再生集料在公路養(yǎng)護(hù)工程水穩(wěn)基層中的應(yīng)用研究

王宏斌，隋一鳴，張登峰

(1.二連浩特市邊防公路養(yǎng)護(hù)中心，二連浩特 011100；2.錫林浩特市公路養(yǎng)護(hù)中心，錫林浩特 026000； 3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

在公路養(yǎng)護(hù)大中修工程中，對舊路面基層的坑槽銑刨、大段落的損壞挖除以及斷板、網(wǎng)裂的舊混凝土面板拆除都會產(chǎn)生大量的道路廢棄料。這些廢棄料中可回收利用的部分占90%以上，如不充分利用而直接廢棄，既是資源的浪費(fèi)，也會造成環(huán)境污染[1]。將這部分廢棄料集中堆放，經(jīng)分揀處理，破碎加工成再生集料并應(yīng)用于公路養(yǎng)護(hù)工程的水穩(wěn)底基層、基層及防護(hù)工程，是一種有效的資源再利用措施，可以充分利用公路廢棄料，節(jié)約天然碎石集料、降低工程造價(jià)，保護(hù)自然環(huán)境[2]。

錫林郭勒盟某二級公路地處國家林業(yè)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，養(yǎng)護(hù)里程約80.0 km，路面凈寬7.0 m，基層寬7.5 m，水泥混凝土過水路面寬7.5 m。設(shè)計(jì)文件確定需銑刨挖除重鋪基層段落40.0 km，舊水泥混凝土路面需破除段落約8.0 km，經(jīng)測算銑刨挖除的水穩(wěn)基層約6.0萬m3，破除的水泥混凝土路面約1.2萬m3。結(jié)合項(xiàng)目地材碎石運(yùn)距遠(yuǎn)、供應(yīng)緊缺等實(shí)際情況，論文開展了再生集料在公路養(yǎng)護(hù)工程水穩(wěn)基層中的應(yīng)用研究。

1 原材料性能與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 再生集料性能

將銑刨、挖除的水穩(wěn)混合料以及破碎、拆除的水泥混凝土面板運(yùn)回，集中加工處理，采用顎式破碎+錘式反擊破+立軸式整形機(jī)+篩分分級的三級破碎一次篩分的生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)的再生集料篩分成0～9.5 mm、9.5～19 mm、19～26.5 mm三種規(guī)格，根據(jù)試生產(chǎn)產(chǎn)量測算，各規(guī)格料分別占再生料總量的30%、50%和20%。經(jīng)試驗(yàn)室取樣，根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)[3]集料技術(shù)要求進(jìn)行性能測試，再生料試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 再生集料性能試驗(yàn)結(jié)果

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，再生集料各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均符合技術(shù)要求。但因再生集料顆粒表面紋理豐富，且大部分再生粗集料表面附著少量的水泥砂漿，導(dǎo)致再生集料吸水率高于普通碎石集料，而密度卻比碎石集料小。從再生集料的壓碎值和吸水率性能看，擊實(shí)試驗(yàn)應(yīng)適當(dāng)增加預(yù)加含水率。0～9.5 mm再生料的<0.075 mm以下部分含有較多的水泥砂漿粉末，致使其塑性指數(shù)結(jié)果比碎石機(jī)制砂的塑性指數(shù)高，在實(shí)際施工過程中，應(yīng)適當(dāng)控制0～9.5 mm再生料的用量。

1.2 其他材料性能

1)碎石集料

為充分利用再生集料，項(xiàng)目根據(jù)水穩(wěn)設(shè)計(jì)合成級配需要，外購了一批0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm安山巖碎石集料補(bǔ)充項(xiàng)目施工所需，外購碎石集料主要技術(shù)性能為：表觀相對密度2.726、壓碎值18.3%、塑性指數(shù)7.3，其他性能均滿足路面基層施工技術(shù)細(xì)則對集料的技術(shù)要求。

2)水泥

水泥采用錫林浩特32.5級粉煤灰緩凝水泥，初凝275 min，終凝380 min，安定性合格，3 d抗壓強(qiáng)度12.2 MPa，3 d抗折強(qiáng)度2.8 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度37.6 MPa，28 d抗折強(qiáng)度6.5 MPa。其他指標(biāo)均滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)[4]技術(shù)要求。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[5]試驗(yàn)方法，進(jìn)行碎石集料水穩(wěn)混合料和再生集料水穩(wěn)混合料配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在4.0%、4.5%、5.0%三個(gè)水泥劑量下進(jìn)行重?fù)魧?shí)試驗(yàn)以確定各級配的最大干密度和最佳含水量，再進(jìn)行最佳含水量下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度(劈裂)、抗壓回彈模量、干縮性能等深度試驗(yàn)。

實(shí)施階段以項(xiàng)目式與問題解決形式為主，涵蓋STEAM教育中的技術(shù)(T)和工程(E)。該階段關(guān)注學(xué)習(xí)過程，學(xué)生要思考應(yīng)用哪些設(shè)備以及技術(shù)做什么？輸出結(jié)果是什么？該階段，學(xué)生通過不斷探索與實(shí)際操作，將主題變?yōu)閷?shí)實(shí)在在的作品，在探究、合作氛圍中培養(yǎng)問題解決能力、技術(shù)應(yīng)用能力、抽象邏輯思維，實(shí)現(xiàn)學(xué)會學(xué)習(xí)、科學(xué)精神、實(shí)踐創(chuàng)新等素養(yǎng)融合發(fā)展。

2 配合比設(shè)計(jì)與混合料擊實(shí)試驗(yàn)

2.1 配合比設(shè)計(jì)

采用計(jì)算機(jī)計(jì)算擬合的方式進(jìn)行新料的水穩(wěn)基層配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行再生料與新料的擬合試配試驗(yàn)，合成曲線確定了三種再生料中只需與0～4.75 mm機(jī)制砂、19～31.5 mm碎石兩檔新料試配即可滿足級配要求。根據(jù)計(jì)算機(jī)合成結(jié)果，擬定再生料用量分別占礦料總量的55%、65%和75%三種，新料水穩(wěn)基層設(shè)計(jì)及再生料水穩(wěn)基層配合比設(shè)計(jì)分別見表2、表3。其中，新料配合比A為19～31.5碎石∶9.5～19碎石∶9.5～19碎石∶4.75～9.5碎石∶0～4.75機(jī)制砂=18%∶30%∶16%∶36%，再生料配合比Ⅰ(再生料用量55%)為：19～31.5新碎石∶19～26.5再生料∶9.5～19再生料∶0～9.5再生料∶0～4.75機(jī)制砂=15%∶5%∶35%∶15%∶30%，配比Ⅱ(再生料用量65%)為：19～31.5新碎石∶19～26.5再生料∶9.5～19再生料∶0～9.5再生料∶0～4.75機(jī)制砂=10%∶10%∶35%∶20%∶25%，配比Ⅲ(再生料用量75%)為：19～31.5新碎石∶19～26.5再生料∶9.5～19再生料∶0～9.5再生料∶0～4.75機(jī)制砂=5%∶15%∶35%∶25%∶20%。

表2 新料水穩(wěn)基層合成通過率

表3 再生料水穩(wěn)基層合成通過率

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表2、表3所列的四種級配試算結(jié)果，分別進(jìn)行4.0%、4.5%、5.0%三個(gè)水泥劑量下的重?fù)魧?shí)試驗(yàn)，以確定每個(gè)級配不同水泥劑量條件下最大干密度和最佳含水量。再根據(jù)干密度和含水量試驗(yàn)結(jié)果，成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量、干縮試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件并按規(guī)程要求進(jìn)行養(yǎng)生，到期后進(jìn)行性能測試。

2.2.1 重?fù)魧?shí)及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2、表3所列的四種級配，分別進(jìn)行4.0%、4.5%、5.0%三個(gè)水泥劑量下的重?fù)魧?shí)試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，養(yǎng)生到期后進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 擊實(shí)試驗(yàn)及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出：相同水泥劑量下，新集料基層混合料最大干密度均大于摻再生料的混合料最大干密度，而最佳含水量要小于摻再生料的基層混合料。對于摻再生料的基層配比，隨著再生料的用量增加，其擊實(shí)干密度呈逐漸遞減趨勢，而最佳含水量則隨著再生料用量的增加而增大。7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同水泥劑量的條件下，隨著再生料用量的增加，其強(qiáng)度逐漸減小。但是，當(dāng)水泥劑量不低于4.5%時(shí)，即便是再生料用量達(dá)到75%，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍滿足設(shè)計(jì)文件要求基層強(qiáng)度不小于3.5 MPa的要求。

2.2.2 間接抗拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合表4試驗(yàn)結(jié)果，分別對水泥劑量4.5%和5.0%工況條件下的水穩(wěn)配合比進(jìn)行90 d間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、90 d抗壓回彈模量試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 間接抗拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 干縮試驗(yàn)結(jié)果

在間接彎拉強(qiáng)度和回彈模量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對水穩(wěn)混合料的干縮性能進(jìn)行測試。干縮性能主要影響因素有三個(gè):1)再生料用量，2)水泥劑量，3)含水量。分別測試四個(gè)級配5.0%水泥劑量條件下干縮應(yīng)變、失水率隨養(yǎng)生齡期的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

從圖1可以看出，5%水泥劑量條件下，干縮應(yīng)變在養(yǎng)生期的前18 d發(fā)展最為顯著，18～28 d期間開始變化緩慢，28 d以后逐漸趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)測得碎石集料水穩(wěn)混合料的干縮應(yīng)變?yōu)?62×10-6，55%再生料水穩(wěn)混合料干縮應(yīng)變?yōu)?30×10-6，65%再生料水穩(wěn)混合料的干縮應(yīng)變?yōu)?82×10-6，75%再生料水穩(wěn)混合料的干縮應(yīng)變?yōu)?26×10-6。從圖2可以看出，失水率變化在養(yǎng)生期前8 d變化最顯著，8～12 d逐漸變緩，12 d以后水分散失趨于完成。試驗(yàn)測得碎石集料水穩(wěn)混合料的失水率為3.1%，55%再生料水穩(wěn)混合料失水率為4.0%，65%再生料水穩(wěn)混合料的失水率為4.25%，75%再生料水穩(wěn)混合料的失水率為4.45%。從圖3可以看出，干縮系數(shù)與失水率的變化趨勢總體上呈同方向發(fā)展，當(dāng)失水率的變化隨著養(yǎng)生齡期的增長趨于穩(wěn)定時(shí)，干縮系數(shù)的變化量也達(dá)到穩(wěn)定，但摻再生料的混合料達(dá)到干縮穩(wěn)定的時(shí)間要比碎石集料混合料長4～6 d，因此，實(shí)際施工過程中，使用再生料用量超過50%以上的水穩(wěn)混合料，其養(yǎng)生期要比普通碎石水穩(wěn)混合料延長4～6 d。試驗(yàn)測得5%水泥劑量工況下，碎石集料水穩(wěn)料干縮系數(shù)為116.77×10-6，摻55%再生料混合料干縮系數(shù)為157.5×10-6，摻65%再生料混合料干縮系數(shù)為160.47×10-6，摻75%再生料混合料干縮系數(shù)為163.14×10-6。

干縮應(yīng)變、失水率、干縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，碎石集料水穩(wěn)混合料試件的各試驗(yàn)結(jié)果在12～14 d后增長趨勢減緩，摻再生料的水穩(wěn)試件的各試驗(yàn)結(jié)果在8～10 d后增長趨勢變緩。這說明，由于再生骨料吸水率較大，配制的水泥穩(wěn)定碎石混合料失水率大，且失水時(shí)間短，應(yīng)充分重視再生料水穩(wěn)混合料的早期養(yǎng)生工作，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間宜延長至14～18 d，并保持表面的充分濕潤。應(yīng)在基層施工期間采用一布一膜防水土工布覆蓋并灑水養(yǎng)生。養(yǎng)生到期后，應(yīng)及時(shí)開展透層或上層混合料的鋪筑，避免基層長期暴露于外界環(huán)境中發(fā)生干縮裂縫[7]。

3 再生集料水穩(wěn)基層在項(xiàng)目應(yīng)用情況

錫林郭勒盟某二級公路養(yǎng)護(hù)工程，采用碎石集料水穩(wěn)基層和再生集料水穩(wěn)基層分標(biāo)段施工，水穩(wěn)混合料設(shè)計(jì)水泥劑量5%。采用山東貝特WDT-700型水穩(wěn)拌合站，雙拌缸串聯(lián)方式二級拌和工藝生產(chǎn)混合料。通過試拌和試驗(yàn)，確定再生集料水穩(wěn)混合料生產(chǎn)含水量在目標(biāo)含水量基礎(chǔ)上增加1%，拌和效果良好。攤鋪采用一臺ABG8620B型履帶攤鋪機(jī)全幅攤鋪，攤鋪外觀均勻無離析，松鋪系數(shù)1.3。壓實(shí)設(shè)備采用1臺12 t寶馬格雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)初壓和終壓收光，復(fù)壓采用2臺22 t三一單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)，配1臺30 t徐工301輪胎式壓路機(jī)。

壓實(shí)工藝根據(jù)試驗(yàn)段效果最終確定為：初壓，雙鋼輪靜壓1遍。復(fù)壓，兩臺單鋼輪壓路機(jī)分別強(qiáng)振壓實(shí)2遍，弱振壓實(shí)2遍，輪胎壓路機(jī)搓揉壓實(shí)2遍。終壓，雙鋼輪靜壓2遍收光并消除輪跡。從水穩(wěn)鋪筑情況看，水泥穩(wěn)定再生骨料混合料可完全采用與普通水泥穩(wěn)定碎石混合料相同的施工機(jī)械和施工工藝。

碾壓結(jié)束，即開展外觀、壓實(shí)度、平整度檢測，對施工中出現(xiàn)的施工缺陷如輪跡、擁包等及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)壓處理。從施工效果看，再生料基層施工面平整、均勻、表面致密，漿體飽滿，缺陷少，符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。養(yǎng)生到期后現(xiàn)場取芯，芯樣完整性良好，外觀觀測結(jié)果表明：三個(gè)摻入再生骨料的水穩(wěn)碎石基層段落與純碎石水穩(wěn)基層外觀無明顯變化，且用再生料的基層表面更致密，漿體更加飽滿。芯樣密實(shí)度較好，無裂紋、孔洞、破損、斷縫現(xiàn)象。這也說明大摻量再生骨料用于公路養(yǎng)護(hù)工程水泥穩(wěn)定基層是可行的。

4 結(jié) 論

a.與碎石集料相比，部分再生集料表面裹覆有少量砂漿成分，導(dǎo)致再生集料密度變小、吸水率高、壓碎值增大，但其理化性能仍滿足相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

b.水穩(wěn)混合料中摻入不同比例再生集料，其干密度下降、含水率增加。相同水泥劑量條件下，再生料水穩(wěn)混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量等性能與碎石集料水穩(wěn)混合料性能相比有所降低，但其力學(xué)性能仍滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)文件技術(shù)要求。

c.水穩(wěn)混合料中摻入不同比例再生集料，其干縮性增加，表現(xiàn)為失水率和干縮系數(shù)增大，施工期間應(yīng)做好覆膜保水養(yǎng)生，養(yǎng)生期較碎石穩(wěn)定基層延長4～6 d。

d.再生集料水穩(wěn)混合料施工設(shè)備與施工工藝與普通水穩(wěn)碎石基本相同。再生集料的應(yīng)用過程中，為降低膠結(jié)料水化放熱和干縮效應(yīng)，宜采用低標(biāo)號緩凝水泥，底基層水泥劑量宜在4%～4.5%之間，基層水泥劑量宜在4.5%～5.0%之間，再生集料的用量宜控制在礦料總量的55%～65%之間，不應(yīng)片面追求高摻量，宜全面考慮抗裂性、耐久性等路用性能后綜合確定。