基于公路改擴建舊混凝土路面回收集料的再生水穩(wěn)基層應用研究

陳 鵬, 張望鵬

(1.湖南省公路學會，湖南 長沙 410008； 2.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

0 引言

截至2022年底，我國公路通車里程達到535萬km，其中高速公路里程17.7萬km，交通運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展促進了社會經(jīng)濟的加速發(fā)展，方便了人們的生活，但也造成了許多社會問題。如公路設施的建設消耗了寶貴的自然資源，大量路段進行的提質(zhì)改造或改擴建又帶來了巨量廢舊筑路工程材料[1]，目前這些舊筑路材料通常以填埋或用于填筑路基等方式進行處理，浪費了有限的不可再生的優(yōu)質(zhì)資源[2]。交通運輸部在《綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》(交規(guī)劃發(fā)〔2021〕104號文)中強調(diào)要加強廢舊路面材料的循環(huán)利用：在各等級公路改擴建和修復養(yǎng)護工程中，積極應用路面材料再生技術，高速公路、普通國省干線公路廢舊路面材料循環(huán)利用率分別達到95%和80%以上。目前現(xiàn)狀與規(guī)劃差距較大，因此加快公路廢舊筑路材料的資源化循環(huán)利用工作已迫在眉捷。

據(jù)統(tǒng)計，我國每年大約有13%的瀝青路面亟需翻修改造，隨之產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料可達16億t，并且該數(shù)字還在持續(xù)增長[3]。另外，我國水泥路面舊料年產(chǎn)生量超過7 000萬t，半剛性基層舊料數(shù)量更多。但我國公路路面廢舊材料再生利用率不到30%[4]，遠低于美、歐、日等發(fā)達國家超過90%的資源化利用率水平。目前國內(nèi)對舊半剛性材料和舊水泥混凝土路面材料的再生利用技術主要為就地銑刨破碎，直接生成廢棄骨料，通過篩選設備進行不同粒徑骨料回收，并對回收材料進行原材料檢測、配合比設計，最后用于新修路面[5-8]。實際工程中廢舊水泥混凝土回收集料主要采用固定式破碎設備或移動式破碎設備，加工工藝與碎石基本一致，各種設備的型號大小可根據(jù)實際情況決定[9-13]。國內(nèi)對廢舊路面回收集料的研究主要集中在破碎生產(chǎn)工藝，并對回收集料的密度、吸水率、級配、壓碎值、表面特征、0.075 mm以下粉塵含量、堅固性、磨耗率等基本物理力學性能指標[14-15]以及水泥穩(wěn)定回收集料不同時期的無側(cè)限抗壓強度、抗壓彈性模量、劈裂模量、劈裂強度、浸水抗壓和凍融循環(huán)殘留指標等路用性能進行試驗檢測[16-18]，綜合分析舊混凝土回收集料應用于路面基層及底基層材料的技術可行性及經(jīng)濟、環(huán)境效益。

本文結(jié)合湖南省某二級公路改建高速公路過程中部分路段路面改造工程，研究了舊水泥混凝土路面回收集料和天然集料的物理性能指標差異，驗證了回收集料用于道路基層的可行性；并對二次破碎回收集料的級配組成和混合料配合比設計進行了試驗，提出了再生混合料施工過程中的質(zhì)量控制措施，分析了廢舊水泥路面回收集料的再生利用經(jīng)濟效益。

1 原材料試驗

1.1 水泥

P·O 42.5緩凝水泥，經(jīng)檢驗安定性合格，主要技術指標如表1所示。

表1 水泥的主要性能技術指標標準稠度用水量/%凝結(jié)時間/min抗壓強度/MPa抗折強度/MPa初凝終凝3 d28 d3 d28 d26.3535742524.547.64.46.8

1.2 回收集料

在公路改建過程中，利用鑿巖機對水泥混凝土路面預處理，再由固定式破碎設備和移動式破碎設備進行破碎，由組合篩分設備收集規(guī)定粒徑的粗、細集料備用，廢舊水泥混凝土塊進行破碎加工后，回收集料的粒徑均已控制在31.5 mm以內(nèi)?；厥沾旨先鐖D1所示，主要由碎石和舊水泥砂漿組成，回收細集料主要是包裹砂漿的石屑或砂粒。

圖1 回收粗集料

將回收集料和天然集料按照相關規(guī)范和試驗規(guī)程進行試驗檢測，試驗結(jié)果見表2和表3。

表2 粗集料物理性能試驗結(jié)果集料種類粒徑/mm表觀密度/(g·cm-3)吸水率/%0.075 mm以下粉塵含量/%針片狀顆粒含量/%壓碎值/%磨耗損失/%19～31.52.6213.20.58.4回收粗集料9.5～192.6173.60.610.326.927.74.75～9.52.6264.90.39.319～31.52.7330.40.33.6天然粗集料16～192.7260.50.33.919.423.44.75～9.52.7320.60.25.8規(guī)范要求---≤1.2≤18≤22(基層)≤30(底基層)≤35

表3 細集料物理性能試驗結(jié)果集料種類表觀密度/(g·cm-3)有機質(zhì)含量/%硫酸鹽含量/%砂當量/%含水率/%回收細集料2.5171.10.1468.12.8天然細集料2.7360.40.1073.61.7規(guī)范要求-<2≤0.25≥60-

由表2和表3試驗結(jié)果可知，與天然粗集料相比，回收粗集料表觀密度較小、吸水率大、針片狀顆粒含量高、0.075 mm以下粉塵含量高，但各項指標均滿足規(guī)范要求?；厥沾旨蠅核橹递^高，在不摻配天然集料的情況下不可用于公路基層，但滿足底基層壓碎值要求?；厥沾旨系哪ズ膿p失稍高于天然集料，但能滿足基層和底基層技術要求。此外，回收細集料各項物理力學性能與天然集料相差不大，品質(zhì)較好，滿足公路基層或底基層用細集料技術要求。

2 再生混合料配合比設計

試驗研究發(fā)現(xiàn)，廢舊路面混凝土回收集料的力學性能弱于天然集料，可通過一些強化措施提高回收集料的強度，但工程應用經(jīng)濟性不高。混合料的級配設計是影響混合料路用性能的主要因素之一，良好的級配設計可以減弱回收集料本身性能對混合料的影響，并能提高路面耐久性能。

2.1 回收集料級配組成設計

原路面廢舊水泥混凝土經(jīng)過一次破碎后，對31.5 mm篩上的超粒徑集料進行二次破碎，分別對一次破碎和二次破碎后的回收集料進行篩分試驗，得到其級配范圍(見表4)，并與《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)中水泥穩(wěn)定材料的推薦級配進行對比，結(jié)果如圖2所示。

表4 廢舊水泥混凝土回收集料級配篩孔尺寸/mm通過百分率/%第一次破碎第二次破碎規(guī)范要求31.595.810090～10026.592.7100-1976.810067～909.555.687.545～684.7538.26529～502.3624.645.618～380.611.9248～220.0753.76.20～7

圖2 原水泥混凝土路面回收集料級配

由圖2可知：經(jīng)過一次破碎后的舊混凝土回收集料在規(guī)范推薦級配的上限和下限范圍內(nèi)，并且與級配中線比較接近，說明一次破碎效果較好，得到的回收集料級配均勻，滿足公路底基層用集料的分檔要求。二次破碎是采用31.5 mm篩上的回收粗集料進行破碎，所得回收集料各篩孔的通過率均較大，級配曲線超過級配上限范圍，粒徑過小不滿足底基層用集料使用要求。經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗，在實際工程中選用一次破碎篩分后的集料。

2.2 回收集料水泥穩(wěn)定材料配合比設計

本工程底基層材料的7 d無側(cè)限抗壓強度設計值為4.0 MPa，再生混合料中回收集料摻量為100%。依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)要求和以往工程經(jīng)驗，再生混合料的水泥用量取3%、4%、5%、6%、7%。對最小水泥劑量3%、中間水泥劑量5%和最大水泥劑量7%的再生混合料進行擊實試驗，每種劑量進行2組進行試驗，其他兩個劑量混合料的最佳含水率和最大干密度用內(nèi)插法確定，擊實試驗得到的最佳含水率-最大干密度曲線見圖3～5。

圖3 3%水泥劑量下的最佳含水率-最大干密度曲線

圖4 5%水泥劑量下的最佳含水率-最大干密度曲線

圖5 7%水泥劑量下的最佳含水率-最大干密度曲線

根據(jù)以上擊實試驗的結(jié)果，采用內(nèi)插法確定水泥劑量為4%、6%的水泥穩(wěn)定回收集料混合料的最佳含水率和最大干密度。為將再生混合料的性能與普通水泥穩(wěn)定碎石進行對比，進行了水泥劑量為4%、5%和6%的水泥穩(wěn)定碎石混合料的擊實試驗，2種混合料的擊實試驗結(jié)果見表5。

表5 擊實試驗確定的最佳含水量-最大干密度混合料類型水泥劑量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%32.1607.342.2018.5水泥穩(wěn)定回收集料52.2289.362.24910.272.26811.042.2234.7水泥穩(wěn)定碎石52.2505.462.2925.8

按照上述確定的不同水泥劑量的最大干密度與最佳含水率以及97%的底基層施工壓實度裝料，采用靜壓成型制作無側(cè)限抗壓強度圓柱體試件，成型后的試件標準養(yǎng)護7 d后，進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如表6及圖6所示。

表6 混合料7 d無側(cè)限抗壓強度混合料類型水泥劑量/%7 d無側(cè)限抗壓強度/MPa變異系數(shù)/%是否滿足設計要求33.97.2否44.96.4是水泥穩(wěn)定回收集料55.95.8是66.88.6是78.05.3是44.66.3是水泥穩(wěn)定碎石55.77.2是66.75.6是

圖6 不同集料類型7 d無側(cè)限抗壓強度比較

由表6可知，無論是水泥穩(wěn)定回收集料，還是水泥穩(wěn)定碎石，均是水泥劑量≥4%時混合料7 d無側(cè)限抗壓強度滿足設計值要求。由圖6可知，當水泥劑量為4%、5%、6%時，相同水泥劑量下的水泥穩(wěn)定回收集料7 d無側(cè)限抗壓強度均稍高于不摻回收集料的普通水泥穩(wěn)定碎石，分析其中原因可能是回收集料表面粗糙度較高，集料之間、水泥和集料間的摩阻力較大，并且回收集料中含有未完全水化的水泥，進一步提高了回收集料與水泥之間的黏聚力，因此提高了混合料的整體強度[19]。同時考慮工程經(jīng)濟性，實際施工中再生混合料的水泥劑量控制在4%～5%為宜。

3 施工質(zhì)量控制

由于原路面廢舊混凝土回收集料整體強度比天然集料低且吸水率高，為保證再生混合料質(zhì)量，采取以下措施。

1)采用兩次拌和工藝，在混合料生產(chǎn)前1 d將回收粗集料潤濕，以保證再生混合料拌和均勻。

2)為防止混合料水分快速蒸發(fā)，運輸時對混合料進行全覆蓋，混合料到達現(xiàn)場后盡快攤鋪。

3)為防止回收粗集料在碾壓過程中被大量壓碎，在施工過程中減少重型鋼輪振動壓路機的強振使用，加強重型輪胎壓路機揉搓碾壓。

表7為改建工程路段的壓實度和含水率現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，各點壓實度均高于97%，達到設計要求。圖7為底基層養(yǎng)生7 d后現(xiàn)場取芯的芯樣圖片，可見芯樣完整密實，工程效果良好。

表7 現(xiàn)場檢測情況測點樁號含水率/(g·cm-3)壓實度/%K0+1008.798.6K0+2008.998.7K0+3008.898.4K0+4008.698.3技術要求-≥98

圖7 再生底基層芯樣

4 再生回收利用經(jīng)濟效益

本項目高速公路改建工程路面工程3個合同段舊筑路材料回收數(shù)量見表8。

表8 廢舊筑路材料回收數(shù)量位置厚度/m回收量/m3舊水泥穩(wěn)定碎石基層0.2119 958.2舊水泥混凝土面板0.24133 536.9舊鋼筋混凝土面板0.24124 859.5合計378 354.6

本項目3個合同段長度46 367 m，寬度12 m，回收得到的廢舊筑路材料共計約37.8萬m3，舊筑路材料全部用于再生結(jié)構(gòu)層、墊層、調(diào)平層以及路床處治中，根據(jù)當年碎石參考價格，本項目用于再生結(jié)構(gòu)層的廢舊筑路材料共計節(jié)約材料費用1 900余萬元，占路面結(jié)構(gòu)層材料總費用的11%，具有較好的社會經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

1)與天然集料相比，回收集料表觀密度較小、吸水率大、針片狀顆粒含量高、0.075 mm以下粉塵含量高、磨耗損失較高，但各項指標均滿足規(guī)范要求?；厥沾旨蠅核橹递^高，在不摻配天然集料的情況下可直接用于道路底基層。

2)一次破碎效果較好，回收集料滿足公路底基層用集料的級配和分檔要求，二次破碎后的集料級配曲線超過推薦級配上限范圍；相同水泥劑量下的水泥穩(wěn)定回收集料7 d無側(cè)限抗壓強度均高于不摻回收集料的普通水泥穩(wěn)定碎石，同時考慮工程經(jīng)濟性，實際施工中再生混合料的水泥劑量控制在4%～5%為宜。

3)本項目舊水泥混凝土路面材料的再生利用起到了較好的經(jīng)濟和社會效益，節(jié)約材料費用11%，具有良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。