水泥混凝土路面粒石化再生工藝特性的比較

李國武，拾方治，畢偉林，楊曉東

0 引言

中國是世界上水泥混凝土路面里程數(shù)最多的國家，因為路面設計、工程施工、路面養(yǎng)護及車輛超載等原因，大量水泥板路面出現(xiàn)了結構性病害，各地區(qū)急需對舊水泥混凝土板進行“白改黑”的改造維修。水泥混凝土路面粒石化再生技術作為一種環(huán)保節(jié)約型水泥混凝土路面養(yǎng)護改造方法，相對于傳統(tǒng)的挖除舊水泥板新建路面和水泥混凝土面板碎石化等方法，具有節(jié)約能耗、承載力強、對路基無破壞、原路面病害清除徹底、材料利用率高等諸多優(yōu)點，在水泥混凝土路面大中修養(yǎng)護工程中得到越來越廣泛的應用［1-4］。

水泥混凝土路面粒石化再生技術是將舊水泥混凝土路面板材料用鎬頭機破碎成一定規(guī)格的塊狀材料后，進一步通過不同的破碎方式將材料顆?；?，然后作為骨料用于道路再生基層。該技術主要有3種工藝:第一種是現(xiàn)場就地?；?，即首先將舊路面水泥板材料用鎬頭機破碎成水泥混凝土大塊，然后采用粒化機就地進行?；偕?第二種是移動式場地?；?，即先將舊路面水泥板材料用鎬頭機破碎成水泥混凝土大塊后，再將混凝土大塊用鏟車放入現(xiàn)場移動?；瘷C中?；?第三種是工廠集中?；?，即將舊路面水泥板材料用鎬頭機破碎成水泥混凝土大塊后將其送到破碎廠破碎，然后作為碎石集料使用。在采用不同粒石化工藝進行生產(chǎn)施工時，工藝流程、施工設備要求、再生材料特性、施工條件等方面均存在差異［5-7］;因此，根據(jù)再生路面的設計要求和施工條件，合理選擇水泥混凝土路面板粒石化工藝是將其推廣應用的關鍵。

目前，國外研究主要集中于粒石化再生材料的性能評價，以及再生材料本身的物理力學性能和用作基層時的基本性質等［8-11］。國內(nèi)的研究主要集中于對水泥路面破碎后的材料進行基本物理力學性能檢測分析，水穩(wěn)再生混合料的無側限抗壓強度、抗壓回彈模量、劈裂強度、凍融循環(huán)性能、混合料干縮溫縮性能等路用性能的檢測分析，以及結合設計過程中相關的規(guī)范要求或者與天然集料的比較對其進行評價，證明水泥路面破碎料應用于路面基層的可行性［12-15］。由此可見，國內(nèi)外對水泥混凝土路面板粒石化工藝的特性研究相對比較少。

本文針對水泥混凝土路面的3種?；に?，從施工工藝流程、材料特性、再生混合料性能、施工條件等方面對其進行比較，為不同地區(qū)和場合選擇水泥混凝土路面粒石化再生技術的工藝提供參考。

1 材料特性比較

1.1 水泥板粒化料表觀分析

本文選取現(xiàn)場就地?；⒁苿邮綀龅亓；?、工廠集中?；?種粒石化工藝的材料:A為采用PTH2500HD就地?；瘷C?；牟牧?B為采用克林曼MR 110Z EVO移動破碎機?；牟牧?C為采用顎式破碎與圓錐式破碎組合的工廠?；玫降乃喟辶；希珹、B、C的原混凝土板都是來自某省道面層的水泥板。3種不同粒石化工藝的粗集料表觀狀態(tài)如圖1～3所示。

圖2 粒石化粗集料B

圖3 粒石化粗集料C

就地?；偕鷻C是通過高速旋轉的齒輪將已初步破碎的塊狀材料就地進行二次破碎。由于塊狀材料離散分布在道路作業(yè)面，就地破碎具有不均勻性和不徹底性，就地?；蟮脑偕媳砻嫒怨街^厚水泥砂漿，比較粗糙，孔洞和棱角也較多。移動式場地?；瘷C(反擊式)是利用轉子高速旋轉的沖擊能使破碎料與板錘發(fā)生撞擊而破碎。工廠?；に囍袎K狀材料是經(jīng)過圓錐破碎機的反復擠壓磨碎而被?；?。移動式場地?；凸S?；に嚨募媳砻婀降纳皾{較薄、表面孔洞較少、針片狀少、破碎面增多，相比就地?；に嚨牟牧?，在骨料嵌擠結構上更加有利。

1.2 水泥板?；系奈?/h3>

根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG/T E42—2005)中的“粗集料密度及吸水率試驗(網(wǎng)籃法)”，對3種?；に囅碌牧；牧系奈蔬M行測定，結果如表1所示。

表1 粗集料吸水率試驗結果

從吸水率試驗結果可以看出，現(xiàn)場就地?；偕旨螦的吸水率大于B和C，原因為不同工藝生產(chǎn)的粒化材料表面裹附的水泥砂漿厚薄程度、孔隙大小、孔隙率的不同，導致吸水率不一致。與移動式場地?；偕凸S集中?；偕募舷啾龋F(xiàn)場就地?；偕鷱娭破扑楹蟮募媳砻嫒怨街^厚的水泥砂漿，表面孔隙較多，從而造成其粒石化材料吸水率偏大［16］。移動式場地?；偕姆磽羰狡扑楣に嚂顾喟辶；蟽?nèi)部新出現(xiàn)一些微小裂縫，導致水泥板?；衔屎臀俣仍龃?而工廠?；偕乃喟辶；瞎降乃嗌皾{較少，表面孔隙較少，因此吸水率較低。

1.3 集料的壓碎值

集料的壓碎值能夠表征水泥板?；洗旨系膹姸?，用于衡量集料在荷載作用下抵抗壓碎的能力。在測定不同?；に嚨呐f水泥板粒化料粗骨料的壓碎值試驗中，A、B、C 三種材料各取 9.5～13.2 mm集料3 000 g，試驗溫度為20益，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG/T E42—2005)規(guī)定的方法，對粗集料進行壓碎值試驗，結果如表2所示。

從表2可以看出，在料源相同的情況下，?；に嚨牟煌斐伤喟鍓K材料的破碎程度不同，從而導致材料強度不一致。其中，就地粒化工藝粒化不徹底，粗集料裹附著較多水泥砂漿，而砂漿由軟弱顆粒組成，強度相對較低，易在壓力作用下破碎并從舊集料表面剝落，造成壓碎值偏大;移動場地?；凸S集中?；拇旨掀扑楸容^徹底，壓碎值較低，而且數(shù)值比較接近。

表2 壓碎值試驗結果

根據(jù)《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中對粗集料壓碎值的技術要求，現(xiàn)場就地?；に嚿a(chǎn)的再生集料可以作為高速公路和一級公路路面的底基層、二級及二級以下公路路面的基層和底基層;移動式場地?；に嚿a(chǎn)的再生集料可以作為高速公路和一級公路重、中、輕交通路面的基層，極重、特重交通路面的底基層，二級及二級以下公路路面的基層和底基層;工廠集中粒化工藝生產(chǎn)的再生集料可以作為各等級公路的基層和底基層［17］。

2 再生混合料的性能比較

2.1 級配

為了對比不同工藝所生產(chǎn)材料的級配情況，對3種工藝破碎后的材料分別水洗后篩分，其中試樣A、B分別為采用就地?；瘷C、移動破碎設備直接?；椅刺砑有鹿橇系乃喟辶；?試樣C為工廠集中粒化的合成集料，其中粗集料(16～31.5 mm)占48%，4.75～16 mm細集料占26%，0～4.75 mm細集料占26%。材料篩分結果如表3和圖4所示，其中級配范圍選用《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中C-A-1規(guī)定的范圍。

表3 三種工藝破碎后的材料篩分結果

圖4 集料級配組成曲線

由表3和圖4可知，在不添加新料的情況下，A、B、C集料的級配組成均能滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中高速公路和一級公路底基層以及其他等級公路基層和底基層的要求。此外，還可以通過進一步篩分和添加新集料等措施，使工廠集中?；牧蠞M足高速公路和一級公路基層的要求。

2.2 強度和剛度

采用擊實結果確定的最佳含水量和最大干密度，水泥劑量為5%，通過靜壓法成型150 mm伊150 mm的圓柱體試件，養(yǎng)生溫度為20益，相對濕度為96%，經(jīng)過7 d和28 d的養(yǎng)生齡期后，測試了A、B、C三種混合料的無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗壓回彈模量，結果如圖5～7所示。

圖5 無側限抗壓強度

從圖5、6可以看出:隨著養(yǎng)護齡期的增長，3種?；に囋偕旌狭系膹姸仍鲩L規(guī)律基本保持一致;而C混合料的強度略大于B，B混合料的強度略大于A。這主要是因為，隨著粒化工藝破碎效果的改善，材料棱角變多，水泥砂漿變薄，現(xiàn)場就地?；蟮募蟽?nèi)部存在細微裂紋，在荷載作用下會使整體結構強度降低。因此，通過工廠集中?；募蠈λ嗷炷亮；系膹姸确€(wěn)定性最有利，移動式場地?；洗沃?。

圖6 劈裂抗拉強度

圖7 抗壓回彈模量

從圖7可以看出:隨著養(yǎng)護齡期的增長，3種?；に囋偕旌狭系膭偠仍鲩L規(guī)律基本保持一致;而C混合料的剛度大于B，B混合料的剛度大于A。這主要是因為，集料在相互黏結形成結合面時，新舊砂漿結合處是強度形成的薄弱面，因此較厚的水泥砂漿對嵌擠結構的穩(wěn)定性不利，隨著?；に嚻扑樾Ч母纳?，集料表面水泥砂漿變薄，這樣對混合料剛度形成有利;另一方面，舊料本身裹附的水泥砂漿剛度較小，從而影響了再生混合料的抗壓回彈模量。

3 施工工藝比較

3.1 工藝流程

3種?；に嚨牟煌饕w現(xiàn)在?；a(chǎn)方式方面，再生混合料的壓實、養(yǎng)生的工藝基本相同。

3.1.1 預破碎

3種?；に嚨某醪狡扑橄嗤际峭ㄟ^鎬頭機對水泥板路面進行預破碎，破碎深度都應小于原路面基層厚度，確保不破壞原路基。但是，3種工藝對水泥塊的破碎粒徑要求不同，現(xiàn)場就地?；辛；瘷C進料口為30 cm，因此預破碎的水泥塊應小于30 cm;而移動式場地?；凸S集中?；O備進料口較大，預破碎后的水泥塊最大可達到70 cm。

3.1.2 深度?；?/p>

(1)現(xiàn)場就地粒化。在已經(jīng)完成預破碎的道路施工現(xiàn)場，先用挖掘機開挖出長1 m、寬3 m的下沉空間，讓?；瘷C下沉到路面底部，然后開始就地?；偕┕?。就地?；瘷C的破碎次數(shù)應在正式施工前通過篩分級配確定，基本保持在1～3次。

(2)移動式場地?；?。預破碎完成后，用挖掘機將破碎后的水泥塊集中堆放，同時軋石機跟進，用挖掘機或裝載機將破碎的水泥板塊送進軋石機進料斗進行軋制。軋制完成后的碎石混合料由后方的輸送帶傳至施工路段上，之后將機器移動至下個集料堆前，再次進行軋制。

(3)工廠集中?；ｎA破碎后的水泥板轉運至碎石加工廠后，先使用顎式破碎機對水泥板塊進行一級破碎，得到最大粒徑不超過30 cm的一級破碎料，其中粒徑小于31.5 mm的破碎料比例在60%左右，顎式破碎后破碎料粒徑的分布如表4所示。一級破碎后的碎石經(jīng)過皮帶機轉運至圓錐式破碎機進行二級破碎，并將超粒徑的集料反芻到圓錐式破碎機，直至達到出料的要求。最后通過振動篩將再生集料篩分為各檔粒徑的集料。

表4 顎式破碎后破碎料粒徑分布

3.1.3 拌合和攤鋪

現(xiàn)場就地?；偕鸵苿邮綀龅亓；偕捎镁偷卦偕鷻C現(xiàn)場拌合。首先根據(jù)實驗室的配合比結果在粒化后的路面撒鋪碎石和水泥，再采用再生機對再生料進行銑刨、破碎、拌合、攤鋪、預壓實;同時，平地機對預壓實路面進行整平。工廠集中粒化再生的集料在工廠內(nèi)進行拌合，拌合好的再生混合料通過卡車運輸?shù)浆F(xiàn)場，采用攤鋪機進行攤鋪施工。

3.1.4 壓實和養(yǎng)生

3種工藝的壓實和養(yǎng)生工序都是一致的，混合料攤鋪完成后，用26 t單鋼輪壓路機低速靜壓1遍，單鋼輪壓路機高幅低頻強振壓實3遍，單鋼輪壓路機低幅高頻強振壓實3遍，灑水使再生層頂面充分濕潤，輪胎壓路機壓實4～6遍且水分蒸發(fā)后，再進行最后的補壓，消除水分散發(fā)后的空隙。

碾壓完成后需對每一路段進行壓實度檢查，合格后應立即對路面進行養(yǎng)生。宜采用土工布對路面養(yǎng)生7～9 d，結束后必須清除路面上的土工布。養(yǎng)生期間，除灑水車外，嚴禁任何車輛通行。對氣溫較高的地區(qū)，需用灑水車對再生路面持續(xù)灑水。

3.2 ?；┕ぴO備

結合S324省道水泥板粒化再生工程和S225省道大中修養(yǎng)護工程，對不同粒石化再生工藝的機械設備進行比較。S324省道采用現(xiàn)場就地?；偕鸵苿邮綀龅亓；偕?種施工工藝，S225省道采用工廠?；偕に?，工廠粒化主要采用顎式破碎與圓錐式破碎組合的?；偕に嚒?種工藝的預破碎、壓實、養(yǎng)生采用的機械都是相同的，而粒石化生產(chǎn)與再生路面拌合攤鋪工藝的步驟不同，配置的機械設備也不同。不同?；に囍饕O備如表5所示。

表5 不同再生工藝的路面施工主要設備

3.3 施工適應性

現(xiàn)場就地?；偕┕ぶ芷诙?，對交通影響較小，施工中需要配備灑水車及時灑水降塵。移動式場地?；偕┕ぶ芷谳^長，一般采用邊粒化生產(chǎn)邊鋪筑的同步作業(yè)，且移動?；瘷C需要一定范圍的?；鳂I(yè)面，條件允許可在再生路段附近的空閑場地進行?；詼p小?；显跀備仌r的不均勻性。工廠集中?；偕┕ぶ芷陂L，對交通影響大，需要交通管制以及專門的粒化加工廠，生產(chǎn)條件要求高，而且粒石化集料運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場增加了施工成本，因此粒化加工廠與施工現(xiàn)場的距離不宜太長。不同?；偕桨傅倪m應性比較如表6所示。

表6 不同?；桨高m應性比較

4 結語

本文從施工工藝流程、材料特性、再生混合料性能、施工工藝等方面對水泥混凝土路面板粒石化的3種工藝進行了比較，分析各種工藝的適應性，為今后不同地區(qū)和場合選擇水泥混凝土路面粒石化再生工藝提供參考，并得出了以下結論。

(1)現(xiàn)場就地?；眉媳砻婀降乃嗌皾{較厚，吸水率高，壓碎值偏大;而移動場地?；凸S集中粒化的集料表面光滑、孔洞少，吸水率小，壓碎值較低。

(2)現(xiàn)場就地?；⒁苿邮綀龅亓；凸S集中粒化再生混合料的強度和剛度依次遞增，這說明?；に嚻扑樾Ч玫搅烁纳?。

(3)三種?；に嚨牟煌饕w現(xiàn)在?；a(chǎn)方式上，同時現(xiàn)場就地?；偕┕ば瘦^高，對交通影響較小，但施工質量不宜控制;移動場地?；偕┕ば瘦^高，對交通影響小，施工質量控制較容易;工廠集中粒化再生施工效率低，對交通影響較大，但施工質量容易控制。

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