM的力学强度增长规律与水泥稳定碎石相似^[20]，从力学强度的角度而言，CACSM满足基层强度要求，可用作路面基层材料，具有较高的应用价值^[21-22]。也有一些研究从收缩和疲劳性能方面研究了CACSM的耐久性^[23-24]。这些研究为建筑垃圾的再生利用提供了思路和方法。然而，道路基层在服役阶段会受到荷载和环境的反复作用^[25-26]，荷载、水和温度会对路面基层产生不利影响，在反复荷载作用下基层可能会出现疲劳开裂^[27]，水的冲刷可能会带走填充空隙的颗粒导致基层强度下降^[28]，温度和水的冻融循环会降低基层耐久性^[29-30]。上述影响都是在CACSM基层大规模应用前需要解决的问题，然而目前CACSM基层的承载能力是否能满足荷载和环境作用后的要求还没有得到普遍的认识，关于环境与荷载作用下CACSM的性能劣化规律还没有相关报道。

本研究首先分析了再生骨料的成分和技术特性，研究了CACSM的力学强度；其次分析了CACSM在环境效应(水冲刷作用、干湿循环作用、冻融循环作用)下的强度衰减规律，并构建了强度劣化预测模型；最后研究了CACSM在重复加载作用下的疲劳寿命，基于威布尔分布构建了疲劳方程。本研究可为再生骨料在路面基层中的应用提供理论依据和保障。

1 材料和试验方法 1.1 材料

试验采用普通硅酸盐水泥，天然集料采用石灰石，技术指标见表 1和表 2。

再生骨料采用再生建筑垃圾混合统料，即未精细化分拣的建筑垃圾(混凝土、砖块、瓷砖的混合材料)经破碎筛分后得到的再生集料。再生骨料分为0~10 mm和10~40 mm这2种粒径，筛分结果见表 3，技术指标见表 4。主要成分包括混凝土、砖、瓦和少量杂质。杂质包括木屑、金属、塑料制品等，约占总质量的2%。利用扫描电子显微镜获得了再生骨料的SEM图像，如图 1所示。

由图 1可见，再生骨料表面并非致密结构，再生混凝土表面丰富的砂浆层及再生砖块表面的微孔隙和微裂缝，导致再生骨料压碎值偏大而吸水率升高，进而影响掺再生骨料混合料的浸水稳定性^[31]，这也决定了水泥稳定碎石基层中应对再生骨料的掺量加以限制。

1.2 试验方法

(1) 力学强度测试

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG 3441—2024)测试了20 ℃时CACSM的无侧限抗压强度和劈裂强度，并分别测试了无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验破坏时的荷载：

(1)

(2)

式中，R_c和R_i分别为无侧限抗压强度和劈裂强度；P_c和P_i分别为无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验破坏时的荷载；A为试样横截面积；d和h分别为试样直径和高度；a为压条宽度；α为压条中心角。

(2) 冲刷试验

根据JTG 3441—2024规范，冲刷试验步骤为：将养生28 d的试件在水中浸泡24 h；取出试件擦去表面水分，测量试件的质量m₀；将试件放入冲刷试验机的冲刷桶中开始试验；冲刷规定时间后，测试冲刷质量m_f。冲刷质量损失率r_s计算为：

(3)

(3) 干湿循环试验

CACSM的干湿循环试验旨在测试试样在干湿环境转变过程中的强度损失。干-湿循环试验步骤为：将养生至规定龄期的试件浸泡在水中24 h；取出试件自然风干至恒重，将风干后的试件浸泡在20 ℃的水中16 h，即一个干湿循环；重复i次后取出试件，测量i次干湿循环后试件的无侧限抗压强度。计算干湿后的强度劣化系数为：

(4)

式中，BGS为干湿循环后试样的强度劣化系数；R_G为干湿循环后试样的无侧限抗压强度。

(4) 冻融循环试验

CACSM的冻融循环试验是为了测试试样内部水在固液转化过程中的强度损失。冻融循环试验步骤为：试样固化至规定龄期后浸入水中24 h；取出试件置于―18 ℃的环境箱中冷冻16 h，然后放入20 ℃的水中解冻8 h，即为一次冻融循环；重复i次后取出试样，测量i次冻融循环后试样的无侧限抗压强度。计算冻融后的强度劣化系数为：

(5)

式中，BDS为冻融循环后试样的强度劣化系数；R_D为冻融循环后试样的无侧限抗压强度。

(5) 疲劳试验方法

采用劈裂疲劳试验测试CACSM的疲劳性能。试验程序选择应力控制模式，加载正弦荷载，荷载作用频率为15 Hz。

2 CACSM力学强度

基于前期研究得到的6种CACSM的集料配比见表 5，参照JTG 3441—2024规范测试其最大干密度和最佳含水率，采用静压法制备样品并测试其力学强度。CACSM的7 d无侧限抗压强度和劈裂强度如图 2所示，水泥剂量采用3%，4%，5%。

由图 2可见，掺加45%的0~10 mm再生骨料可显著提高CACSM的无侧限抗压强度和劈裂强度。当10~40 mm再生骨料的掺量不超过25%时，CACSM的力学强度与水泥稳定碎石相比没有明显下降。这可能是因为适量0~10 mm再生骨料中含有水泥、矿粉等活性成分，会发生水化反应或火山灰反应形成一定的额外强度，而过量0~10 mm再生骨料的掺加则会干涉CACSM的骨架结构，导致强度下降。此外，掺入10~40 mm的再生骨料后CACSM骨架结构中的天然集料部分转变为再生骨料，而再生骨料中的砖集料会降低CACSM骨架结构的稳定性，这也是10~40 mm再生骨料掺量不利于CACSM力学强度的原因。根据规范《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)对基层强度的要求，6种配比CACSM的力学强度均符合要求。这说明从力学强度的角度来看，控制10~40 mm再生骨料掺量和水泥剂量，CACSM完全可以应用于水泥稳定碎石基层。

3 环境因素下CACSM的性能劣化效应 3.1 冲刷作用

不同类型CACSM的冲刷质量损失率如图 3所示，相关系数R²大于95%。由图可见，冲洗时间T和冲洗质量损失率r_s呈现出恒定的变化规律。冲刷时长达到25 min后，r_s基本停止增加。这表明CACSM在水冲刷作用下的冲刷质量损失存在限值r_s∞。不同类型CACSM的抗冲刷性可以用r_s∞来表征。r_s随冲刷时间的变化规律为：

(6)

根据拟合结果得到的不同类型CACSM的r_s∞如表 6所示。不掺再生骨料的水泥稳定碎石(F0C0)试件的抗冲刷性能最好，这说明掺加再生骨料后，CACSM在水冲刷作用下损失质量增加。F58C0型CACSM的r_s∞最大，这可能是因为该掺入了大量再生骨料细骨料，试件表面的细颗粒较多，冲刷时损失的质量更多。相比之下，掺入再生骨料粗骨料的CACSM的抗冲刷性能更好，在水冲刷作用下，作为骨架的再生骨料粗骨料不易被水带走。此外，增加水泥剂量也是提高CACSM抗冲刷性能的重要措施。这是因为水泥的胶凝黏结作用对CACSM试样起加固作用，因此对于高再生骨料剂量的CACSM，应提高水泥剂量以确保CACSM的抗冲刷性。

3.2 干湿劣化效应

不同类型CACSM试样的BGS如图 4所示。BGS与干湿循环次数N_d之间的关系为：

(7)

式中，η为回归系数；BGS_∞为极限干湿强度劣化系数，表示CACSM在干湿循环作用下强度衰减到极限时的残留强度比。当N_d>9后，BGS趋于稳定，每种水泥剂量和配比类型的CACSM都存在一个干湿循环强度衰减的极限值。本研究采用BGS_∞来表征CACSM抗干湿循环作用的能力，不同类型CACSM试样的BGS_∞如表 7所示。

未掺入再生骨料的水泥稳定碎石(F0C0)具有最强的抗干湿循环能力，这说明再生骨料的掺入降低了CACSM在干-湿环境转变过程中抵抗荷载的能力，且随再生骨料掺量的增大BGS_∞越小。这可能是由于再生骨料具有多孔结构(见图 1)，吸水性强，内部孔隙较多，因此在饱水时进入试件内部的水分增多，风干失水的过程中，水分的流失对混合料结构产生的收缩应力增大。同时，多次饱水、失水过程，必然导致细骨料沿试件表面毛细孔流失，进一步增大了试件的空隙率，从而降低了试件的力学强度。所有类型CACSM的BGS_∞稳定在84.1%~91.8%，设计过程中按最不利条件考虑, 冻融循环劣化系数取为80%。

3.3 冻融劣化效应

不同类型CACSM试样的BDS如图 5所示。由图可见，在冻融循环作用下，CACSM试样的力学强度衰减明显，冻融循环强度衰减系数(BDS_∞)的极限值小于87%，加入再生骨料后，BDS_∞急剧下降，这表明再生骨料不利于CACSM抗冻融循环的能力。由图 5可见，当冻融循环次数超过12次时，BDS趋于稳定，基于此建立BDS与冻融循环次数之间的关系式(8)，相关性超过90%。

(8)

式中，ζ为回归系数；N_f为冻融循环次数。

不同类型CACSM的BDS_∞如表 8所示。提高水泥剂量可以增强CACSM抗冻融循环的能力。但是再生骨料掺量对抗冻性能的影响更大，F45C25的BDS_∞明显低于其他CACSM试样，这可能是因为再生骨料具有较多的空隙(见图 1)和较高的吸水性，CACSM内部的水分越多，在受到冻胀时的膨胀应力更大，受冻融循环的影响就越大。所有类型CACSM的BDS_∞稳定在63.5%~79.9%，设计过程中按最不利条件考虑, 干湿循环劣化系数取为60%。

4 荷载作用下CACSM的性能劣化效应 4.1 劈裂疲劳试验结果

对不同配比和水泥用量的CACSM试件进行了劈裂疲劳试验，CACSM试样的劈裂疲劳试验结果如表 9所示。劈裂疲劳寿命结果离散，数据不易分析。Weibull分布是一种最小不对称分布，特别适合研究疲劳寿命。这种分布密切反映了CACSM设计参数分布的规律性^[32-33]。

在使用双参数威布尔分布模型处理劈裂疲劳试验结果时，假定存在满足双参数威布尔分布的等效疲劳寿命N_e(N_e=N^1-n)，则疲劳概率P满足式(9)。式(9)可对数转化为式(10)。用两参数Weibull分布拟合表 9中的劈裂疲劳数据，得到形状参数α，比例参数β，相关系数R²(见表 10)。由表可见，等效疲劳寿命符合双参数Weibull分布，R²＞92%，根据式(10)计算出不同可靠性下的等效疲劳寿命，如图 6所示。

(9)

(10)

4.2 劈裂疲劳方程

根据已有研究，劈裂疲劳方程为：

(11)

式中，S为应力水平；N为荷载下的疲劳寿命；a和b为方程待定回归系数，a为截距，b为斜率。a越大表明试样在一定应力水平下能达到的疲劳寿命越高，试样的疲劳寿命越好；b越大表明试样在一定应力水平下的疲劳寿命越小，试样的疲劳寿命越差。建立不同类型CACSM的疲劳方程，其疲劳方程拟合参数如表 11所示。

根据表 11所示的回归系数建立了F0C0，F45C0，F45C20这3种配比CACSM(水泥用量为4%)在失效概率为50%时的疲劳方程分别为：

(12)

(13)

(14)

由表 11可见，在水泥剂量相同的情况下，F45C0的a值最大，b值最小。这表明在重复荷载作用下，F45C0的抗疲劳破坏能力优于水泥稳定碎石(F0C0)。这可能是由于水泥石与集料之间异种材料的界面缺陷容易产生应力集中，在一定应力的反复加载作用下，水泥石与集料的接触界面首先发生疲劳破坏，所以界面强度决定了水泥稳定碎石的疲劳性能。而再生骨料中的活性物质与水化产物中的Ca(OH)₂发生火山灰反应生成胶凝产物^[22]，具有一定的黏结强度，提高了界面强度，因此疲劳性能略有提高。

5 结论

本研究对CACSM在环境和荷载下的强度劣化效应进行了研究，得出如下结论。

(1) 在水泥稳定碎石中加入适量的再生骨料并不会明显降低水泥稳定碎石的力学强度，加入0~10 mm再生骨料细骨料甚至会略微提高水泥稳定碎石的力学强度，本研究的5种CACSM的力学强度均满足路面基层规范的要求。

(2) 干湿循环和冻融循环作用下CACSM具有明显的强度劣化效应，分别在9次干湿循环和12次冻融循环后强度趋于稳定；再生骨料掺量的增大会降低CACSM在干-湿环境转变及冻融循环过程中抵抗荷载的能力，CACSM的最低干湿极限劣化系数和冻融极限劣化系数分别为84.1%和63.5%。

(3) 掺45%再生骨料细集料的CACSM的疲劳寿命略高于水泥稳定碎石，这表明适量掺加再生骨料细集料不会降低CSM抵抗荷载重复作用的能力，基于威布尔分布建立了表征疲劳寿命的疲劳方程，相关系数大于92%。

(4) F45C0型CACSM在环境作用下的强度劣化性能与F0C0相差较小，在荷载作用下的疲劳耐久性甚至优于F0C0，综合考虑混合料力学性能及环境-荷载作用下耐久性能，推荐CACSM最佳配比为F45C0。

(5) F45C20在环境和荷载作用下性能劣化严重，因此在工程应用中大掺量使用再生骨料时，有必要在对环境进行调查后，分析其力学强度劣化极限值是否满足路面基层的要求。