硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (7): 2561-2572.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1285
申彦利1,2(
), 魏冠超1, 王鹏1(), 王嘉炜1, 徐磊3, 王辉3, 王志岭3, 卫爱魁3
收稿日期:2025-12-23
修订日期:2026-02-11
出版日期:2026-07-15
发布日期:2026-08-13
通信作者:
王 鹏，博士，讲师。E-mail：wangpeng269@hebeu.edu.cn作者简介:申彦利（1977—），男，博士，教授。主要从事固废路基材料的研究。E-mail：shenyanli@hebeu.edu.cn
基金资助:
SHEN Yanli1,2(), WEI Guanchao1, WANG Peng1(), WANG Jiawei1, XU Lei3, WANG Hui3, WANG Zhiling3, WEI Aikui3
Received:2025-12-23
Revised:2026-02-11
Published:2026-07-15
Online:2026-08-13
摘要：
为实现废旧道路混凝土再生骨料在道路基层中的资源循环利用，采用试验分析和人工智能相结合的方法，研究不同水泥掺量（3.50%、4.50%、5.50%，质量分数）和再生骨料掺量（4.15%、56.20%、78.10%、100.00%，质量分数）对废旧道路混凝土再生骨料水泥稳定碎石的最大干密度、最佳含水率、无侧限抗压强度、抗压回弹模量和劈裂强度的影响，基于机器学习与遗传算法（GA）构建再生骨料水泥稳定碎石7、90 d无侧限抗压强度预测和级配优化模型。结果表明：水泥掺量越高，再生骨料水泥稳定碎石的力学性能越好；再生骨料掺量提高会降低水泥稳定碎石的最大干密度并提高最佳含水率；适量再生骨料可提升水泥稳定碎石的7、90 d无侧限抗压强度和90 d劈裂强度，而抗压回弹模量随再生骨料掺量的增加逐渐降低，当再生骨料掺量为78.10%、水泥掺量为5.50%时，7、90 d无侧限抗压强度代表值分别为4.24、7.07 MPa，90 d劈裂强度与抗压回弹模量分别为0.64、1 925 MPa，均满足相关规范要求。根据再生骨料水泥稳定碎石力学性能的分析结果，选择随机森林模型结合遗传算法的方式进行级配优化，得到最优配合比下7 d无侧限抗压强度预测值为5.82 MPa。
中图分类号:
申彦利, 魏冠超, 王鹏, 王嘉炜, 徐磊, 王辉, 王志岭, 卫爱魁. 再生骨料水泥稳定碎石力学性能分析与最优配合比预测[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(7): 2561-2572.
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| Aggregate | Apparent density/（g·cm-3） | Water absorption/% | Needle sheet mass fraction/% | Crushing value/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
19.00~ 26.50 mm | 9.50~< 19.00 mm | 4.75~< 9.50 mm | 19.00~ 26.50 mm | 9.50~< 19.00 mm | 4.75~< 9.50 mm | 19.00~ 26.50 mm | 9.50~< 19.00 mm | 4.75~< 9.50 mm | 9.50~ 13.20 mm | |
| Natural aggregate | 2.777 | 2.725 | 2.736 | 1.38 | 0.49 | 0.81 | 6.9 | 8.7 | 13.9 | 23.10 |
| Recycled aggregate | 2.643 | 2.659 | 2.649 | 2.29 | 2.97 | 3.72 | 8.1 | 15.8 | 17.1 | 24.50 |
表 1 粗集料性能
Table 1 Properties of coarse aggregate
| Aggregate | Apparent density/（g·cm-3） | Water absorption/% | Needle sheet mass fraction/% | Crushing value/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
19.00~ 26.50 mm | 9.50~< 19.00 mm | 4.75~< 9.50 mm | 19.00~ 26.50 mm | 9.50~< 19.00 mm | 4.75~< 9.50 mm | 19.00~ 26.50 mm | 9.50~< 19.00 mm | 4.75~< 9.50 mm | 9.50~ 13.20 mm | |
| Natural aggregate | 2.777 | 2.725 | 2.736 | 1.38 | 0.49 | 0.81 | 6.9 | 8.7 | 13.9 | 23.10 |
| Recycled aggregate | 2.643 | 2.659 | 2.649 | 2.29 | 2.97 | 3.72 | 8.1 | 15.8 | 17.1 | 24.50 |
| Aggregate | Apparent density/（g·cm-3） | Water absorption/% |
|---|---|---|
| Natural aggregate | 2.757 | 2.41 |
| Recycled aggregate | 2.719 | 2.74 |
表2 细集料性能
Table 2 Properties of fine aggregate
| Aggregate | Apparent density/（g·cm-3） | Water absorption/% |
|---|---|---|
| Natural aggregate | 2.757 | 2.41 |
| Recycled aggregate | 2.719 | 2.74 |
| Testing index | Chloride mass fraction/% | Stability/% | Setting time/min | Flexural strength/MPa | Compressive strength/MPa | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Initial | Final | 3 d | 28 d | 3 d | 28 d | |||
| Measured value | 0.048 | 0.2 | 264 | 437 | 4.7 | Qualified | 16.8 | Qualified |
表3 P·SS 32.5钢渣矿渣硅酸盐水泥指数指标
Table 3 Index indicators of P·SS 32.5 steel slag granulated blast furnace slag portland cement
| Testing index | Chloride mass fraction/% | Stability/% | Setting time/min | Flexural strength/MPa | Compressive strength/MPa | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Initial | Final | 3 d | 28 d | 3 d | 28 d | |||
| Measured value | 0.048 | 0.2 | 264 | 437 | 4.7 | Qualified | 16.8 | Qualified |
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | Recycled aggregate mass fraction of different particle sizes/% | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0~<4.75 mm | 4.75~<9.50 mm | 9.50~<19.00 mm | 19.00~26.50 mm | |||
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 0 | 0 | 3.00 | 1.15 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 27.00 | 8.00 | 12.00 | 9.20 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 27.00 | 14.00 | 21.00 | 16.10 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 27.00 | 20.00 | 30.00 | 23.00 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 27.00 | 8.00 | 12.00 | 9.20 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 27.00 | 14.00 | 21.00 | 16.10 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 27.00 | 20.00 | 30.00 | 23.00 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 27.00 | 8.00 | 12.00 | 9.20 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 27.00 | 14.00 | 21.00 | 16.10 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 27.00 | 20.00 | 30.00 | 23.00 |
表4 试件分组与材料掺量
Table 4 Specimen grouping and material content
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | Recycled aggregate mass fraction of different particle sizes/% | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0~<4.75 mm | 4.75~<9.50 mm | 9.50~<19.00 mm | 19.00~26.50 mm | |||
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 0 | 0 | 3.00 | 1.15 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 27.00 | 8.00 | 12.00 | 9.20 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 27.00 | 14.00 | 21.00 | 16.10 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 27.00 | 20.00 | 30.00 | 23.00 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 27.00 | 8.00 | 12.00 | 9.20 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 27.00 | 14.00 | 21.00 | 16.10 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 27.00 | 20.00 | 30.00 | 23.00 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 27.00 | 8.00 | 12.00 | 9.20 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 27.00 | 14.00 | 21.00 | 16.10 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 27.00 | 20.00 | 30.00 | 23.00 |
图1 最大干密度
Fig.1 Maximum dry density
图2 最佳含水率
Fig.2 Optimal moisture content
图3 水泥掺量对最佳含水率和最大干密度影响
Fig.3 Effect of cement content on optimal moisture content and maximum dry density
图4 再生骨料掺量对最佳含水率和最大干密度影响
Fig.4 Effect of recycled aggregate content on optimal
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | Maximum dry density/ （g·cm-3） | Optimal moisture mass fraction/% |
|---|---|---|---|---|
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 2.381 5 | 5.64 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 2.261 0 | 6.16 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 2.227 3 | 6.46 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 2.215 3 | 7.16 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 2.258 7 | 6.04 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 2.223 2 | 6.40 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 2.214 3 | 7.02 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 2.268 2 | 6.72 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 2.240 9 | 7.16 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 2.238 9 | 7.23 |
表 5 击实试验方案及结果
Table 5 Compaction test plan and results
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | Maximum dry density/ （g·cm-3） | Optimal moisture mass fraction/% |
|---|---|---|---|---|
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 2.381 5 | 5.64 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 2.261 0 | 6.16 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 2.227 3 | 6.46 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 2.215 3 | 7.16 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 2.258 7 | 6.04 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 2.223 2 | 6.40 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 2.214 3 | 7.02 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 2.268 2 | 6.72 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 2.240 9 | 7.16 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 2.238 9 | 7.23 |
图 5 再生骨料掺量对7 d无侧限抗压强度代表值的影响
Fig.5 Effect of recycled aggregate content on 7 d unconfined compressive strength representative value
图 6 再生骨料掺量对90 d无侧限抗压强度代表值的影响
Fig.6 Effect of recycled aggregate content on 90 d unconfined compressive strength representative value
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | 7 d unconfined compressive strength representative value/MPa | 90 d unconfined compressive strength representative value/MPa |
|---|---|---|---|---|
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 4.04 | 5.03 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 4.10 | 5.61 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 4.18 | 6.43 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 3.54 | 4.89 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 3.54 | 4.90 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 3.78 | 5.19 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 3.19 | 4.37 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 4.17 | 6.37 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 4.24 | 7.07 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 3.87 | 6.00 |
表 6 无侧限抗压强度试验结果
Table 6 Test results of unconfined compressive strength
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | 7 d unconfined compressive strength representative value/MPa | 90 d unconfined compressive strength representative value/MPa |
|---|---|---|---|---|
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 4.04 | 5.03 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 4.10 | 5.61 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 4.18 | 6.43 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 3.54 | 4.89 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 3.54 | 4.90 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 3.78 | 5.19 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 3.19 | 4.37 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 4.17 | 6.37 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 4.24 | 7.07 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 3.87 | 6.00 |
图7 抗压回弹模量试验结果
Fig.7 Results of compressive resilience modulus
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | 90 d compressive resilience modulus/MPa |
|---|---|---|---|
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 2 278 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 2 169 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 1 855 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 1 616 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 2 024 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 1 742 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 1 447 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 2 258 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 1 925 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 1 729 |
表 7 90 d抗压回弹模量试验结果
Table 7 Test results of 90 d compressive resilience modulus
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | 90 d compressive resilience modulus/MPa |
|---|---|---|---|
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 2 278 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 2 169 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 1 855 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 1 616 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 2 024 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 1 742 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 1 447 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 2 258 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 1 925 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 1 729 |
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | 90 d splitting strength/MPa |
|---|---|---|---|
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 0.54 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 0.56 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 0.63 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 0.55 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 0.51 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 0.57 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 0.50 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 0.58 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 0.64 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 0.56 |
表8 90 d劈裂强度试验结果
Table 8 Test results of 90 d splitting strength
| Gradation | Cement mass fraction/% | Total recycled aggregate mass fraction/% | 90 d splitting strength/MPa |
|---|---|---|---|
| RACS-0 | 4.50 | 4.15 | 0.54 |
| RACS-1 | 4.50 | 56.20 | 0.56 |
| RACS-2 | 4.50 | 78.10 | 0.63 |
| RACS-3 | 4.50 | 100.00 | 0.55 |
| RACS-4 | 3.50 | 56.20 | 0.51 |
| RACS-5 | 3.50 | 78.10 | 0.57 |
| RACS-6 | 3.50 | 100.00 | 0.50 |
| RACS-7 | 5.50 | 56.20 | 0.58 |
| RACS-8 | 5.50 | 78.10 | 0.64 |
| RACS-9 | 5.50 | 100.00 | 0.56 |
图8 再生骨料掺量对90 d劈裂强度的影响
Fig.8 Effect of recycled aggregate content on 90 d splitting strength
图9 遗传算法优化流程图
Fig.9 Flowchart of genetic algorithm optimization
图10 遗传算法进化过程
Fig.10 Evolution process of genetic algorithm
图11 预测最优配合比
Fig.11 Prediction of optimal mixture proportion
图12 7 d无侧限抗压强度预测评估结果
Fig.12 Evaluation results of 7 d unconfined compressive strength prediction
图13 90 d无侧限抗压强度预测评估结果
Fig.13 Evaluation results of 90 d unconfined compressive strength prediction
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