河南中原高速公路股份有限公司李鳴

舊瀝青路面銑刨料在水穩(wěn)材料中的應(yīng)用

河南中原高速公路股份有限公司李鳴

近幾年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量迅速增長(zhǎng)，而且重荷載交通量所占比重也日益增大，原有道路已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的交通量及荷載的需求。因而，大量的道路開始進(jìn)行升級(jí)改造建設(shè)，然而在改造過程中隨之便產(chǎn)生了大量的舊路材料，如何將舊路材料變廢為寶而重新利用成為每個(gè)改造工程的重點(diǎn)，需根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要合理科學(xué)的利用。本文中，筆者依托京珠國(guó)道主干線鄭州至漯河段高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)項(xiàng)目，通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研，從舊瀝青路面材料本身特性、用于水泥穩(wěn)定材料中的作用機(jī)理、再生水泥穩(wěn)定材料路用性能分析以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益方面對(duì)舊瀝青路面銑刨材料作為骨料用于水泥穩(wěn)定材料的可行性進(jìn)行了分析論述，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

一、項(xiàng)目概述

京珠國(guó)道主干線鄭州至漯河段高速公路改擴(kuò)建工程北起新鄭國(guó)際機(jī)場(chǎng)立交南側(cè)，終點(diǎn)位于漯河?xùn)|南漯周界樞紐互通式立交南側(cè)，沿線經(jīng)長(zhǎng)葛、許昌、臨潁、郾城、漯河等市縣，路線全長(zhǎng)119.638km。該高速公路原為雙向四車道，采用平原微丘區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，實(shí)施全封閉、全立交通車管理方式。

自通車以來，鄭漯高速公路有力地帶動(dòng)了沿線經(jīng)濟(jì)的全方位發(fā)展。但伴隨經(jīng)濟(jì)及交通的快速發(fā)展，原雙向四車道高速公路服務(wù)水平急劇下降，越來越不適應(yīng)迅猛發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和交通量需要，并嚴(yán)重制約著周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步快速發(fā)展，為了提高道路的通行能力，改善路面行駛狀況，適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通發(fā)展需要，該高速公路實(shí)施改擴(kuò)建工程，由雙向四車道擴(kuò)建為雙向八車道高速公路。

項(xiàng)目改擴(kuò)建采取在原路兩側(cè)直接拼接加寬兩車道方案進(jìn)行擴(kuò)建，新加寬路面部分通過臺(tái)階方式與舊路進(jìn)行搭接拼接，為保證加寬后行車道路面質(zhì)量，需對(duì)舊路硬路肩部位進(jìn)行全面銑刨，因此改擴(kuò)建工程中產(chǎn)生大量的舊瀝青路面材料。由于舊瀝青路面材料是一種有機(jī)與無機(jī)材料的結(jié)合材料，若不能重新利用，棄置某地不僅占用大量的土地，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，這與目前所提倡的環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)等理念相違背，所以如何合理的、科學(xué)的重新利用舊瀝青路面材料成為項(xiàng)目中一重點(diǎn)工作內(nèi)容。

二、舊瀝青路面銑刨料再利用途徑

經(jīng)過多年的研究及應(yīng)用實(shí)踐，目前，舊瀝青路面銑刨材料的再利用途徑主要有如下幾種。

1.舊瀝青路面銑刨材料獨(dú)自再生利用，多采用瀝青為添加劑再生為柔性基層，或者水泥為添加劑再生為水泥穩(wěn)定底基層、基層?？煞謩e采取熱再生或冷再生方式進(jìn)行再生利用。

2.舊瀝青路面銑刨材料與基層銑刨材料混合再生利用，多采用乳化瀝青或泡沫瀝青再生為柔性基層，或者以水泥為添加劑再生為水泥穩(wěn)定底基層、基層?？刹扇【偷乩湓偕驈S拌冷再生方式進(jìn)行再生利用。

3.舊瀝青路面銑刨材料與灰土銑刨材料混合再生利用，多采用水泥為添加劑再生為水泥穩(wěn)定底基層。可采取就地冷再生或廠拌冷再生進(jìn)行再生利用。

4.舊瀝青路面銑刨材料與基層、灰土銑刨材料混合再生利用，多采用水泥為添加劑再生為水泥穩(wěn)定底基層、基層?？刹扇【偷乩湓偕驈S拌冷再生方式進(jìn)行再生利用。

鄭州至漯河高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目舊路銑刨位置為新加寬部位，銑刨材料均運(yùn)至拌和場(chǎng)分類進(jìn)行堆放，考慮再生材料的質(zhì)量可靠性及工程進(jìn)度、工期的影響，以及再生投資的影響，最終確定將舊瀝青路面銑刨材料作為骨料用于水泥穩(wěn)定基層中，但目前國(guó)內(nèi)將舊瀝青路面銑刨材料作為骨料且部分摻入水泥穩(wěn)定材料中的研究及實(shí)踐甚少，因此，在應(yīng)用前需要做好充分的調(diào)研分析及試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

三、舊瀝青路面銑刨材料特性

舊瀝青路面銑刨材料由于是含有瀝青、碎石及砂等材料的綜合材料，所以與新材料組成的路面結(jié)構(gòu)層材料不同，具有如下特性。

1.路面瀝青混合料經(jīng)過機(jī)械銑刨和人工破碎后主要是作為骨料被重新利用，是一種含有瀝青材料的具有一定級(jí)配的特殊骨料材料，與新材料性能有所不同。

2.大量的研究及試驗(yàn)表明，舊瀝青路面銑刨材料中細(xì)料含量偏少，這主要是由于瀝青的黏附作用，細(xì)料被瀝青黏結(jié)及被大塊團(tuán)粒裹覆造成的；而抽提瀝青后細(xì)料含量明顯增多，是因?yàn)樵谲囕v荷載長(zhǎng)期作用以及銑刨作用下，礦質(zhì)集料發(fā)生破碎細(xì)化。

3.舊瀝青路面銑刨材料中瀝青材料在長(zhǎng)期自然因素作用下，其中輕質(zhì)油分減少，相對(duì)膠質(zhì)及瀝青質(zhì)增多，已經(jīng)受過氧化作用，所以性能趨于穩(wěn)定，再生利用后不會(huì)迅速變質(zhì)，能夠保持穩(wěn)定并起到骨料的作用。

四、舊瀝青路面銑刨材料在水穩(wěn)材料中的作用機(jī)理

1.骨料作用機(jī)理。

（1）較大粒徑粒料與新碎石材料構(gòu)成水穩(wěn)材料所需的骨架結(jié)構(gòu)，較細(xì)粒料逐級(jí)填充空隙，新舊粒料材料共同形成結(jié)構(gòu)層提供主要強(qiáng)度的骨架結(jié)構(gòu)。

（2）部分較細(xì)粒料起到與砂相同的粒料作用，即潤(rùn)滑與填充密實(shí)作用，使得材料更加容易攤鋪及碾壓密實(shí)，從而形成具有嵌擠作用的、穩(wěn)定的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)型水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層。

2.穩(wěn)定劑作用機(jī)理。

（1）物理作用過程?；旌狭系陌韬?、攤鋪及壓實(shí)，以及水泥穩(wěn)定材料在適宜的濕度和溫度作用下強(qiáng)度的增長(zhǎng)過程。

（2）化學(xué)作用過程。水泥的水化及水解作用，有機(jī)物的聚合作用，以及與許多化學(xué)成分復(fù)雜的新生成物有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)過程。

（3）物理——化學(xué)作用過程。舊瀝青路面銑刨材料中微小顆粒與化學(xué)產(chǎn)物中個(gè)別組分的交換吸附作用，顆粒的凝聚作用以及之后多種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的作用過程。

五、摻有舊瀝青混合料的水穩(wěn)材料路用性能分析

1.強(qiáng)度及剛度分析。摻有舊瀝青路面銑刨材料的水泥穩(wěn)定碎石材料是具有一定柔性材料性質(zhì)的半剛性材料，因此它具有一定的柔性材料和剛性材料的優(yōu)點(diǎn)，這是由它本身的材料構(gòu)成所決定的。

國(guó)內(nèi)外大量的工程實(shí)踐證明，對(duì)于舊瀝青路面銑刨材料與灰土或基層材料的混合料，無論采用二灰穩(wěn)定再生，還是采用水泥穩(wěn)定再生，再生材料的抗壓強(qiáng)度均能滿足規(guī)范及項(xiàng)目相應(yīng)的要求，并且抗壓強(qiáng)度隨著舊瀝青路面銑刨材料比例的減少及基層材料比例的增大而增大，因此新水穩(wěn)材料中摻入部分舊瀝青路面銑刨材料在合理級(jí)配及水泥用量條件下能夠滿足水泥穩(wěn)定材料強(qiáng)度要求。

大量的試驗(yàn)研究及實(shí)踐表明，影響水泥穩(wěn)定材料的主要因素是碎石種類，而舊瀝青路面銑刨材料中的砂石材料只是在長(zhǎng)期荷載作用下變碎、變細(xì)，并沒有本身性質(zhì)的變化，因此摻有一定比例的舊瀝青路面銑刨材料對(duì)水泥穩(wěn)定材料的剛度影響不大，并且在一定程度上能夠緩解水泥類材料剛度過大問題，其原因在于舊瀝青路面銑刨材料中裹覆礦料的瀝青的模量遠(yuǎn)小于礦料本身模量，導(dǎo)致裹有瀝青的礦料的剛度小于礦料本身的剛度。

2.抗沖刷及抗冰凍性能分析。水泥穩(wěn)定材料中部分舊瀝青路面銑刨材料的摻入，由于舊路材料中礦料表面瀝青的存在能夠阻滯水分的擴(kuò)散及沖刷，所以一定程度上能夠增強(qiáng)水泥穩(wěn)定材料抗沖刷能力。

水泥穩(wěn)定材料的冰凍破壞主要是由于內(nèi)部空隙水反復(fù)凍脹所導(dǎo)致。而摻有舊瀝青路面銑刨材料的水泥穩(wěn)定材料，由于瀝青的存在使得水泥穩(wěn)定混合料中孔隙減少，甚至部分成為封閉孔隙，加之水化產(chǎn)物的增加，混合料內(nèi)部孔隙進(jìn)一步減少，進(jìn)而減少孔隙水的存在，降低了毛細(xì)水作用，并且瀝青材料的彈性能夠緩沖凍脹作用，因此混合料抗冰凍性能得以增強(qiáng)。

3.收縮特性分析。摻有舊瀝青路面銑刨材料的水泥穩(wěn)定材料，由于瀝青膜的存在阻滯了水分的擴(kuò)散，一定程度上減少了內(nèi)部水分的蒸發(fā)，減小了毛細(xì)管作用、吸附作用、分子間力的作用、材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用以及碳化收縮作用，所以一定程度上能夠減緩水泥穩(wěn)定材料的干縮。

由于水泥穩(wěn)定材料中部分裹覆有瀝青膜的粒料的存在，溫度敏感性最大的瀝青夾層處于溫度敏感性較弱的水泥砂漿和粗集料之間，有利于發(fā)揮水泥砂漿和粗集料對(duì)瀝青溫度敏感性的抑制作用。所以，水泥穩(wěn)定碎石材料溫縮性能得以改善。

4.疲勞性能分析。在重復(fù)荷載作用下材料發(fā)生疲勞破壞需要經(jīng)歷裂紋萌生、擴(kuò)展、連接、直至貫通斷裂的過程。研究表明，裂紋萌生、擴(kuò)展階段對(duì)材料的疲勞性能有決定性影響。因此，當(dāng)材料具有較強(qiáng)的阻滯裂紋萌生和擴(kuò)展的能力時(shí)，也將具有良好的抗疲勞性能。

水泥穩(wěn)定碎石材料中舊瀝青路面銑刨材料的存在，礦料表面所裹覆的瀝青膜一方面可以降低在粗骨料與水泥砂漿界面產(chǎn)生的應(yīng)力集中，降低了界面的薄弱性及萌生裂紋的可能性，從而有利于提高水泥穩(wěn)定材料的抗疲勞性能。另一方面，瀝青材料的高韌性和大變形能力，將阻滯裂紋穿過瀝青層進(jìn)一步擴(kuò)展，有利于提高疲勞壽命。

六、室內(nèi)外試驗(yàn)檢驗(yàn)

經(jīng)過調(diào)研分析，筆者認(rèn)為將舊瀝青路面銑刨材料作為骨料用于水泥穩(wěn)定碎石材料中在理論上是可行的，且摻入量控制適當(dāng)條件下，不僅能夠滿足規(guī)范及項(xiàng)目對(duì)水泥穩(wěn)定材料的基本要求，而且在一定程度上能夠提高水泥穩(wěn)定材料某些方面的性能，但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)做好級(jí)配設(shè)計(jì)及配合比設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證水泥穩(wěn)定材料的路用性能，確保實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到較好的質(zhì)量目標(biāo)。

根據(jù)舊瀝青路面銑刨材料數(shù)量及材料本身性質(zhì)，考慮最終水泥穩(wěn)定材料的均勻性、質(zhì)量可靠性及項(xiàng)目對(duì)水泥穩(wěn)定基層的具體要求，室內(nèi)試驗(yàn)在不同水泥用量、不同舊瀝青路面銑刨材料摻入量等條件下進(jìn)行，經(jīng)過科學(xué)的級(jí)配設(shè)計(jì)及配合比設(shè)計(jì)，通過土工擊實(shí)試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)等對(duì)其最大干密度、最佳含水量、抗壓強(qiáng)度等項(xiàng)目進(jìn)行了試驗(yàn)檢驗(yàn)。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，結(jié)合試驗(yàn)過程中材料的狀況，最終選擇水泥劑量5%和舊瀝青路面銑刨材料摻量18%的一組設(shè)計(jì)，該組各項(xiàng)路面性能指標(biāo)均滿足規(guī)范及項(xiàng)目具體要求，其抗壓強(qiáng)度甚至遠(yuǎn)超過項(xiàng)目6%水泥劑量7天抗壓強(qiáng)度不小于4Mpa的要求。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，按照室內(nèi)試驗(yàn)級(jí)配及配合比進(jìn)行試驗(yàn)路的鋪筑，通過鉆芯取樣進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，結(jié)果表明，試驗(yàn)路質(zhì)量完全滿足規(guī)范、設(shè)計(jì)及項(xiàng)目具體要求。

因此，水泥劑量5%、舊瀝青路面銑刨材料摻量為18%的水泥穩(wěn)定碎石材料完全能夠滿足項(xiàng)目要求，能夠保證基層功能的需求。

七、經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境效益分析

1.經(jīng)濟(jì)效益分析。舊瀝青路面銑刨材料作為骨料用于水泥穩(wěn)定基層材料中的經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)為：節(jié)約原材料，一定比例的舊瀝青路面材料的應(yīng)用，相應(yīng)的就節(jié)約了新材料的投入，同時(shí)減少了水泥用量，從而在原材料方面節(jié)約了投資。節(jié)約了設(shè)備投資，舊瀝青路面銑刨材料作為骨料應(yīng)用，不需要再投入其他再生生產(chǎn)設(shè)備，水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)設(shè)備就可滿足生產(chǎn)需要。減少了舊瀝青路面材料的處理費(fèi)用。其他由于堆放、處理舊瀝青路面材料租地費(fèi)用及提升其他道路使用性能后所減少了運(yùn)輸成本等等。

2.社會(huì)環(huán)境效益。舊瀝青路面銑刨材料的再利用除了具有一定的經(jīng)濟(jì)效益外，還具有良好的社會(huì)效益。因?yàn)槌浞掷昧伺f瀝青路面銑刨材料，解決了大量廢料對(duì)環(huán)境的污染，減少了對(duì)材料的需求量，有助于自然資源的保護(hù)，降低料生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的環(huán)境污染等。而且改善了道路狀況，減少輪胎的磨損，降低運(yùn)輸成本，減少可能發(fā)生的交通事故，保證行車舒適安全。