干湿或冻融循环条件下建筑固废再生填料颗粒强度特性研究

Study on Strength Characteristics of Recycled Filler Particles from Construction Demolition Waste under Wet-Drying or Freeze-Thaw Cycles

摘要

为推进建筑固废再生填料在严苛服役环境铁路路基工程中的应用，聚焦冻融循环与干湿循环2种典型环境初始劣化作用，针对再生砖和再生混凝土填料颗粒，系统开展单颗粒破碎试验与纳米压痕试验，综合分析不同环境劣化条件（0，3，5，7，10次干湿或冻融循环）下再生填料单颗粒的宏观破碎模式、Weibull特征强度、单位体积破碎能量以及细观尺度上各相（骨料、水泥浆体与砖体）的力学性能演化规律。结果表明：再生填料单颗粒破碎模式可归纳为脆性断裂（单峰）、轻度碎裂（双峰）和重度碎裂（多峰）3类，环境劣化作用将显著提高双峰与多峰破碎模式的占比；再生混凝土颗粒的特征强度显著高于再生砖颗粒，再生砖颗粒对环境劣化（尤其是干湿循环）更为敏感；随着干湿和冻融循环次数增加，颗粒单位体积破碎能量均值整体下降，劣化后破碎能量分布趋于集中、低能量破碎占比增大；细观尺度上，再生混凝土颗粒中骨料的压痕硬度与模量最大，砖体次之，水泥浆体最小，环境劣化对各组分力学性能的影响程度从大到小依次为砖体、水泥浆体和骨料。研究结果可为铁路路基工程中建筑固废再生填料的级配设计与耐久性优化提供理论依据与技术支撑。

Abstract

To promote the application of recycled filler particles from construction demolition waste in railway subgrade engineering subjected to harsh service environments, this study focuses on the initial deterioration effects induced by two typical environmental actions: freeze-thaw cycles and wetting-drying cycles. Systematic single-particle crushing tests and nanoindentation tests were conducted on recycled brick and recycled concrete aggregate particles. A comprehensive analysis was performed on the macro-scale fracture patterns, Weibull characteristic strength, crushing energy per unit volume, and the evolution of mechanical properties of different microscopic phases (including aggregate, cement paste, and brick matrix) under varying environmental degradation conditions (0, 3, 5, 7, and 10 freeze-thaw or wet-drying cycles). The results indicate that the fracture modes of single recycled filler aggregate particles can be classified into three types: brittle fracture (single peak), mild fragmentation (double peak), and severe fragmentation (multiple peaks). Environmental degradation significantly increases the proportion of double-peak and multiple-peak fracture modes. The characteristic strength of recycled concrete particles is significantly higher than that of recycled brick particles, and the latter exhibits greater sensitivity to environmental deterioration, especially wetting-drying cycles. As the number of freeze-thaw or wet-drying cycles increases, the mean crushing energy per unit volume of particles generally decreases. After degradation, the distribution of crushing energy tends to concentrate, and the proportion of low-energy fractures increases. At the microscopic scale, the indentation hardness and modulus of the aggregate phase in recycled concrete particles are the highest, followed by the brick matrix, with cement paste showing the lowest values. Environmental degradation affects the mechanical properties of the constituent phases in the following descending order: brick matrix, cement paste, and aggregate. The findings of this study provide theoretical insights and technical support for the gradation design and durability optimization of recycled filler from construction demolition waste in railway subgrade engineering.

Graphical abstract

关键词

铁路路基 / 建筑固废 / 再生填料 / 环境劣化 / 单颗粒破碎 / 宏细观强度

Key words

Railway subgrade / Construction demolition waste / Recycled filler / Environmental deterioration / Single particle crushing / Macro- and micro-scopic strength

为贯彻落实绿色发展的基本国策，国家行政机关相继制定了多项强制政策，对石料、砂土等天然矿产资源的开采进行严格管控，公路、铁路等交通基础设施的建设面临着无石、无土可用的局面；同时，国家相关部门也已颁布《推动铁路行业低碳发展实施方案》，强调要推动绿色铁路建设，促进建筑固废材料在铁路基础设施建设中的高质量、大规模应用^［1-5］。

目前，建筑固废再生填料在公路领域中的应用已较为广泛和成熟，但相较于公路，铁路建设针对路基的压实质量和工后服役性能的要求更为严苛。然而，建筑固废再生颗粒存在易破碎、变异性大以及组成复杂等固有缺陷，其强度和耐久性均在一定程度上劣于天然碎石料^［6-7］。再生颗粒在荷载与环境耦合作用下会发生磨耗和破碎，改变路基填料整体级配，进而影响铁路路基的服役性能^［8］。再生填料颗粒的破碎特性研究是了解其所组成的单元体和结构体强度和变形特性的基础，也是数值模型参数标定和本构模型建立的主要依据^［9-13］，对于评判再生颗粒是否满足铁路路基在复杂服役环境下的承载力和变形限值规范要求具有重要意义。

大量室内试验和数值模拟研究表明，天然及再生填料等散体材料颗粒的粒径、形貌特征、初始微观结构以及材质组成等，是决定其颗粒强度和破碎模式的主导因素^［14-15］。现有研究分析了颗粒材料的破碎模式^［9］，并通过Weibull理论建立单颗粒强度与颗粒尺寸和形状参数的关联模型^［16-17］，基本揭示了单颗粒破碎特性的影响因素和影响机制^［18-20］。另外，有部分学者考虑了环境对岩土颗粒材料破碎特性的劣化效应，曾铃等^［21-22］探究了不同浸水时间和粒径条件下，炭质泥岩单颗粒的破碎强度、破碎模式、破碎能量及分形特征演变规律。除宏观破碎强度特性外，通过纳米压痕试验可补充说明单颗粒各组分的细观强度特性，陈峰等^［23］测试了玻璃珠的杨氏模量，并开展超声波波速试验验证了纳米压痕试验的可靠性。周浪等^［24］对红页岩中的4种矿物成分进行了压痕模量测试，并分析了矿物颗粒在受载作用后的开裂方向。

综上，针对建筑固废再生填料单颗粒破碎特性的研究局限在颗粒粒径和几何形状对破碎强度的影响方面，对于从环境耐久性和组分细观力学性能的角度去揭示建筑固废再生填料颗粒破碎特性的研究仍较为匮乏。

本文针对再生砖和再生混凝土颗粒，开展了不同环境初始劣化条件下的颗粒破碎试验和纳米压痕试验，系统研究环境初始劣化对再生填料单颗粒的破碎模式、破碎强度、破碎能量以及压痕硬度和压痕模量的综合影响，并基于Weibull分布函数统计分析再生填料单颗粒破碎的初始环境劣化效应。该研究旨在揭示冻融或干湿循环对再生填料单颗粒宏观破碎强度与细观组分硬度和模量的影响机制，填补再生填料颗粒多尺度强度的环境劣化效应研究空白，研究成果可为铁路路基建筑固废再生填料的耐久性设计提供依据，推进再生砖和再生混凝土颗粒在铁路路基工程的广泛应用。

1 试验材料与试验方案

1.1　试验材料

试验材料为由建筑拆除废弃物破碎而成的再生砖颗粒和再生混凝土颗粒，来源于郑州某建筑垃圾再生加工处理厂。分别对再生砖和再生混凝土颗粒进行室内筛分试验，得到不同粒径的再生砖和再生混凝土颗粒，如图1所示。

通过蓝光扫描仪获取再生砖和再生混凝土颗粒的三维模型，计算并统计其球度^［25］R和长宽比^［26］E，球度用于表征单颗粒外观形态，反映颗粒形状接近理想球体的程度，长宽比是另一种衡量颗粒形状的无量纲指标，它反映颗粒的伸长程度或形状各向异性程度，其计算式分别见式（1）和式（2）。

R=\sqrt[\mathrm{3}]{\frac{IS}{L^{\mathrm{2}}}}（1）

E=\frac{L}{S}（2）

式中：L，I和S分别为颗粒的长轴、中轴和短轴长度。

为保证所测试颗粒具有代表性，选择再生砖颗粒和再生混凝土颗粒各150个进行形状量化。图2为再生砖和再生混凝土颗粒的球度和长宽比的概率密度分布曲线。由图2可知，建筑固废再生填料颗粒的球度主要分布在0.8~1.2，长宽比主要分布在1.0~1.5之间。本文着重考虑环境劣化效应，暂不考虑颗粒形貌特征对颗粒破碎特性的影响，因此仅针对粒径范围19.0~31.5 mm且球度范围为0.8~1.2、长宽比范围为1.0~1.5的再生砖和再生混凝土颗粒开展单颗粒破碎试验。

1.2　试验方案及流程

如图3所示，试验流程共包括以下4个部分：①挑选再生颗粒并预先进行冻融或干湿循环，冻融和干湿循环无先后顺序，单独开展；②冻融或干湿循环前后的质量损失率和吸水率测试；③单颗粒破碎试验；④纳米压痕试验。

各部分试验流程如下。

1）冻融或干湿循环

如图3（b）所示，针对再生砖颗粒和再生混凝土颗粒分别进行冻融或干湿循环，循环次数设置为3，5，7和10次。为保证试验结果的可靠性和数据统计的显著性，平行试验组的数量设置为30。

冻融循环步骤：将真空饱和后的颗粒放置于塑料盆中，并用保鲜膜封装后放入温控箱中，冻结过程控制环境温度为-20 ℃，保持12 h；融化过程控制环境温度为20 ℃，保持12 h，颗粒由常温到冻结再到融化记为1次冻融循环。

干湿循环步骤：将试样颗粒进行24 h真空饱和，然后放入烘箱，每2 h进行1次称重，直至颗粒质量不发生改变，烘箱温度恒定为40 ℃，此记为1次干湿循环。

2）质量损失率和吸水率测试

质量损失率测试方法：分别称取30个再生砖和再生混凝土颗粒烘干后的总质量，待干湿或冻融循环结束后，取出试样颗粒烘干，再称取其质量，2次质量差除以初始烘干后质量为颗粒质量损失率。

吸水率测试方法：同样称取30个再生砖和再生混凝土颗粒烘干后的总质量，然后将试样颗粒放入真空饱和筒中浸水饱和，保持24 h后，取出试样颗粒，用滤纸擦去颗粒表面水分后，称取其质量，2次质量之差除以初始烘干后质量为颗粒初始吸水率，随后按照同样的方法计算不同干湿/冻融循环次数后颗粒的吸水率。

3）单颗粒加载测试

如图3（c）所示，单颗粒压缩试验所采用的试验仪器为电缸式伺服加载系统，最大荷载为50 kN，可通过力或位移控制的方式施加目标荷载。将试样颗粒与加载压头中心对齐，并平稳放置在试样平台后，通过预加载的模式调节压头与颗粒顶部完全接触，随后以0.5 mm · min^-1的恒定速率进行加载，当力-位移曲线突然下降时停止加载。

4）纳米压痕试验

试验仪器采用中南大学高等试验中心的瑞士UNHT+MCT型压痕仪，试验流程为：首先清洗颗粒表面，然后对颗粒进行切割和抛光，固定样品于载物台后，通过扫描探针确定目标测试区域，并设置载荷和加载速率进行压痕测试。图4为本次纳米压痕试验的加载路径及压痕深度-荷载力关系曲线。测试共分为加载、保载和卸载3个阶段，采用连续刚度测量模式，最大荷载5 mN，加载30 s，保载15 s，卸载30 s。

根据Oliver-Pharr理论模型，压痕硬度H_IT和压痕模量E_IT的计算式如下。

H_{\mathrm{I}\mathrm{T}}=\frac{P_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{A_{\mathrm{c}}{h}_{\mathrm{c}}}（3）

E_{\mathrm{I}\mathrm{T}}=\frac{\sqrt[]{\mathrm{\pi }}}{\mathrm{2}\beta }\frac{S}{\sqrt[]{A_{\mathrm{c}}{h}_{\mathrm{c}}}}（4）

其中，

A_{\mathrm{c}}=\mathrm{24.56}{h}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{2}}

h_{\mathrm{c}}=h_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-\epsilon \frac{P_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{X}

式中：P_max为最大压入载荷，本试验为5 mN；A_c为接触深度对应的投影接触面积，μm²；h_c为卸载曲线对应的理论最大压痕深度，nm；h_max为最大压痕深度，nm；X为卸载曲线斜率，mN · nm^-1；H_IT为压痕硬度，GPa；E_IT为压痕模量，GPa；ε和β为与压头形状相关的常数，对于Berkovich压头，ε=0.75，β=1.05；S为卸载曲线的初始斜率，mN · nm^-1，可通过荷载-压痕深度曲线计算。

图5为再生混凝土颗粒和再生砖颗粒试样测试面放大图像。图5（a）中浅色区域为水泥浆体，深色区域为骨料，再生混凝土颗粒试样的测试点对称分布于界面过渡区；再生砖颗粒试样的测试点选择平整度较高的区域，图5（b）中深色区域为砖颗粒表面的孔隙。每个砖颗粒试样共设置10个测试点，横向测点间距为20 μm，纵向为25 μm；混凝土颗粒试样在过渡区的水泥浆体和骨料区域各对称设置10个测试点，每个混凝土颗粒试样共设置20个测试点。

2 单颗粒宏观破碎强度特性

2.1　破碎模式

典型的建筑固废再生填料单颗粒破碎力-位移曲线如图6和图7所示。总体来看，再生填料单颗粒的力-位移曲线呈现单峰值、双峰值以及多峰值3种情况，分别对应脆性断裂、轻度碎裂以及重度碎裂3类破碎模式，再生填料单颗粒不同类型的破碎模式如图8和图9所示。单峰值和双峰值力-位移曲线分别有1个和2个明显的峰值点，颗粒在1声或2声清脆的响声后发生断裂；而多峰值力-位移曲线存在多个峰值点，颗粒最终碎裂成大小不一的小颗粒。再生混凝土颗粒的力-位移曲线相对较为平滑，无论是单峰值或多峰值力-位移曲线，初始加载阶段力随位移呈线性增大，且不同破碎模式间的峰值力差值明显大于再生砖颗粒；再生砖颗粒的力-位移曲线毛刺明显较多，力随位移的增长波动较大，再生砖颗粒与加载板之间的接触表面在加载过程中剥落，形成粉末状的细小颗粒，而再生混凝土颗粒破碎后主要形成块状子颗粒。

对再生填料单颗粒破碎模式进行统计分析，结果见表1。从表中可以看出，再生填料颗粒的力-位移曲线型式以单峰值破碎模式为主，双峰值和多峰值占比相当。其中，常温干燥条件下，再生混凝土颗粒中单、双和多峰值破碎模式的颗粒数量占比分别为56.67%，16.67%和26.67%，再生砖颗粒中单、双和多峰值破碎模式的颗粒数量占比分别为60.00%、20.00%和20.00%；冻融循环将导致再生砖和再生混凝土颗粒破坏模式由脆性断裂逐渐转向韧性碎裂，再生砖颗粒的单峰破碎型占比下降程度更明显，2种颗粒的双峰值型力-位移曲线占比均有所提高；相较于冻融循环，干湿循环将导致再生砖和再生混凝土颗粒主要表现为压碎型破碎，尤其是再生砖颗粒，当历经10次干湿循环后，再生砖颗粒单峰破碎型占比由常温干燥条件下的60.00%下降至16.67%，而双峰或多峰破碎模式占比增大，相较于再生混凝土颗粒，再生砖颗粒在干湿循环后的多峰破碎型式占比增长幅度更大。结合试验实际情况可知，再生砖颗粒在浸水-干燥重复循环后，硬度和强度已明显降低，颗粒在加载过程中不断掉落粉末状小颗粒，加载结束时颗粒已基本被压碎。

2.2　破碎强度

参考目前常用的单颗粒破碎强度计算方法^［8］，本文中的单颗粒强度计算式如式（5）所示，值得说明的是，本文统一采用力-位移曲线中的力的最大值作为式（5）中的F_max。

{\sigma }_{\mathrm{f}}=\frac{F_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{d^{\mathrm{2}}}（5）

其中，

d=\sqrt[\mathrm{3}]{LIS}

式中：σ_f为颗粒破碎强度。

为分析再生砖和再生混凝土颗粒破碎强度的统计分布规律，采用Weibull函数对试验测试数据进行拟合，Weibull函数如下。

P_{\mathrm{s}}=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left[-{\left(\frac{{\sigma }_{\mathrm{f}}}{{\sigma }_{\mathrm{0}}}\right)}^m\right]（6）

式中：P_s为残存概率，表示某一荷载水平下未破碎的颗粒数量；σ₀为颗粒破碎的特征强度；m为Weibull模量，表示颗粒破碎强度分布的离散性，m越大代表数据分布离散性越小。

不同冻融或干湿循环次数条件下再生砖颗粒和再生混凝土颗粒破碎强度残存概率分别如图10和图11所示。

由图10和图11可知，当再生砖或再生混凝土颗粒历经冻融或干湿循环后，其单颗粒强度分布曲线相比未历经初始环境劣化的向左偏移，随着冻融或干湿循环次数的增加，再生填料颗粒强度整体均呈现出不同程度的降低，相较于冻融循环，干湿循环将导致再生填料颗粒强度出现更大幅度的下降；再生混凝土颗粒抵抗冻融或干湿循环劣化作用的能力较强，尽管其强度在冻融或干湿循环后会有下降，但下降的程度明显小于再生砖颗粒；再生砖颗粒破碎强度主要分布在0~4 MPa之间，而再生混凝土颗粒破碎强度分布更广（0~8 MPa），可能的原因是再生混凝土颗粒是由粗、细骨料以及水泥浆体组成，水泥浆体与骨料间的硬度存在较大差异，而各组分占比随机，导致再生混凝土颗粒强度离散性更显著。

图12展示了环境劣化后再生砖颗粒和再生混凝土颗粒破碎强度Weibull分布的特征强度及Weibull模量的对比情况。

由图12（a）可知，未经环境初始劣化的再生砖颗粒的特征强度为2.73 MPa，经历5次和10次冻融循环后，再生砖颗粒的特征强度分别为2.19和1.40 MPa，相比未经环境初始劣化条件下的强度分别下降19.62%和48.54%，表明冻融循环对于颗粒强度的劣化主要发生在5~10次循环之间，前5次冻融循环并不会显著地降低再生砖颗粒的强度；经历5次和10次干湿循环后，再生砖颗粒的特征强度分别为1.29和0.76 MPa，相较于环境初始劣化条件下的强度分别下降52.57%和72.14%，可见，干湿循环对于再生砖颗粒强度的劣化程度显著大于冻融循环。

由图10（b）可知，未经环境初始劣化的再生混凝土颗粒的特征强度为4.16 MPa，为再生砖颗粒的特征强度的1.53倍；经历5次和10次冻融循环后，再生混凝土颗粒的特征强度分别为3.23和2.20 MPa，相比未经环境初始劣化条件下的强度分别下降22.41%和47.12%；经历5次和10次干湿循环后，再生混凝土颗粒的特征强度分别为2.63和1.86 MPa，相较于环境初始劣化条件下的强度分别下降36.79%和55.33%。

整体而言，初始环境劣化对于再生混凝土颗粒的影响小于再生砖颗粒，干湿循环条件下的劣化程度大于冻融循环，历经冻融循环作用后的再生混凝土颗粒的力-位移曲线的类型和颗粒破碎的模式并未表现出类似再生砖颗粒的多峰型（压碎破坏）占比显著提升的现象。

再生砖颗粒在不同环境劣化条件下的Weibull模量范围为0.42~0.73，极差为0.31；再生混凝土颗粒在不同环境劣化条件下的Weibull模量范围为0.90~1.56，极差为0.66。Weibull模量越大，表明数据的分散程度和变异性越小。结合图10和图11中再生填料颗粒强度的残存概率可知，在未历经环境劣化时，再生砖颗粒强度的变异性大于再生混凝土颗粒，但再生混凝土颗粒的强度分布范围更大；历经冻融或干湿循环后，由于温湿度变化对颗粒内部各组分的强度或孔隙结构产生了不同程度的影响，导致再生填料颗粒强度的变异性进一步增大。从Weibull模量的变化率来看，冻融循环10次后，再生砖和再生混凝土颗粒强度的Weibull模量分别降低22.04%和31.92%；干湿循环10次后，再生砖和再生混凝土颗粒强度的Weibull模量分别降低43.13%和42.00%，可见，干湿循环对再生填料颗粒强度的变异性影响更大，而冻融循环对再生砖颗粒强度的变异性影响稍弱。

2.3　破碎能量

单颗粒的破碎能量表示颗粒破碎时外界对颗粒做的功，可以反映颗粒破碎的难易程度。本文采用式（7）计算建筑固废再生填料颗粒的单位体积破碎能量E_f-unit。

E_{\mathrm{f}-\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{t}}=\frac{E_{\mathrm{f}}}{LIS}（7）

其中，

E_{\mathrm{f}}={\int }_{\mathrm{0}}^{D}F\mathrm{d}D

式中：E_f为颗粒破碎能量，mJ；F为轴向力，kN；D为轴向位移，mm；E_f-uint为颗粒单位体积破碎能量，mJ · mm^-3。

颗粒破碎能量E_f通过对试验测试所得力-位移曲线积分得到，如图13所示。

图14和图15分别为不同冻融和干湿循环次数条件下，建筑固废再生填料颗粒单位体积破碎能量概率分布曲线。表2为颗粒单位体积破碎能量概率分布的统计参数，其中，峰度用于衡量数据分布的集中程度，峰度越小表明数据分布越离散；偏度用于衡量数据分布的对称性，正偏（右偏）分布表示数据分布的尾部向右延伸，极端值分布在右侧，数据的均值小于中位数。

由图14、图15和表2可知，随着冻融和干湿循环次数的增加，再生砖和再生混凝土颗粒的单位体积破碎能量均值均有不同程度的降低，干湿循环导致的单位体积能量均值下降率大于冻融循环；冻融和干湿循环均会导致颗粒单位体积破碎能量分布曲线的偏度下降，表明曲线分布左偏，破碎能量的极端值主要分布在中位值左侧，破碎能量下降幅度更大，相比于再生混凝土颗粒，再生砖颗粒在初始环境劣化后的破碎能量分布曲线偏度值下降更为显著；再生填料颗粒单位体积破碎能量分布曲线的峰度值随冻融和干湿循环次数的增加而增大，表明历经环境初始劣化后，颗粒能量的分布越集中，分析原因可能为，由于颗粒形貌特征的差异，未经历环境初始劣化的颗粒破碎能量分布较为离散，当颗粒经过不同次数的冻融和干湿循环后，颗粒破碎能量均有明显的下降，导致颗粒形貌对破碎能量造成的离散性减弱，颗粒破碎能量的变化主要由环境劣化因素决定。

3 单颗粒物理性质及细观强度特性

3.1　吸水率及质量损失率

图16和图17分别为不同干湿、冻融循环次数前后，再生砖颗粒和再生混凝土颗粒的吸水率和质量损失率变化情况。由图可知，再生砖颗粒和再生混凝土颗粒在初始状态下的吸水率分别为13.2%和5.83%，反映出再生砖颗粒具有更显著的孔隙结构。历经5次和10次冻融循环后，再生砖颗粒的吸水率分别增加12.41%和18.67%，再生混凝土颗粒的吸水率增幅小于再生砖颗粒，分别增加5.62%和7.44%；干湿循环对于再生填料颗粒吸水性的影响大于冻融循环，历经10次干湿循环后，再生砖颗粒和再生混凝土颗粒的吸水率增幅分别为23.75%和8.63%，可见，干湿循环对再生砖颗粒孔隙结构的劣化（如微裂纹扩展、孔隙连通）作用更为剧烈。

质量损失率反映了环境劣化造成的颗粒表面剥落与物质损失，试验过程中发现，环境劣化后，再生砖颗粒表面有细小颗粒发生掉落，而再生混凝土颗粒表面仅有部分水泥浆体剥落。再生混凝土颗粒的质量损失率明显小于再生砖颗粒，当历经10次干湿循环后，其质量损失率最大，为1.99%；再生砖颗粒在历经5次干湿循环后，其质量损失率有明显的增大，当历经10次干湿循环后，其质量损失率最大，为6.34%。

3.2　硬度及压痕强度

图18~图20分别为不同环境劣化条件下再生砖、再生混凝土颗粒骨料和水泥浆体测试区域的压痕硬度与模量对比情况。

由图18可知，未经环境劣化的再生砖颗粒的压痕硬度均值和压痕模量均值分别为2.43和33.15 GPa。经历5次和10次冻融循环后，再生砖颗粒的压痕硬度均值分别下降39.98%和73.63%，压痕模量均值分别下降43.58%和52.92%；经历5次和10次干湿循环后，再生砖颗粒的压痕硬度均值分别下降44.40%和81.75%，再生砖颗粒的压痕模量均值分别下降47.76%和67.75%。

由图19和图20可知，再生混凝土颗粒骨料和水泥浆体区域的压痕硬度和模量相差较大，且对于环境裂化的敏感性也存在较大差异。未经环境劣化的骨料区域的压痕硬度均值和压痕模量均值分别为9.06和79.06 GPa，水泥浆体区域的压痕硬度均值和压痕模量均值分别为1.51和26.52 GPa。经历5次和10次冻融循环后，骨料区域的压痕硬度均值分别下降37.36%和54.71%，压痕模量下降幅度分别为14.92%和44.11%；经历5次和10次干湿循环后，骨料区域的压痕硬度均值下降幅度分别为43.81%和58.22%，压痕硬度下降幅度分别为25.14%和56.10%。而水泥浆体区域的压痕硬度和压痕模量在环境劣化后下降更为明显，在10次冻融循环后，水泥浆体区域的压痕硬度和压痕模量均值分别下降65.16%和52.92%，而干湿循环的劣化效应更为显著，10次干湿循环后，水泥浆体区域的压痕硬度和压痕模量均值分别下降75.28%和58.79%。

统计发现，再生颗粒各组分的压痕硬度与模量排序为：再生混凝土骨料>砖体>再生混凝土水泥浆体。干湿循环对再生颗粒各组分的压痕强度和模量的劣化作用均强于冻融循环，环境劣化对于再生填料各组分的影响程度排序为：砖>混凝土水泥浆体>混凝土骨料。

4 结论

（1）再生填料单颗粒破碎模式可归纳为脆性断裂（单峰力-位移曲线）、轻度碎裂（双峰）和重度碎裂（多峰）3类。未经环境劣化时，再生颗粒以单峰破坏模式为主，环境劣化作用，尤其是干湿循环，将导致双峰与多峰破碎模式占比上升，再生砖颗粒在环境劣化后多峰（压碎型）模式占比增加现象尤为显著，表明再生填料在干湿循环条件下更易发生压碎型破坏，对铁路路基长期稳定性不利。

（2）再生混凝土颗粒的特征强度（4.16 MPa）约为再生砖颗粒（2.73 MPa）的1.53倍，冻融与干湿循环均导致2类颗粒特征强度显著降低，且干湿循环的劣化程度大于冻融循环。环境劣化增大了颗粒强度的离散性，且再生混凝土颗粒在冻融与干湿循环作用下的劣化程度明显小于再生砖颗粒，表明再生混凝土颗粒在严苛服役环境下具有更优的力学稳定性和耐久性；再生砖颗粒则更适用于环境作用相对较弱的应用场景和结构层位。

（3）随冻融和干湿循环次数增加，2类颗粒的单位体积破碎能量均值均呈下降趋势，干湿循环导致的下降幅度大于冻融循环。环境劣化改变了破碎能量分布特征：分布曲线偏度降低（左偏，低能量占比增大），峰度增大（分布更集中）。相比于再生混凝土颗粒，再生砖颗粒在劣化后破碎能量分布偏度的下降更为显著，颗粒形貌差异对破碎能量离散性的影响在劣化后减弱，表明再生填料在长期环境作用下的抗破碎能力持续削弱，该结果可为铁路路基填料服役寿命评估及动力荷载分析提供参数依据。

（4）冻融或干湿循环作用将导致再生砖颗粒的吸水率和质量损失率显著增大。再生颗粒各组分的压痕硬度与模量排序为：再生混凝土骨料>再生砖砖体>再生混凝土水泥浆体；环境劣化对于再生填料各组分的影响程度排序为：再生砖砖体>再生混凝土水泥浆体>再生混凝土骨料。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52578542)

湖南省自然科学基金资助项目(2024JJ2073)

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2024YJ173)

中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2023ZZTS0019)