陳 鵬, 張望鵬

(1.湖南省公路學(xué)會(huì)，湖南 長(zhǎng)沙 410008； 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

截至2022年底，我國(guó)公路通車?yán)锍踢_(dá)到535萬(wàn)km，其中高速公路里程17.7萬(wàn)km，交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，方便了人們的生活，但也造成了許多社會(huì)問(wèn)題。如公路設(shè)施的建設(shè)消耗了寶貴的自然資源，大量路段進(jìn)行的提質(zhì)改造或改擴(kuò)建又帶來(lái)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(jìn)行處理，浪費(fèi)了有限的不可再生的優(yōu)質(zhì)資源[2]。交通運(yùn)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(hào)文)中強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)廢舊路面材料的循環(huán)利用：在各等級(jí)公路改擴(kuò)建和修復(fù)養(yǎng)護(hù)工程中，積極應(yīng)用路面材料再生技術(shù)，高速公路、普通國(guó)省干線公路廢舊路面材料循環(huán)利用率分別達(dá)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(jì)，我國(guó)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(dá)16億t，并且該數(shù)字還在持續(xù)增長(zhǎng)[3]。另外，我國(guó)水泥路面舊料年產(chǎn)生量超過(guò)7 000萬(wàn)t，半剛性基層舊料數(shù)量更多。但我國(guó)公路路面廢舊材料再生利用率不到30%[4]，遠(yuǎn)低于美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家超過(guò)90%的資源化利用率水平。目前國(guó)內(nèi)對(duì)舊半剛性材料和舊水泥混凝土路面材料的再生利用技術(shù)主要為就地銑刨破碎，直接生成廢棄骨料，通過(guò)篩選設(shè)備進(jìn)行不同粒徑骨料回收，并對(duì)回收材料進(jìn)行原材料檢測(cè)、配合比設(shè)計(jì)，最后用于新修路面[5-8]。實(shí)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(shè)備或移動(dòng)式破碎設(shè)備，加工工藝與碎石基本一致，各種設(shè)備的型號(hào)大小可根據(jù)實(shí)際情況決定[9-13]。國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)回收集料的密度、吸水率、級(jí)配、壓碎值、表面特征、0.075 mm以下粉塵含量、堅(jiān)固性、磨耗率等基本物理力學(xué)性能指標(biāo)[14-15]以及水泥穩(wěn)定回收集料不同時(shí)期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量、劈裂模量、劈裂強(qiáng)度、浸水抗壓和凍融循環(huán)殘留指標(biāo)等路用性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)[16-18]，綜合分析舊混凝土回收集料應(yīng)用于路面基層及底基層材料的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

本文結(jié)合湖南省某二級(jí)公路改建高速公路過(guò)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(biāo)差異，驗(yàn)證了回收集料用于道路基層的可行性；并對(duì)二次破碎回收集料的級(jí)配組成和混合料配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了試驗(yàn)，提出了再生混合料施工過(guò)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(jì)效益。

1 原材料試驗(yàn)

1.1 水泥

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

表1 水泥的主要性能技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/%凝結(jié)時(shí)間/min抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)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(guò)程中，利用鑿巖機(jī)對(duì)水泥混凝土路面預(yù)處理，再由固定式破碎設(shè)備和移動(dòng)式破碎設(shè)備進(jìn)行破碎，由組合篩分設(shè)備收集規(guī)定粒徑的粗、細(xì)集料備用，廢舊水泥混凝土塊進(jìn)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(xì)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(guān)規(guī)范和試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 粗集料物理性能試驗(yàn)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(xì)集料物理性能試驗(yàn)結(jié)果集料種類表觀密度/(g·cm-3)有機(jī)質(zhì)含量/%硫酸鹽含量/%砂當(dāng)量/%含水率/%回收細(xì)集料2.5171.10.1468.12.8天然細(xì)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(yàn)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(xiàng)指標(biāo)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。回收粗集料的磨耗損失稍高于天然集料，但能滿足基層和底基層技術(shù)要求。此外，回收細(xì)集料各項(xiàng)物理力學(xué)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(xì)集料技術(shù)要求。

2 再生混合料配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，廢舊路面混凝土回收集料的力學(xué)性能弱于天然集料，可通過(guò)一些強(qiáng)化措施提高回收集料的強(qiáng)度，但工程應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性不高?；旌狭系募?jí)配設(shè)計(jì)是影響混合料路用性能的主要因素之一，良好的級(jí)配設(shè)計(jì)可以減弱回收集料本身性能對(duì)混合料的影響，并能提高路面耐久性能。

2.1 回收集料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

原路面廢舊水泥混凝土經(jīng)過(guò)一次破碎后，對(duì)31.5 mm篩上的超粒徑集料進(jìn)行二次破碎，分別對(duì)一次破碎和二次破碎后的回收集料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到其級(jí)配范圍(見(jiàn)表4)，并與《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)中水泥穩(wěn)定材料的推薦級(jí)配進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

表4 廢舊水泥混凝土回收集料級(jí)配篩孔尺寸/mm通過(guò)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(jí)配

由圖2可知：經(jīng)過(guò)一次破碎后的舊混凝土回收集料在規(guī)范推薦級(jí)配的上限和下限范圍內(nèi)，并且與級(jí)配中線比較接近，說(shuō)明一次破碎效果較好，得到的回收集料級(jí)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(jìn)行破碎，所得回收集料各篩孔的通過(guò)率均較大，級(jí)配曲線超過(guò)級(jí)配上限范圍，粒徑過(guò)小不滿足底基層用集料使用要求。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在實(shí)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(shè)計(jì)

本工程底基層材料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)要求和以往工程經(jīng)驗(yàn)，再生混合料的水泥用量取3%、4%、5%、6%、7%。對(duì)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(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，每種劑量進(jìn)行2組進(jìn)行試驗(yàn)，其他兩個(gè)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(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率-最大干密度曲線見(jiàn)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(shí)試驗(yàn)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(jìn)行對(duì)比，進(jìn)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(shí)試驗(yàn)，2種混合料的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 擊實(shí)試驗(yàn)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(shí)度裝料，采用靜壓成型制作無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度圓柱體試件，成型后的試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6及圖6所示。

表6 混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度混合料類型水泥劑量/%7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa變異系數(shù)/%是否滿足設(shè)計(jì)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較

由表6可知，無(wú)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(shí)混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)值要求。由圖6可知，當(dāng)水泥劑量為4%、5%、6%時(shí)，相同水泥劑量下的水泥穩(wěn)定回收集料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度[19]。同時(shí)考慮工程經(jīng)濟(jì)性，實(shí)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(qiáng)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(rùn)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(yùn)輸時(shí)對(duì)混合料進(jìn)行全覆蓋，混合料到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后盡快攤鋪。

3)為防止回收粗集料在碾壓過(guò)程中被大量壓碎，在施工過(guò)程中減少重型鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)的強(qiáng)振使用，加強(qiáng)重型輪胎壓路機(jī)揉搓碾壓。

表7為改建工程路段的壓實(shí)度和含水率現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，各點(diǎn)壓實(shí)度均高于97%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖7為底基層養(yǎng)生7 d后現(xiàn)場(chǎng)取芯的芯樣圖片，可見(jiàn)芯樣完整密實(shí)，工程效果良好。

表7 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況測(cè)點(diǎn)樁號(hào)含水率/(g·cm-3)壓實(shí)度/%K0+1008.798.6K0+2008.998.7K0+3008.898.4K0+4008.698.3技術(shù)要求-≥98

圖7 再生底基層芯樣

4 再生回收利用經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)目高速公路改建工程路面工程3個(gè)合同段舊筑路材料回收數(shù)量見(jiàn)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(jì)378 354.6

本項(xiàng)目3個(gè)合同段長(zhǎng)度46 367 m，寬度12 m，回收得到的廢舊筑路材料共計(jì)約37.8萬(wàn)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(dāng)年碎石參考價(jià)格，本項(xiàng)目用于再生結(jié)構(gòu)層的廢舊筑路材料共計(jì)節(jié)約材料費(fèi)用1 900余萬(wàn)元，占路面結(jié)構(gòu)層材料總費(fèi)用的11%，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。回收粗集料壓碎值較高，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(jí)配和分檔要求，二次破碎后的集料級(jí)配曲線超過(guò)推薦級(jí)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于不摻回收集料的普通水泥穩(wěn)定碎石，同時(shí)考慮工程經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際施工中再生混合料的水泥劑量控制在4%～5%為宜。

3)本項(xiàng)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(jì)和社會(huì)效益，節(jié)約材料費(fèi)用11%，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。