旧沥青路面铣刨料在水稳材料中的应用

河南中原高速公路股份有限公司李鸣

旧沥青路面铣刨料在水稳材料中的应用

河南中原高速公路股份有限公司李鸣

近几年，随着社会经济的快速发展，交通量迅速增长，而且重荷载交通量所占比重也日益增大，原有道路已经不能满足日益增长的交通量及荷载的需求。因而，大量的道路开始进行升级改造建设，然而在改造过程中随之便产生了大量的旧路材料，如何将旧路材料变废为宝而重新利用成为每个改造工程的重点，需根据项目的实际需要合理科学的利用。本文中，笔者依托京珠国道主干线郑州至漯河段高速公路改扩建工程建设项目，通过大量的文献调研，从旧沥青路面材料本身特性、用于水泥稳定材料中的作用机理、再生水泥稳定材料路用性能分析以及经济、社会和环境效益方面对旧沥青路面铣刨材料作为骨料用于水泥稳定材料的可行性进行了分析论述，并进行了试验验证。

一、项目概述

京珠国道主干线郑州至漯河段高速公路改扩建工程北起新郑国际机场立交南侧，终点位于漯河东南漯周界枢纽互通式立交南侧，沿线经长葛、许昌、临颍、郾城、漯河等市县，路线全长119.638km。该高速公路原为双向四车道，采用平原微丘区高速公路标准设计，实施全封闭、全立交通车管理方式。

自通车以来，郑漯高速公路有力地带动了沿线经济的全方位发展。但伴随经济及交通的快速发展，原双向四车道高速公路服务水平急剧下降，越来越不适应迅猛发展的经济和交通量需要，并严重制约着周边地区经济的进一步快速发展，为了提高道路的通行能力，改善路面行驶状况，适应日益增长的交通发展需要，该高速公路实施改扩建工程，由双向四车道扩建为双向八车道高速公路。

项目改扩建采取在原路两侧直接拼接加宽两车道方案进行扩建，新加宽路面部分通过台阶方式与旧路进行搭接拼接，为保证加宽后行车道路面质量，需对旧路硬路肩部位进行全面铣刨，因此改扩建工程中产生大量的旧沥青路面材料。由于旧沥青路面材料是一种有机与无机材料的结合材料，若不能重新利用，弃置某地不仅占用大量的土地，而且造成严重的环境污染，这与目前所提倡的环保、低碳经济等理念相违背，所以如何合理的、科学的重新利用旧沥青路面材料成为项目中一重点工作内容。

二、旧沥青路面铣刨料再利用途径

经过多年的研究及应用实践，目前，旧沥青路面铣刨材料的再利用途径主要有如下几种。

1.旧沥青路面铣刨材料独自再生利用，多采用沥青为添加剂再生为柔性基层，或者水泥为添加剂再生为水泥稳定底基层、基层。可分别采取热再生或冷再生方式进行再生利用。

2.旧沥青路面铣刨材料与基层铣刨材料混合再生利用，多采用乳化沥青或泡沫沥青再生为柔性基层，或者以水泥为添加剂再生为水泥稳定底基层、基层。可采取就地冷再生或厂拌冷再生方式进行再生利用。

3.旧沥青路面铣刨材料与灰土铣刨材料混合再生利用，多采用水泥为添加剂再生为水泥稳定底基层。可采取就地冷再生或厂拌冷再生进行再生利用。

4.旧沥青路面铣刨材料与基层、灰土铣刨材料混合再生利用，多采用水泥为添加剂再生为水泥稳定底基层、基层。可采取就地冷再生或厂拌冷再生方式进行再生利用。

郑州至漯河高速公路改扩建项目旧路铣刨位置为新加宽部位，铣刨材料均运至拌和场分类进行堆放，考虑再生材料的质量可靠性及工程进度、工期的影响，以及再生投资的影响，最终确定将旧沥青路面铣刨材料作为骨料用于水泥稳定基层中，但目前国内将旧沥青路面铣刨材料作为骨料且部分掺入水泥稳定材料中的研究及实践甚少，因此，在应用前需要做好充分的调研分析及试验验证工作。

三、旧沥青路面铣刨材料特性

旧沥青路面铣刨材料由于是含有沥青、碎石及砂等材料的综合材料，所以与新材料组成的路面结构层材料不同，具有如下特性。

1.路面沥青混合料经过机械铣刨和人工破碎后主要是作为骨料被重新利用，是一种含有沥青材料的具有一定级配的特殊骨料材料，与新材料性能有所不同。

2.大量的研究及试验表明，旧沥青路面铣刨材料中细料含量偏少，这主要是由于沥青的黏附作用，细料被沥青黏结及被大块团粒裹覆造成的；而抽提沥青后细料含量明显增多，是因为在车辆荷载长期作用以及铣刨作用下，矿质集料发生破碎细化。

3.旧沥青路面铣刨材料中沥青材料在长期自然因素作用下，其中轻质油分减少，相对胶质及沥青质增多，已经受过氧化作用，所以性能趋于稳定，再生利用后不会迅速变质，能够保持稳定并起到骨料的作用。

四、旧沥青路面铣刨材料在水稳材料中的作用机理

1.骨料作用机理。

（1）较大粒径粒料与新碎石材料构成水稳材料所需的骨架结构，较细粒料逐级填充空隙，新旧粒料材料共同形成结构层提供主要强度的骨架结构。

（2）部分较细粒料起到与砂相同的粒料作用，即润滑与填充密实作用，使得材料更加容易摊铺及碾压密实，从而形成具有嵌挤作用的、稳定的骨架密实结构型水泥稳定碎石结构层。

2.稳定剂作用机理。

（1）物理作用过程。混合料的拌和、摊铺及压实，以及水泥稳定材料在适宜的湿度和温度作用下强度的增长过程。

（2）化学作用过程。水泥的水化及水解作用，有机物的聚合作用，以及与许多化学成分复杂的新生成物有关的化学反应过程。

（3）物理——化学作用过程。旧沥青路面铣刨材料中微小颗粒与化学产物中个别组分的交换吸附作用，颗粒的凝聚作用以及之后多种结构生产的作用过程。

五、掺有旧沥青混合料的水稳材料路用性能分析

1.强度及刚度分析。掺有旧沥青路面铣刨材料的水泥稳定碎石材料是具有一定柔性材料性质的半刚性材料，因此它具有一定的柔性材料和刚性材料的优点，这是由它本身的材料构成所决定的。

国内外大量的工程实践证明，对于旧沥青路面铣刨材料与灰土或基层材料的混合料，无论采用二灰稳定再生，还是采用水泥稳定再生，再生材料的抗压强度均能满足规范及项目相应的要求，并且抗压强度随着旧沥青路面铣刨材料比例的减少及基层材料比例的增大而增大，因此新水稳材料中掺入部分旧沥青路面铣刨材料在合理级配及水泥用量条件下能够满足水泥稳定材料强度要求。

大量的试验研究及实践表明，影响水泥稳定材料的主要因素是碎石种类，而旧沥青路面铣刨材料中的砂石材料只是在长期荷载作用下变碎、变细，并没有本身性质的变化，因此掺有一定比例的旧沥青路面铣刨材料对水泥稳定材料的刚度影响不大，并且在一定程度上能够缓解水泥类材料刚度过大问题，其原因在于旧沥青路面铣刨材料中裹覆矿料的沥青的模量远小于矿料本身模量，导致裹有沥青的矿料的刚度小于矿料本身的刚度。

2.抗冲刷及抗冰冻性能分析。水泥稳定材料中部分旧沥青路面铣刨材料的掺入，由于旧路材料中矿料表面沥青的存在能够阻滞水分的扩散及冲刷，所以一定程度上能够增强水泥稳定材料抗冲刷能力。

水泥稳定材料的冰冻破坏主要是由于内部空隙水反复冻胀所导致。而掺有旧沥青路面铣刨材料的水泥稳定材料，由于沥青的存在使得水泥稳定混合料中孔隙减少，甚至部分成为封闭孔隙，加之水化产物的增加，混合料内部孔隙进一步减少，进而减少孔隙水的存在，降低了毛细水作用，并且沥青材料的弹性能够缓冲冻胀作用，因此混合料抗冰冻性能得以增强。

3.收缩特性分析。掺有旧沥青路面铣刨材料的水泥稳定材料，由于沥青膜的存在阻滞了水分的扩散，一定程度上减少了内部水分的蒸发，减小了毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用以及碳化收缩作用，所以一定程度上能够减缓水泥稳定材料的干缩。

由于水泥稳定材料中部分裹覆有沥青膜的粒料的存在，温度敏感性最大的沥青夹层处于温度敏感性较弱的水泥砂浆和粗集料之间，有利于发挥水泥砂浆和粗集料对沥青温度敏感性的抑制作用。所以，水泥稳定碎石材料温缩性能得以改善。

4.疲劳性能分析。在重复荷载作用下材料发生疲劳破坏需要经历裂纹萌生、扩展、连接、直至贯通断裂的过程。研究表明，裂纹萌生、扩展阶段对材料的疲劳性能有决定性影响。因此，当材料具有较强的阻滞裂纹萌生和扩展的能力时，也将具有良好的抗疲劳性能。

水泥稳定碎石材料中旧沥青路面铣刨材料的存在，矿料表面所裹覆的沥青膜一方面可以降低在粗骨料与水泥砂浆界面产生的应力集中，降低了界面的薄弱性及萌生裂纹的可能性，从而有利于提高水泥稳定材料的抗疲劳性能。另一方面，沥青材料的高韧性和大变形能力，将阻滞裂纹穿过沥青层进一步扩展，有利于提高疲劳寿命。

六、室内外试验检验

经过调研分析，笔者认为将旧沥青路面铣刨材料作为骨料用于水泥稳定碎石材料中在理论上是可行的，且掺入量控制适当条件下，不仅能够满足规范及项目对水泥稳定材料的基本要求，而且在一定程度上能够提高水泥稳定材料某些方面的性能，但在实际应用中应做好级配设计及配合比设计，并通过试验验证水泥稳定材料的路用性能，确保实际应用中达到较好的质量目标。

根据旧沥青路面铣刨材料数量及材料本身性质，考虑最终水泥稳定材料的均匀性、质量可靠性及项目对水泥稳定基层的具体要求，室内试验在不同水泥用量、不同旧沥青路面铣刨材料掺入量等条件下进行，经过科学的级配设计及配合比设计，通过土工击实试验、劈裂试验等对其最大干密度、最佳含水量、抗压强度等项目进行了试验检验。

通过对试验结果的分析，结合试验过程中材料的状况，最终选择水泥剂量5%和旧沥青路面铣刨材料掺量18%的一组设计，该组各项路面性能指标均满足规范及项目具体要求，其抗压强度甚至远超过项目6%水泥剂量7天抗压强度不小于4Mpa的要求。

根据室内试验结果，按照室内试验级配及配合比进行试验路的铺筑，通过钻芯取样进行试验检验，结果表明，试验路质量完全满足规范、设计及项目具体要求。

因此，水泥剂量5%、旧沥青路面铣刨材料掺量为18%的水泥稳定碎石材料完全能够满足项目要求，能够保证基层功能的需求。

七、经济社会环境效益分析

1.经济效益分析。旧沥青路面铣刨材料作为骨料用于水泥稳定基层材料中的经济效益体现为：节约原材料，一定比例的旧沥青路面材料的应用，相应的就节约了新材料的投入，同时减少了水泥用量，从而在原材料方面节约了投资。节约了设备投资，旧沥青路面铣刨材料作为骨料应用，不需要再投入其他再生生产设备，水泥稳定碎石生产设备就可满足生产需要。减少了旧沥青路面材料的处理费用。其他由于堆放、处理旧沥青路面材料租地费用及提升其他道路使用性能后所减少了运输成本等等。

2.社会环境效益。旧沥青路面铣刨材料的再利用除了具有一定的经济效益外，还具有良好的社会效益。因为充分利用了旧沥青路面铣刨材料，解决了大量废料对环境的污染，减少了对材料的需求量，有助于自然资源的保护，降低料生产过程中所产生的环境污染等。而且改善了道路状况，减少轮胎的磨损，降低运输成本，减少可能发生的交通事故，保证行车舒适安全。